Численное исследование эффективности адаптивной коррекции тепловых и турбулентных искажений лазерного излучения деформируемым зеркалом

• Автор: Лавринова, Лидия Николаевна
• Шифр специальности: 01.04.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2006
• Место защиты: Томск
• Количество страниц: 148 с. : ил.

Глава 1. Численная модель адаптивной системы и ее программная реализации
1.1. Модели распространения когерентного излучения в условиях теплового
самовоздействия и в турбулентной среде
1.2. Динамическая и статическая модели адаптивного зеркала
1.3. Программная реализация модели адаптивной системы
1.3.1. Численное моделирование распространения гауссова пучка в атмосфере и адаптивное управление пучком
1.3.2. Программа, анализирующая амплитудный и фазовый профили гауссова пучка и включающая алгоритмы идентификации дислокаций
1.3.3. Программа, реализующая модель адаптивного зеркала
1.3.4. Программа, моделирующая распространение гауссова пучка в условиях теплового самовоздействия, и адаптивную коррекцию тепловых искажений
Глава 2. Коррекция теплового самовоздействия. Особенности управления при наличии локальных экстремумов
2.1. Распространение лазерного излучения в условиях теплового самовоздействия и алгоритмы коррекции тепловых искажений
2.2. Особенности компенсации тепловых искажений лазерного излучения на основе алгоритмов фазового сопряжения и обращения волнового фронта
2.3. Эффективность градиентных алгоритмов управления и симплекс-метода для лазерного излучения, распространяющегося в нелинейной среде
2.3.1. Поиск экстремума аналитически заданной функции
2.3.2. Фокусировка в линейной среде на основе градиентных алгоритмов
2.3.3. Адаптивная фокусировка в условиях стационарной ветровой рефракции
2.4. Управление по установившимся параметрам светового поля
2.5. Управление по неустановившемуся полю. Устойчивость и быстродействие коррекции стационарной ветровой рефракции
2.6. Проблема реализации адаптивной коррекции при наличии локальных экстремумов в пространстве координат управления
2.6.1. Определение глобального максимума аналитически заданной функции
2.6.2. Определение глобального экстремума целевой функции на фоне локальных экстремумов при коррекции стационарной ветровой рефракции
2.7. Реализация адаптивной коррекции нестационарной ветровой рефракции
2.7.1.Оценка точности определения экстремума при управлении по неустановившимся параметрам
2.7.2. Особенности нестационарной ветровой рефракции при наличии локальных экстремумов
2.8. Основные результаты 2 главы
Глава 3. Влияние активного зеркала на эффективность адаптивной коррекции
3.1. Адаптивные зеркала
3.1.1 .Типы и конструкции адаптивных зеркал
3.1.2. Примеры адаптивных зеркал
3.2. Эффективность управления в зависимости от числа актюаторов и конфигурации их размещения
3.3. Переходные процессы, развивающиеся при колебаниях отражающей поверхности зеркала
3.4. Управление пучком с учетом переходных процессов
3.4.1. Влияние переходных процессов на устойчивость фазового сопряжения
3.4.2. Влияние переходных процессов на быстродействие апертурного зондирования.
3.5. Основные результаты 3 главы
Глава 4. Особенности адаптивного управления в условиях турбулентных флуктуаций
4.1. Алгоритмы идентификации дислокаций в волновом фронте
4.2. Регистрация дислокаций в волновом фронте с искусственно заданной особой точкой
4.3. Появление и статистика дислокаций в гауссовом пучке, распространяющемся в турбулентной атмосфере
4.4. Исследование эффективности фазового сопряжения
4.5. Коррекция турбулентных искажений высокой интенсивности адаптивным зеркалом с большим числом степеней свободы
4.6. Основные результаты 4 главы
Заключение
Список литературы

Эффективность коррекции атмосферных искажений адаптивной оптической системой (АОС) обеспечивается оптимальным подбором всех элементов, составляющих ее контур, в том числе, зеркала в качестве основного исполнительного элемента. Зеркало компенсирует фазовые возмущения лазерного излучения, то есть с частотой в несколько герц изменяет длину оптического пути на несколько длин волн для каждого из большого числа участков сечения излучения. Для этого на зеркало перпендикулярно его отражающей поверхности оказывается воздействие посредством актюаторов. Управляющие сигналы для актюаторов вычисляются алгоритмом управления на основе информации об искажениях волнового фронта, измеряемой, например, датчиком волнового фронта. Чтобы компенсация искажений осуществлялась в реальном масштабе времени, например, для компенсации атмосферной турбулентности для видимого диапазона в течение нескольких миллисекунд, необходимо обеспечить высокую эффективность действия каждого элемента системы.
На этапе проектирования адаптивной системы возникает проблема выбора оптимальных характеристик корректирующего зеркала. Эта проблема может быть решена численным моделированием, как самого адаптивного зеркала, так и изменением параметров АОС на основе модели адаптивной оптической системы.
Существует также проблема, связанная с выбором алгоритма управления корректирующим зеркалом. Традиционные алгоритмы адаптивной коррекции апертурного зондирования и фазового сопряжения не являются оптимальными, поэтому построение оптимальных алгоритмов управления для коррекции тепловых и турбулентных искажений светового поля на сегодняшний день остается актуальной задачей. Разработка способов повышения устойчивости и быстродействия известных алгоритмов на основе численных экспериментов может решить эту проблему.
Методы адаптивной коррекции развиваются в основном по двум направлениям. Первое ориентировано на оптимизацию параметров излучения (начальной мощности, длины волны, размеров апертуры, амплитудно-фазового распределения в сечении пучка) на основе априорной информации о состоянии среды и распространяющегося в ней излучения. Колосовым В.В. и Дудоровым В.В. [118] было показано, что оптимизация параметров не обеспечивает достаточного уменьшения влияния турбулентности и теплового самовоздействия на распространение излучения на протяженных трассах.
Второе направление заключается в численном моделировании оптимальных алгоритмов управления лазерным излучением на основе измеряемой информации о состоянии среды и распространяющегося в ней излучения, которое осложняется тремя моментами.
Таблица 2.3.2. Характеристики модифицированного апертурного зондирования в качестве алгоритма управления пучком в линейной среде. Параметры: 2 = 0.52Л.
В качестве корректора набор полиномов Цернике
а 0,06 0,1 0,3 0,5 0,7 0,9 1,1
каи 73 57 29 29 21 33
У 0,79 0,79 0,79 0,79 0,79 0,79 0,79
В качестве корректора зеркало с 4-мя актюаторами
а 0,05 0,1 0,2 1 5 10
КаП - 96 76 32 30 36
У - 0,58 0,61 0,64 0,64 0,64 0,64
В качестве корректора зеркало с 8-мя актюаторами
а 0,1 0,2 0,5 1 5 10
КаП - 65 63 42 36 48 -
У - 0,51 0,54 0,59 0,65 0,65 -
Таблица 2.3.3. Характеристики апертурного зондирования в качестве алгоритма управления пучком в линейной среде. Параметры: 2 = 0.52ІІ.
В качестве корректора набор полиномов Цернике
а 0,05 0,1 0,5 0,7 1,1 1,5
»сап 169 101 45 25 17 17
У 0,74 0,77 0,79 0,79 0,79 0,79 0,79
В качестве корректора зеркало с 4-мя актюаторами
а 5 50 100 150 200 300
иса11 - 36 26 21 16 16
У - 0,64 0,64 0,64 0,64 0,64 0,64
В качестве корректора зеркало с 8-мя актюаторами
а 20 50 70 100 150 170 -
КаИ - 145 118 105 82 - -
У - 0,68 0,69 0,70 0,70 - -
Как и в случае поиска экстремума для аналитически заданной функции, в задаче фокусировки в линейной среде для градиентных алгоритмов область всех значений