本发明公开了一种激光传输热晕效应及其自适应光学补偿的模拟装置，包括模拟主激光器、模拟信标激光器、第一光束变倍系统、光束耦合传输系统、自适应光学系统、第二光束变倍系统、第三光束变倍系统、模拟吸收池系统、主激光/信标光分光元件、主激光探测光学窄带滤光元件、主激光探测光学衰减元件、聚焦透镜、主激光远场探测相机。该装置能够实现低功率红外波段模拟主激光准直/聚焦传输状态下的等效大气传输热晕效应可控产生及其自适应光学补偿的实验室模拟，且具有系统规模紧凑、可重复工作稳定性高、加工工艺成熟、相比于高功率激光光源的实现方式成本相对较低等优点。
1.一种激光传输热晕效应及其自适应光学补偿的模拟装置，其特征在于：包括模拟主激光器(1)、模拟信标激光器(2)、第一光束变倍系统(3)、光束耦合传输系统、自适应光学系统、第二光束变倍系统(6)、第三光束变倍系统、模拟吸收池系统、主激光/信标光分光元件(9)、主激光探测光学窄带滤光元件(10)、主激光探测光学衰减元件(11)、聚焦透镜(12)、主激光远场探测相机(13)；
其中，所述模拟主激光器(1)发射的主激光波长为红外波段；所述模拟信标激光器(2)发射的信标光波长为可见波段；
所述自适应光学系统包括波前探测器(51)、倾斜镜(52)、变形镜(53)、波前处理机
(54)、高压放大器(55)，所述倾斜镜(52)、所述变形镜(53)的各驱动器闭环电压由所述波前处理机(54)根据所述波前探测器(51)的实时探测结果进行倾斜解耦与复原运算后控制所述高压放大器(55)分别提供，所述波前探测器(51)采用基于哈特曼-夏克波前传感技术的光学结构；
所述光束耦合传输系统包括第一耦合反射镜(41)、第二耦合反射镜(42)、第三耦合反射镜(43)、第四耦合反射镜(44)、第五耦合反射镜(45)、第六耦合反射镜(46)、信标分光镜(47)；
所述模拟吸收池系统包括液体吸收池(81)、电动平移台(82)、平移台控制器(83)；所述液体吸收池(81)在沿平行于主激光传输方向的长度为L，在沿垂直于主激光传输方向的宽度为W；所述电动平移台(82)安装于所述液体吸收池(81)的底部，其沿垂直于主激光传输方向驱动所述液体吸收池(81)的运动速度V受所述平移台控制器(83)控制，用以模拟主激光传输路径上的等效大气横向风速；在所述液体吸收池(81)的后表面，所述主激光/信标光分光元件(9)以与主激光传输光轴成45度方向放置于主激光传输光路的中心位置；沿主激光的传输正方向，所述主激光探测光学衰减元件(11)、所述主激光探测光学窄带滤光元件(10)、所述聚焦透镜(12)垂直于所述主激光远场探测相机(13)的接收光轴光路中心依次放置；所述主激光远场探测相机(13)用于实现热晕效应自适应光学开环/闭环条件下对主激光远场图像的实时采集与事后分析；
所述模拟主激光器(1)发射的模拟上行传输1.0μm波段主激光先后经所述第一光束变倍系统(3)扩束，所述第一耦合反射镜(41)、所述第二耦合反射镜(42)、所述信标分光镜(47)、所述变形镜(53)、所述倾斜镜(52)、所述第三耦合反射镜(43)、所述第四耦合反射镜(44)、所述第五耦合反射镜(45)反射，所述第二光束变倍系统(6)缩束之后，进入由所述电动平移台(82)驱动的所述液体吸收池(81)；
所述模拟信标激光器(2)发射的模拟下行传输0.633μm波段信标光先后经所述第三光束变倍系统匹配变倍、主激光/信标光分光元件(9)透射之后，进入由所述电动平移台(82)驱动的所述液体吸收池(81)，携带由乙醇液体吸收传输1.0μm波段主激光能量后形成热晕效应所致波前相位畸变信息之后，分别经所述第二光束变倍系统(6)扩束，所述第五耦合反射镜(45)、所述第四耦合反射镜(44)、所述第三耦合反射镜(43)、所述倾斜镜(52)、所述变形镜(53)反射，所述信标分光镜(47)透射、所述第六耦合反射镜(46)反射后，进入所述波前探测器(51)进行波前复原运算，并通过倾斜镜(52)与变形镜(53)对所述热晕效应所致波前相位畸变进行实时补偿；所述倾斜镜(52)与所述变形镜(53)上产生的上行传输主激光像差预补偿量与实际热晕效应所致波前相位畸变共轭相抵消，从而在所述主激光远场探测相机(13)上获得光束质量有效提升的主激光聚焦光斑图像。
2.根据权利要求1所述激光传输热晕效应及其自适应光学补偿的模拟装置，其特征在于：
所述第一光束变倍系统(3)为集成式倍率K1可变的扩束系统，以满足所述模拟主激光器发射主激光口径ΦLaser-Output与所述自适应光学系统传输主激光口径ΦLaser-Relay之间的匹配关系，即K1＝ΦLaser-Relay/ΦLaser-Output，且0.6×ΦAO≤ΦLaser-Relay≤ΦAO，其中ΦAO为所述自适应光学系统波前探测口径；
所述第二光束变倍系统(6)为集成式倍率K2不变的缩束系统，以满足所述自适应光学系统波前探测口径ΦAO与所述模拟吸收池系统入口处输入主激光最大口径ΦLaser-BC(max)之间的匹配关系，即K2＝ΦLaser-BC(Max)/ΦAO，ΦLaser-BC(max)由系统设定参数下待模拟的热畸变参数ND最小值ND(Min)决定；
所述第三光束变倍系统为分离式倍率K3不变的透射系统，包括焦距为f31的前组物镜(71)与焦距为f32的后组物镜(72)，在保证所述前组物镜焦距f31大于所述液体吸收池长度L的条件下，选取所述后组物镜焦距f32以满足所述自适应光学系统波前探测口径ΦAO与所述模拟信标激光器发射信标光口径ΦBeacon-Output之间的匹配关系，即K3＝f32/f31＝ΦBeacon-Output/(K2·ΦAO)；垂直于信标光传输光轴，所述第三光束变倍系统放置于所述主激光/信标光分光元件(9)与所述模拟信标激光器(2)之间的信标光传输光路的中心位置。
3.根据权利要求1所述激光传输热晕效应及其自适应光学补偿的模拟装置，其特征在于：
所述光束耦合传输系统中所述第一耦合反射镜(41)、所述第二耦合反射镜(42)、所述第三耦合反射镜(43)、所述第四耦合反射镜(44)、所述第五耦合反射镜(45)、所述第六耦合反射镜(46)的前表面光学特性均为主激光波长高反与信标光波长高反；所述信标分光镜(47)的前表面光学特性为主激光波长高反与信标光波长高透、后表面光学特性为主激光波长高透与信标光波长高透；所述主激光/信标光分光元件(9)的前表面光学特性为主激光波长高反与信标光波长高透、后表面光学特性为主激光波长与信标光波长均高透。
4.根据权利要求1所述激光传输热晕效应及其自适应光学补偿的模拟装置，其特征在于：
主激光通过所述模拟吸收池系统的传输方式根据模拟场景采用准直传输方式，或者采用聚焦传输方式。
5.根据权利要求1所述激光传输热晕效应及其自适应光学补偿的模拟装置，其特征在于：
通过所述液体吸收池(81)中注入液体成分与所述模拟主激光器(1)发射主激光波长的匹配选择，实现1.0μm波段范围的等效大气传输热晕效应可控产生、及其自适应光学补偿的实验室模拟；所述1.0μm波段范围是指1.0μm～1.07μm波段。
6.根据权利要求1所述激光传输热晕效应及其自适应光学补偿的模拟装置，其特征在于：
自适应光学补偿采用直接斜率法、模式法、变形镜本征模法、或者区域法，进行主激光传输热晕效应及其自适应光学补偿的实验室模拟。
7.根据权利要求6所述激光传输热晕效应及其自适应光学补偿的模拟装置，其特征在于：
对于倾斜镜上产生像差预补偿量的计算是，通过建立倾斜镜X、Y方向驱动器电压与波前探测器各子孔径内波前整体倾斜之间的关系矩阵，并对其求取广义逆矩阵便可直接从波前探测器各子孔径波前整体倾斜测量值复原出倾斜镜X、Y方向驱动器电压。
8.根据权利要求6所述激光传输热晕效应及其自适应光学补偿的模拟装置，其特征在于：
基于直接斜率法的波前复原计算是，通过建立变形镜各驱动器电压与波前探测器各子孔径平均斜率之间的关系矩阵，并对其求取广义逆矩阵便可直接从波前探测器各子孔径平均斜率测量值复原出变形镜各驱动器电压。
9.根据权利要求6所述激光传输热晕效应及其自适应光学补偿的模拟装置，其特征在于：
基于模式法的波前复原计算是，利用最小二乘法求取变形镜各驱动器电压综合作用预补偿波前畸变面型与有限阶次Zernike模式复原探测波前畸变之间的最优拟合关系。
一种激光传输热晕效应及其自适应光学补偿的模拟装置
技术领域
[0001] 本发明涉及一种激光传输热晕效应及其自适应光学补偿的模拟装置，可用于产生实时可控的等效激光大气传输热晕效应，以定量评估热晕效应对激光大气传输及其自适应光学补偿效果的影响。
背景技术
[0002] 热晕效应是高能激光大气传输中最为严重的非线性效应之一，其形成机理是：大气中某些气体成分吸收传输激光能量、并通过热驰豫加热传输激光路径上的大气时，由于大气密度变化进而形成热透镜；在大气横向风的影响下，热透镜导致传输激光产生的光束弯曲、强度分布畸变、光束尺度扩展、能量集中度退化等效应，从而限制了高能激光通过大气传输后的有效平均功率密度，对高能激光的实际工程应用产生不利影响。自适应光学(Adaptive Optics，AO)的概念最早起源于解决天文望远镜观测所遇到的大气湍流扰动问题，它是通过对受大气湍流扰动影响的动态光学波前畸变进行实时测量、并利用能动型光学波前校正器对其进行快速补偿，从而使实际光学系统具备自动适应外界环境变化、始终保持理想性能的光学新技术。理论与实验均表明，自适应光学是能够应对热晕效应进行相位补偿、提高传输光束质量的有效技术途径。然而，由于热晕效应与传输激光的强度分布密切相关，改善后的传输激光与大气吸收介质之间存在进一步地相互作用。因此，利用自适应光学技术应对大气热晕非线性效应的相位补偿与应对传统大气湍流线性效应的相位补偿是有所不同的，为了定量评估热晕效应对激光大气传输及其自适应光学补偿效果的影响、明确激光大气传输热晕效应的自适应光学校正机理、优化激光大气传输热晕效应的自适应光学校正技术，有必要开展激光大气传输热晕效应及其自适应光学补偿的室内模拟与实验研究。然而，考虑文献报道传能应用对主激光波长的选择性，采用高功率红外激光光源实现热晕效应及其自适应光学补偿的室内模拟无疑大大增加了实验室系统的成本。目前，现有技术尚未有关低功率红外波段模拟主激光条件下等效大气传输热晕效应及其自适应光学补偿的实验室模拟装置的技术与报道。
发明内容
[0003] 本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种激光传输热晕效应及其自适应光学补偿的模拟装置。首先，充分考虑现有技术传能应用对主激光波长的选择性、以及控制实验室内等效热晕效应可实现的规模与成本，该装置能够实现低功率红外波段模拟主激光条件下的等效大气传输热晕效应可控产生及其自适应光学补偿的实验室模拟，以定量评估热晕效应对激光大气传输及其自适应光学补偿效果的影响。并且，该装置具有系统规模紧凑、可重复工作稳定性高、加工工艺成熟、相比于高功率激光光源的实现方式成本相对较低等优点。
[0004] 为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
[0005] 一种激光传输热晕效应及其自适应光学补偿的模拟装置，包括模拟主激光器、模拟信标激光器、第一光束变倍系统、光束耦合传输系统、自适应光学系统、第二光束变倍系统、第三光束变倍系统、模拟吸收池系统、主激光/信标光分光元件、主激光探测光学窄带滤光元件、主激光探测光学衰减元件、聚焦透镜、主激光远场探测相机。
[0006] 其中，所述模拟主激光器发射的主激光波长为红外波段，可以选择1.0μm等多波段，发射功率可调节、最大发射功率满足数十瓦；所述模拟信标激光器发射的信标光波长为可见波段，可以选择0.532μm、0.589μm或0.633μm等波段；
[0007] 所述自适应光学系统由波前探测器、倾斜镜、变形镜、波前处理机、高压放大器组成；所述倾斜镜、所述变形镜的各驱动器闭环电压由所述波前处理机根据所述波前探测器的实时探测结果进行倾斜解耦与复原运算后控制所述高压放大器分别提供；所述波前探测器可以采用基于哈特曼-夏克波前传感技术的光学结构、也可采用基于其他波前传感技术的光学结构；
[0008] 所述光束耦合传输系统由第一耦合反射镜、第二耦合反射镜、第三耦合反射镜、第四耦合反射镜、第五耦合反射镜、第六耦合反射镜、信标分光镜组成，所述第一耦合反射镜、第二耦合反射镜、第三耦合反射镜、第四耦合反射镜、第五耦合反射镜、第六耦合反射镜的前表面光学特性均为主激光波长高反与信标光波长高反，所述信标分光镜的前表面光学特性为主激光波长高反与信标光波长高透、后表面光学特性为主激光波长高透与信标光波长高透；所述第一光束变倍系统为集成式倍率K1可变的扩束系统，以满足所述模拟主激光器发射主激光口径ΦLaser-Output与经所述自适应光学系统传输主激光口径ΦLaser-Relay之间的匹配关系(即K1＝ΦLaser-Relay/ΦLaser-Output，通常0.6×ΦAO≤ΦLaser-Relay≤ΦAO，ΦAO为所述自适应光学系统波前探测口径；所述第二光束变倍系统为集成式倍率K2不变的缩束系统，以满足所述自适应光学系统波前探测口径ΦAO与所述模拟吸收池系统入口处输入主激光最大口径ΦLaser-BC(max)与之间的匹配关系(即K2＝ΦLaser-BC(Max)/ΦAO)，ΦLaser-BC(max)由一定系统参数下待模拟的热畸变参数ND最小值ND(Min)决定(见公式(1)，通常ND(Min)≈10～20)；所述模拟吸收池系统由液体吸收池、电动平移台、平移台控制器组成；所述液体吸收池的长度为L(平行于主激光传输方向)、宽度为W(垂直于主激光传输方向)；所述电动平移台安装于所述液体吸收池的底部，其沿垂直于主激光传输方向驱动所述液体吸收池的运动速度V受所述平移台控制器控制，用以模拟主激光传输路径上的等效大气横向风速；在所述液体吸收池的后表面，所述主激光/信标光分光元件以与主激光传输光轴成45度方向放置于主激光传输光路的中心位置；沿主激光的传输正方向，所述主激光探测光学衰减元件、所述主激光探测光学窄带滤光元件、所述聚焦透镜垂直于所述主激光远场探测相机的接收光轴光路中心依次放置；所述第三光束变倍系统为分离式倍率K3不变的透射系统(包含焦距为f31的前组物镜、焦距为f32的后组物镜)，在保证所述前组物镜焦距f31大于所述液体吸收池长度L条件下(通常1.3×L≤f31≤1.5×L)，选取所述后组物镜焦距f32以满足所述自适应光学系统波前探测口径ΦAO与所述模拟信标激光器发射信标光口径ΦBeacon-Output之间的匹配关系(即K3＝f32/f31＝ΦBeacon-Output/(K2·ΦAO))；垂直于信标光传输光轴，所述第三变倍系统放置于所述主激光/信标光分光元件与所述模拟信标激光器之间的信标光传输光路的中心位置；所述主激光/信标光分光元件的前表面光学特性为主激光波长高反与信标光波长高透、后表面光学特性为主激光波长与信标光波长均高透；在所述液体吸收池受所述电动平移台驱动、并一定速度V沿垂直主激光传输方向运动时，所述主激光远场探测相机用于实现热晕效应自适应光学开环/闭环条件下对主激光远场图像的实时采集与事后分析。
[0009] 本发明所采用的技术方案中，对于红外波段模拟主激光条件下的等效大气传输热晕效应可控产生，可根据实际情况通过调节所述模拟主激光器的发射主激光功率，或者通过调节沿垂直于主激光传输方向由所述电动平移台驱动所述液体吸收池的运动速度V来实现。
[0010] 有益效果：
[0011] 本发明相比于现有技术具有如下优点：本发明所提供的激光传输热晕效应及其自适应光学补偿的模拟装置能够方便地实现低功率红外波段模拟主激光条件下的等效大气传输热晕效应可控产生及其自适应光学补偿的实验室模拟，以定量评估热晕效应对红外波段激光大气传输及其自适应光学补偿的影响。此外，本发明所提供装置具有系统规模紧凑、可重复工作稳定性高、加工工艺成熟、相比于高功率激光光源的实现方式成本相对较低等优点。
附图说明
[0012] 图1为本发明所公开激光传输热晕效应及其自适应光学补偿的模拟装置原理示意图；
[0013] 图2为本发明所公开激光传输热晕效应及其自适应光学补偿的模拟装置中自适应光学系统波前探测器采用基于哈特曼-夏克波前传感技术的光学结构的原理示意图；
[0014] 图3为本发明所公开激光传输热晕效应及其自适应光学补偿的模拟装置在液体吸收池运动条件下实现准直传输1.0μm波段主激光热晕效应及其自适应光学补偿室内模拟的开环/闭环典型结果：图3(a)为自适应光学系统开环时由波前探测器采集的信标回光阵列子光斑典型图像，图3(b)为自适应光学系统闭环时由波前探测器采集的信标回光阵列子光斑典型图像，图3(c)为自适应光学系统开环时由主激光远场探测相机采集的主激光远场典型图像，图3(d)为自适应光学系统闭环时由主激光远场探测相机采集的主激光远场典型图像；
[0015] 图4为本发明所公开激光传输热晕效应及其自适应光学补偿的模拟装置中主激光发射采用聚焦传输方式经过模拟吸收池系统的原理示意图。
具体实施方式
[0016] 下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步说明。
[0017] 本发明所述一种激光传输热晕效应及其自适应光学补偿的模拟装置，主要包括模拟主激光器1、模拟信标光激光器2、第一光束变倍系统3、光束耦合传输系统(包含第一耦合反射镜41、第二耦合反射镜42、第三耦合反射镜43、第四耦合反射镜44、第五耦合反射镜45、第六耦合反射镜46、信标分光镜47)、自适应光学系统(包括波前探测器51、倾斜镜52、变形镜53、波前处理机54、高压放大器55)、第二光束变倍系统6、第三光束变倍系统(包含前组物镜71、后组物镜72)、模拟吸收池系统(包含液体吸收池81、电动平移台82、平移台控制器83)、主激光/信标光分光元件9、主激光探测光学窄带滤光元件10、主激光探测光学衰减元件11、聚焦透镜12、主激光远场探测相机13，如图1所示。其中，所述模拟主激光器1发射的主激光波长为λLaser＝1.0μm波段，主激光口径ΦLaser-Output＝8mm，最大发射功率PMax＝10瓦、发射功率连续可调。所述模拟信标激光器2发射的信标光波长λBeacon＝0.633μm波段，信标光口径ΦBeacon-Output＝8mm。所述自适应光学系统波前探测口径为ΦAO＝120mm，所述倾斜镜52、所述变形镜53的各驱动器闭环电压由所述波前处理机54根据所述波前探测器51的实时探测结果进行倾斜解耦与复原运算后控制所述高压放大器55分别提供。所述第一光束变倍系统
3的可变倍率K1为10/1≤K1≤15/1，满足所述模拟主激光器发射主激光口径ΦLaser-Output与经所述自适应光学系统传输主激光口径ΦLaser-Relay之间的匹配关系(即ΦLaser-Relay＝K1×ΦLaser-Output，满足0.6×ΦAO≤ΦLaser-Relay≤ΦAO)。所述第二光束变倍系统6的不变倍率K2＝
1/10，满足所述自适应光学系统波前探测口径ΦAO与所述模拟吸收池系统入口处输入主激光最大口径ΦLaser-BC(max)与之间的匹配关系(即ΦLaser-BC(Max)＝K2×ΦAO＝12mm，满足公式(1)所示ND(Min)≈10～20)。所述液体吸收池81中加入乙醇液体，所述液体吸收池的长度为L＝
150mm(平行于主激光传输方向)、宽度为W＝800mm(垂直于主激光传输方向)；所述电动平移台82安装于所述液体吸收池81的底部，其沿垂直于主激光传输方向驱动所述液体吸收池81的运动速度V受所述平移台控制器83进行控制，用以模拟主激光传输路径上的等效大气横向风速。在所述液体吸收池81的后表面，所述主激光/信标光分光元件9以与主激光传输光轴成45度方向放置于主激光传输光路的中心位置。沿主激光的传输正方向，所述主激光探测光学衰减元件10、所述主激光探测光学窄带滤光元件11、所述聚焦透镜12垂直于所述主激光远场探测相机13的接收光轴光路中心依次放置。所述第三光束变倍系统的不变倍率K3＝8/12(其中，前组物镜71的焦距f31＝210mm、后组物镜72的焦距f32＝140mm，满足1.3×L≤f31≤1.5×L)，满足所述自适应光学系统波前探测口径ΦAO与所述模拟信标激光器发射信标光口径ΦBeacon-Output之间的匹配关系(即K3＝f32/f31＝ΦBeacon-Output/(K2·ΦAO))。垂直于信标光传输光轴，所述第三变倍系统放置于所述主激光/信标光分光元件9与所述模拟信标激光器2之间的信标光传输光路的中心位置。所述第一耦合反射镜41、第二耦合反射镜42、第三耦合反射镜43、第四耦合反射镜44、第五耦合反射镜45、第六耦合反射镜46的前表面光学特性均为1.0μm波段高反与0.633μm波段高反，所述信标分光镜47的前表面光学特性为
1.0μm波段高反与0.633μm波段高透、后表面光学特性为1.0μm波段高透与0.633μm波段高透。
[0018] 热畸变参数ND作为衡量激光大气传输热晕效应强弱的一个重要参数，其定义如下：
[0019]
[0020] 其中，dn/dT、ρ、CP、α分别为主激光传输路径上介质的折射率温度变化系数、密度、等压比热容、吸收系数；V为主激光传输路径上的均匀横向风速；λ、P、D、L分别为主激光的波长、功率、光束口径、传输距离。
[0021] 如图1所示，本发明所提供一种激光传输热晕效应及其自适应光学补偿的模拟装置，其实现等效激光大气传输热晕效应产生及其自适应光学补偿的过程，简要描述如下：
[0022] 等效激光大气传输热晕效应产生的过程如下：所述模拟主激光器1发射的模拟上行传输1.0μm波段主激光先后经所述第一光束变倍系统3扩束，所述第一耦合反射镜41、所述第二耦合反射镜42、所述信标分光镜47、所述变形镜53、所述倾斜镜52、所述第三耦合反射镜43、所述第四耦合反射镜44、所述第五耦合反射镜45反射，所述第二光束变倍系统6缩束之后，进入由所述电动平移台82驱动的所述液体吸收池81，形成乙醇液体吸收传输1.0μm波段主激光能量后以强迫对流为主导热交换形式的热晕效应，进而带来所述主激光远场探测相机13采集的模拟上行传输1.0μm波段传输主激光远场的光束质量恶化。
[0023] 等效激光大气传输热晕效应自适应光学补偿的过程如下：所述模拟信标激光器2发射的模拟下行传输0.633μm波段信标光先后经所述第三光束变倍系统(后组物镜72→前组物镜71)匹配变倍、主激光/信标光分光元件9透射之后，进入由所述电动平移台82驱动的所述液体吸收池81，携带由乙醇液体吸收传输1.0μm波段主激光能量后形成热晕效应所致波前相位畸变信息之后，分别经所述第二光束变倍系统6扩束，所述第五耦合反射镜45、所述第四耦合反射镜44、所述第三耦合反射镜43、所述倾斜镜52、所述变形镜53反射，所述信标分光镜47透射、所述第六耦合反射镜46反射后，进入所述波前探测器51进行波前复原运算，并通过倾斜镜52与变形镜53对所述热晕效应所致波前相位畸变进行实时补偿。所述倾斜镜52与所述变形镜53上产生的上行传输主激光像差预补偿量与实际热晕效应所致波前相位畸变共轭相抵消，从而在所述主激光远场探测相机13上获得光束质量有效提升的主激光聚焦光斑图像。
[0024] 图2为本发明所提供实施例中所述自适应光学系统的波前探测器51采用基于哈特曼-夏克波前传感技术的光学结构原理示意：包括主缩束模块511(采用透射式结构，包含主缩束模块前组物镜5111、主缩束模块后组物镜5112)、信标光探测光学窄带滤光元件512、阵列微透镜513、二级光学匹配透镜514、CCD相机515。垂直于所述波前探测器51接收光轴光路中心，在所述主缩束模块511的后组物镜5112与所述阵列微透镜513之间的平行光路上安装有所述信标光探测光学窄带滤光元件512，其中心波长为0.633μm波段。利用阵列微透镜513对待测信标入射波前畸变进行分割，通过测量CCD相机515靶面各子孔径焦斑质心位置相对于标定位置的二维平移量，以获取入射波前畸变在各子孔径内的二维平均斜率，并通过相应算法获得对应自适应光学系统波前探测口径ΦAO内的入射波前畸变分布信息。
[0025] 如图1、2所示，本发明所提供实施例中所述自适应光学系统倾斜镜52与变形镜53上产生的主激光像差预补偿量，即所述倾斜镜52、所述变形镜53实时闭环的各驱动器电压，可通过直接斜率法、或者模式法对所述波前探测器的斜率探测结果进行实时波前复原获得，现分别阐述如下：
[0026] 对于倾斜镜上产生像差预补偿量的计算是，通过建立倾斜镜X、Y方向驱动器电压与波前探测器各子孔径内波前整体倾斜之间的关系矩阵RTM，并对其求取广义逆矩阵 便可直接从波前探测器各子孔径波前整体倾斜测量值复原出倾斜镜X、Y方向驱动器电压，即：
[0027]
[0028] 基于直接斜率法的波前复原计算是，通过建立变形镜各驱动器电压与波前探测器各子孔径平均斜率之间的关系矩阵RDG，并对其求取广义逆矩阵 便可直接从波前探测器各子孔径平均斜率测量值(去整体倾斜)复原出变形镜各驱动器电压，即VDG是直接斜率法复原电压：
[0029]
[0030] 基于Zernike模式法的波前复原计算是，利用最小二乘法求取变形镜各驱动器电压综合作用预补偿波前畸变面型与有限阶次Zernike模式复原探测波前畸变之间的最优拟合关系，即VMODE是Zernike模式法复原电压：
[0031] VMODE＝C-1ZrD+×GNT (4)
[0032] 其中，矩阵RTM、RDG均可通过实验测量获得。由波前探测器实时测量整体倾斜矩阵GTotal-Tilt、(去整体倾斜)各子孔径平均斜率矩阵GNT分别如式(5)、(6)所示：
[0033]
[0034]
[0035] 上式(5)、(6)中的m为子孔径序号；M为有效子孔径总数；GT-X、GT-Y分别为X、Y方向的波前整体倾斜；Gx-m、Gy-m分别为第m个子孔径对应的X、Y方向平均斜率；Gx-1-NT、Gy-1-NT分别为去除整体倾斜后第1个子孔径对应的X、Y方向平均斜率；……；Gx-M-NT、Gy-M-NT分别为去除整体倾斜后第M个子孔径对应的X、Y方向平均斜率。
[0036] 矩阵D中的构成元素为Zernike模式的各子孔径偏微分平均，如式(7)、(8)所示：上+式(4)中矩阵D为矩阵D的广义逆矩阵。
[0037]
[0038]
[0039] 上式(7)、(8)中的Zxn(m)、Zyn(m)分别为第n阶Zernike模式像差对应第m个子孔径的X、Y方向偏微分平均；N为一定波前探测器结构排布下对应Zernike模式复原的最高阶次；Sm为第m个子孔径的面积； 为在第m个子孔径上的二重积分。
[0040] 上式(4)中矩阵C-1为矩阵C的逆矩阵，矩阵C、Zr中的构成元素分别如式(9)、(10)所示：
[0041]
[0042]
[0043] 上式(9)、(10)中Zn(x,y)为第n阶Zernike模式像差的二维分布(3≤n≤N)；j、q均为变形镜驱动器序号(1≤j≤Q、1≤q≤Q)；Q为变形镜有效驱动器总数； 为在变形镜镜面上的二重积分；r仅为标识符，对应矩阵Zr中的下标；Rq(x,y)为变形镜第q个驱动器对应的光学影响函数，如式(11)所示：
[0044]
[0045] 上式(11)中的q为变形镜驱动器序号；(xq,yq)为第q个驱动器的位置坐标；ω为驱动器的交连值；g为高斯指数；d为驱动器的横向间距。
[0046] 图3为利用本发明所提供实施例实现准直传输1.0μm波段主激光热晕效应及其自适应光学补偿室内模拟的开环/闭环典型结果：调节所述第一光束变倍系统3的可变倍率为K1＝10/1，在所述电动平移台82驱动所述液体吸收池81运动速度V＝5.0mm/s的条件下，所述自适应光学系统开环、闭环时由所述波前探测器51采集的信标回光阵列子光斑典型图像，分别如图3(a)、(b)所示。自适应光学系统开环的含义是所述高压放大器不输出所述倾斜镜、所述变形镜实时闭环的各驱动器电压；自适应光学系统闭环的含义是由所述波前处理机根据所述波前探测器的实时探测结果进行倾斜解耦与复原运算后，控制所述高压放大器输出所述倾斜镜、所述变形镜实时闭环的各驱动器电压。所述自适应光学系统开环、闭环时由所述主激光远场探测相机13采集的主激光远场典型图像，分别如图3(c)、(d)所示。明显可见：自适应光学系统开环→自适应光学系统闭环对应主激光远场的光束质量有了明显提升，验证了热晕效应自适应光学相位补偿的有效性。
[0047] 不限于本实施例，本发明所提供的模拟装置中主激光经过所述液体吸收池81的传输方式可根据模拟场景需求采用准直传输方式(如图1所示)，或者采用聚焦传输方式(如图4所示)：将所述第三光束变倍系统(包含前组物镜71、后组物镜72)由图1所示位置沿信标光的传输正方向移动，使所述前组物镜71垂直于信标光传输光轴紧贴所述液体吸收池81的前表面放置，并确保所述自适应光学系统波前探测口径ΦAO与所述模拟信标激光器2发射信标光口径ΦBeacon-Output之间的匹配关系(即K3＝f32/f31＝ΦBeacon-Output/(K2·ΦAO))；将垂直于所述主激光远场探测相机13的接收光轴光路中心依次放置的所述聚焦透镜12去掉，便可实现聚焦传输方式下主激光热晕效应及其自适应光学补偿的室内模拟。
[0048] 不限于本实施例，本发明所提供激光传输热晕效应及其自适应光学补偿的模拟装置可通过所述液体吸收池中注入液体成分与所述模拟主激光器发射主激光波长的匹配选择，可实现1.0μm波段范围(如1.0×μm～1.07×μm)、或者不同于上述红外波段模拟主激光条件下的等效大气传输热晕效应可控产生及其自适应光学补偿的实验室模拟。
[0049] 不限于本实施例，本发明所提供激光传输热晕效应及其自适应光学补偿的模拟装置可根据模拟场景需求采用直接斜率法、模式法、变形镜本征模法、区域法等多种自适应光学补偿技术来定量评估热晕效应对激光大气传输及其自适应光学补偿效果的影响。
[0050] 尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
