湍流边界层对空 - 地光通信系统性能的影响 - 图文-

1、湍流边界层对空地光通信系统性能的影响摘要:由湍流边界层产生的气动光学效应是空*,以上这些措施都可以将气动光学像差降低到最小。关键词:湍流边界层;气动光学效应;光学像差;strehl中图分类号:TN929.12文献标识码:A文章编号:1672-9870(200803-0013-03收稿日期:200702项目基金:国家863计划资助项目(2003AA712014作者简介:殷柯欣(1975价值的研究结果,对空 1.5%,即: 为机载平台前沿到光学平台的距离。飞机前缘处于均匀流速的流场中,当气流均匀流动时,由于粘性作用在表面出现边界层。但前缘部分边界层的厚度极薄,不易出现扰动,所以此时边界层中的流动为

2、层流状态,当流动继续沿着飞机表面移动,边界层厚度逐渐加厚,便会出现扰动,层流状态变为湍流,发生了层流到湍流的演变,随着流体被加速,造成了流场的密度波动,这种密度之差是由于温度增加和边界层内的流体加速引起的速度波动而造成的,从而引起了折射率变化。当边界层由层流转变为湍流时(或在机身突出或者凹处,光学系统不再能捕获能量的所有部分,在探测器上会产生相应的光学像差,从而降低像平面的光强度。strehl 3是衡量焦平面上光束质量的重要参数,它被定义为有像差峰值强度观测值0之比,可以近似表示为:0=exp=22为波前方差。随着波前方差 的增加,strehl 会呈指数形式下降,光束质量就越差,会产生各种气动

3、光学效应如光束扩散、倾斜等,对系统分辨力影响很大。对于(3式中的波前方差 ,即波前方差2(5式中:0.1Mach 、安装位置图4描绘出了这4种不同的情况。情况1:为10m ,Mach 为0.6,考察strehl、 殷柯欣,等:湍流边界层对空地光通信系统性能的影响第3期15 79%, 降低了92%左右, 、和 和 增加了接近20倍,从图2中可以明显的看出strehl和 rad,Mach 从0.2增加到0.6时, 、和的变化规律。 从1020m 时,strehl 降低了30%,增加了 24%,为10m ,Mach 为0.6,考察不同波长所对应的系统性能。这里给出了两个重要参数strehl和变化范围

4、0.10.7=0.2时模糊角达到最小值,也就是=0.2左右,将此时的*的选择,比如在*处具有足够灵敏度的适合的探测器等,但是通过选择尽可能接近满足特定任务要求的图1系统性能随高度的变化规律Fig.1system performance with height(图3系统性能随安装位置的变化规律Fig.3system performancewith position ( 表5光斑中心位置坐标Tab.5Spot center station coordinatesX轴坐标Y轴坐标光斑1中心坐标 4.7263光斑2中心坐标424267校正后光斑2中心坐标427266由表5可见,经校正后,计算出的光斑中

5、心位置向理想的位置靠近,提高了光斑中心计算的准确度。虽然不能完全校正到理想的中心位置,是因为此光斑不仅有初级彗差的影响,还有高级彗差的影响,甚至还有其它像差,如球差、像散等的影响,但由此可将偏移的光斑中心校正到离理想光斑中心较接近的位置,从而也可以减少计量的误差。2.3光斑中心坐标计算误差原因分析在对光斑图象分析测量计算时存在着误差,例如:(1图象处理时,由于对图象进行灰度和二值化转换,会引起光斑像素位置变化误差;(2对经过图象处理后的光斑采取离散点时,有人为视觉误差;(3在大量数据运算时,四舍五入法也会产生估计误差;(4CCD相机读取的光斑图像有其它几种像差的影响等,对测量计算的结果都有一定

6、的影响。在测量计算时,尽量减少各种误差,以便提高测量精度。3结论本文利用Zernike多项式系数确立与传统Seidel 像差系数的关系,进而判断光学系统像差对光斑中心位置的影响程度,从而校正光斑中心位置偏差。虽然此方法只针对纯初级彗差对光斑中心影响的校正,还不足以完全校正光斑的中心位置,但其可将偏移的光斑中心向理想中心位置校正一定程度值,也可减小测量计算误差,提高精度。参考文献1宁海春.激光光斑图像增强与二值化J.哈尔滨工业大学学报,2003,35(8:916488.3Cui J W,Tan J B,Ao L,et al.Optimized Algorithm of L-aser Spot C

7、enter Location in Strong NoiseJ.Journal ofphysics,2005,10(13:312128.5Xu Di,Li Li,Hong Ma.Laser Spot Center Determinationwith Multi-spectrum Image ProcessingJ.School of Pho-to Electric Engineering,Changchun University of Scienceand Technology,Proc of SPIE,2005,10(12:506156.7李庆辉,陈良益,高立民.激光光学系统的初级象差J.光子学报,1997,26(8:685131.2殷兴良.气动光学原理M.北京:中国宇航出版社,2003.3王英俭,吴毅,龚知本.大气湍流相干长度和Strehl比的统计特征J.光学学报,1996,16(8:1109