围绕减小碎片靶面上光斑尺寸从而提高靶面光强的问题，采用解析方法研究了部分相干脉冲光（PCLP）在非均匀大气中的准稳态自聚焦效应对空间靶面光束质量的影响。推导出了PCLP从地面上行大气传输至空间轨道的束宽、曲率半径和实际焦距的解析表达式。研究表明，准稳态自聚焦效应会导致焦移，从而导致靶面光斑尺寸增大。指出采用准稳态和稳态修正焦距方法可以有效抑制准稳态自聚焦效应，从而减小碎片靶面光斑尺寸。推导出了PCLP的准稳态和稳态修正焦距的解析表达式，并给出了其适用条件。研究发现，采用准稳态修正方法能获得比稳态修正方法更小的靶面光斑尺寸，但稳态修正方法更易实现。

提出了一种利用激光阴影图像探测大气湍流中二维横向风矢量的方法,并开展了数值模拟和实验研究。通过移动无限长的相位屏模拟光传输路径上的横向风,采用基于归一化互相关原理的整像素搜索算法计算激光阴影的移动速度,并分析了路径上的横向风及其非均匀分布对激光阴影移动速度的影响。100 m长的激光阴影成像探测对比实验结果表明,在采样频率足够大时,激光阴影的移动速度与平均横向风速之间满足线性关系。超声风速仪的实测值与激光阴影法的拟合值相关系数达到0.949,这表明利用短曝光激光阴影图像获取路径的平均二维横向风矢量是可行的;且该方法能定量展现激光传输路径上大气湍流涡旋的发展和演化,对于大气湍流风场的遥感监测及相关工程应用具有重要的参考价值。

为了探究激光在自由高空湍流大气中传输的短曝光光斑特性,在云南高美古3200m的高海拔地区,选择远离下垫面的地势条件,开展了532nm固体激光1,2,3,4, 4.7km大气传输光斑成像探测实验。利用4000frame/s采样速率下的短曝光光斑数据,定性地描述了湍流大气中短曝光远场激光光斑的网纹状形态结构以及零星亮点的移动、消散和重构过程,并对激光光斑灰度值进行了定量的统计分析。结果表明:利用二维的光斑图像数据,可以较为方便地获得光强闪烁的孔径平均因子和理想的点闪烁指数,进而得到包括湍流强度和湍流内尺度在内的关键光学湍流参数;同时,也可对激光闪烁频谱、截止频率以及光斑的空间相关特性进行定量的判断。相关数据有助于研究高原或高空长程传输条件下的激光能量在目标靶面上的空间分布及其时间变化特性,为研究激光长程大气传输后光电系统的变化提供了一定的参考。

激光在实际大气中的传输效果不仅与其自身传输机理有关, 还与大气因素密切相关, 因此, 准确评估激光大气传输的效果,不仅需要开展激光传输机理的研究, 建立激光大气传输数理模型, 还需要对实际传输过程中的大气光学特性进行测量、分析和预测。鉴于实际大气环境的复杂性及多因素耦合的制约, 激光大气传输的机理研究大都采用大气参数可控的物理实验平台和数值仿真软件平台进行研究, 而大气光学特性的研究则在大量实地测量分析的基础上, 重点发展基于物理相关性分析和数学模型构建的光学湍流模式化表征研究。简要介绍了国内外高能激光大气传输性能评估技术的发展情况, 面向高能激光系统未来的实际应用, 指出了其发展趋势。

采用数值模拟的方法分析了不同离轴角距离、不同大气湍流强度及激光出光口径下,信标的纯角度非等晕误差对激光发射自适应光学系统(AO)校正效果的影响。同时针对离轴点信标,提出了一种去除整体倾斜的准直方法。数值模拟结果表明,在其他条件不变的情况下,信标离轴角距离越大,口径越大湍流强度越强,点信标离轴引起的纯角度非等晕误差越大,但较(θ/θ0)5/3偏小,与理论分析符合较好。通过数据拟合得出,当出光口径一定时,纯角度非等晕误差仅与θ/θ0有关。给出了纯角度非等晕误差与θ/θ0的定量关系,为快速评价角度非等晕误差提供了模型支持。

激光在大气中传输时, 由于大气湍流的存在, 会导致光束漂移和能量集中度下降。校正倾斜像差, 可以提高激光在大气中传输的质量, 而快速倾斜镜正是倾斜像差校正的关键部件。设计了一个基于柔性轴结构的二维压电陶瓷型快速倾斜镜, 采用高压运算放大器PA96制作其驱动电源, 并选用TMS320F2812型DSP芯片作为倾斜镜控制系统的核心处理器, 经实验测试表明, 该快速倾斜镜的偏转范围达到1.8 mrad, 谐振频率为432 Hz, 角分辨力约为0.5 μrad。最后将此系统应用于激光大气传输倾斜像差校正实验中, 实验结果表明, 该系统能够有效提高光斑能量集中度并降低光斑漂移, 可以应用于激光大气传输中对倾斜像差的校正。

在远场散斑投影成像系统上整合大气闪烁指数测量功能, 有助于全面分析激光大气传输特性及其对光电系统性能的影响。但是在大口径接收时, 大气闪烁会因孔径平滑效应而变得微弱, 光源稳定性引起的强度起伏会更为明显。针对这一问题, 基于光源强度起伏和大气闪烁的乘性调制假设, 建立了考虑光源强度起伏的大气闪烁指数的测量模型。利用光源强度起伏不随孔径变化而大气闪烁随孔径变化这一差异性, 通过投影光学在同一时刻测量两个不同接收孔径上的光强闪烁, 结合弱起伏条件下的孔径平滑因子来求解测量模型, 从而分别估计大气闪烁指数和光源强度闪烁指数。实验结果表明, 在孔径0.05 m至0.4 m之间, 实测值和理论估计值的最大相对误差小于9.685%, 理论模型与实验符合度较高。采用该方法可以在投影光学上实现弱起伏条件下的大气闪烁指数估计。

大口径投影光学系统采用低成本、大口径菲涅耳透镜制作, 可将远场散斑强度分布投影到CCD成像探测器上。通过CCD图像处理, 能够对给定孔径上的接收功率、闪烁指数进行量化评估; 在接收孔径足够大、保障散斑不会因为光束漂移效应而脱离菲涅耳透镜的条件下, 该系统还可以对光束漂移和特征半径进行量化评估。同时讨论了CCD像元响应非均匀性误差及其影响、CCD辐照响应函数和图像几何投影系数的定标方法。实验表明, 系统能够对激光大气传输过程中的远场散斑特征参数进行监测。特别对自由空间激光通信系统而言, 可以为大气衰减和多种大气湍流效应综合作用下的中值电平慢衰落研究和检测阈值优化设计提供实验数据支撑。