自适应光学理论及其在无线光通信中的应用

本书详细介绍自适应光学理论及其在无线光通信中对光波畸变的校正技术，讨论波前畸变的自适应控制算法、比例+积分算法与迭代算法、双重模糊自适应PID控制算法，以及SPGD算法自适应波前畸变校正、变形镜本征模式法波前畸变校正、涡旋光束无波前探测波前畸变校正、液晶空间光调制器波前校正、不同波长的高斯光束在大气湍流中传输的波前差异与校正、带波前倾斜修正的自适应光学波前畸变校正，同时对各种畸变校正方法进行实验验证，并分析实验结果。本书适合从事无线光通信的广大工程技术人员、大专院校教师阅读，也可作为相关专业研究生和高年级本科生的教材。

前言
第1章绪论1
1.1无线光相干通信研究现状1
1.1.1美国研究现状2
1.1.2欧洲研究现状4
1.1.3日本研究现状7
1.1.4国内对自由空间相干探测通信系统研究现状8
1.2自适应光学9
1.2.1自适应光学国外研究进展10
1.2.2自适应光学国内研究进展11
1.2.3自适应光学发展趋势12
参考文献13
第2章波前畸变自适应控制19
2.1相干光通信的基本原理19
2.2自适应光学技术21
2.2.1基本原理21
2.2.2波前传感器22
2.2.3波前校正器23
2.2.4波前畸变校正原理24
2.2.5光束质量评价指标34
2.3双变形镜波前校正算法35
2.3.1大气湍流引起的波前畸变35
2.3.2波前畸变数值分析38
2.3.3偏摆镜+变形镜波前畸变自适应控制实验42
2.4波前畸变预测控制45
2.4.1自适应光学模型45
2.4.2子空间系统辨识47
2.4.3波前畸变预测控制实验50
2.5系统误差分析及抑制54
2.5.1自适应光学系统误差分析54
2.5.2抑制系统误差方法59
2.5.3误差抑制方法比较60
2.6波前畸变自适应控制62
2.6.1PI控制算法62
2.6.2闭环控制参数调节63
2.7系统标定65
2.7.1系统组成65
2.7.2推拉法标定66
2.7.3Hadamard矩阵法标定67
2.8闭环69
2.8.1闭环算法69
2.8.2闭环带宽分析71
参考文献72
第3章比例+积分算法与迭代算法74
3.1比例+积分算法74
3.1.1系统响应矩阵标定74
3.1.2基于直接斜率法的PI控制算法原理78
3.1.3迭代算法控制原理80
3.2PI算法与迭代算法的参数影响与运算量83
3.2.1PI控制算法参数影响83
3.2.2G-S算法参数影响86
3.2.3ILC算法参数影响88
3.2.4PI算法与迭代算法参数特性对比91
3.2.5迭代算法与PI算法运算量分析91
3.3相干光通信波前校正实验95
3.3.1波前控制器的闭环控制效果分析95
3.3.2AO闭环校正对波前PV和波前RMS的影响98
3.3.3AO闭环校正对耦合效果和中频信号的影响101
参考文献105
第4章双重模糊自适应PID控制107
4.1基于直接斜率法的双重模糊自适应PID控制原理107
4.2输入论域对模糊自适应PID算法的影响分析111
4.2.1不同控制电压输入论域范围对模糊PID算法的影响111
4.2.2不同控制电压一阶导数输入论域范围对模糊PID算法的影响113
4.2.3模糊自适应PID算法仿真输出论域影响分析114
4.3模糊控制实验116
4.3.1自适应光学系统实验装置116
4.3.2迭代控制算法校正实验117
4.3.3PID类控制算法校正实验122
参考文献134
第5章SPGD算法自适应波前畸变校正135
5.1SPGD算法对畸变高斯光束的波前校正135
5.1.1SPGD算法135
5.1.2光传输方程与多相位屏法137
5.1.3高斯光束大气湍流传输模拟137
5.1.4不同湍流强度下光信号波前校正139
5.1.5自适应光学技术对相干光通信系统性能的改善141
5.2SPGD算法波前畸变校正实验143
5.2.1静态波前畸变的校正143
5.2.2SPGD算法对外差探测相干光通信系统的波前校正146
参考文献150
第6章变形镜本征模式法波前畸变校正151
6.1变形镜本征模式法151
6.1.1系统函数151
6.1.2校正系数153
6.1.3变形镜本征模式154
6.2本征模式法的畸变波前校正仿真154
6.2.1校正流程及方法154
6.2.2变形镜建模及其本征模式155
6.3变形镜本征模式法的畸变波前校正仿真159
6.3.1不同湍流强度校正结果159
6.3.2快速收敛百分比162
6.3.3不同校正算法的对比162
6.4变形镜本征模式法实验165
6.4.1变形镜影响函数及其本征模式的测量165
6.4.2静态像差校正实验166
6.4.3外场实验168
参考文献170
第7章涡旋光束无波前探测波前畸变校正171
7.1涡旋光束在大气湍流中的传输特性171
7.1.1拉盖尔-高斯光束171
7.1.2涡旋光束在大气湍流中的传输174
7.1.3涡旋光束的轨道角动量178
7.2相位差法波前畸变校正的原理与实验181
7.2.1相位差法波前畸变校正原理181
7.2.2相位差法校正补偿涡旋光束的数值仿真185
7.2.3相位差法校正单个涡旋光束的仿真结果185
7.2.4相位差法校正叠加态涡旋光束的仿真结果187
7.2.5PD算法的收敛性分析191
7.3基于相位差法校正畸变涡旋光束的实验研究191
7.3.1实验装置191
7.3.2涡旋光束波前校正实验分析192
7.4涡旋光波前畸变G-S算法196
7.4.1校正原理196
7.4.2仿真结果197
7.5SPGD算法200
7.6G-S算法和SPGD算法波前畸变校正实验202
7.6.1相位恢复算法202
7.6.2随机并行梯度下降算法204
参考文献207
第8章液晶自适应光学技术209
8.1液晶空间的相位调制原理209
8.1.1液晶空间光调制器的结构209
8.1.2液晶空间光调制器原理210
8.1.3波前畸变控制方式215
8.2LC-SLM的相位标定原理217
8.2.1干涉条纹移动法218
8.2.2干涉条纹移动法实验原理218
8.3反射式空间光调制器相位标定实验219
8.4LC-SLM-R的空间相干光通信波前校正系统222
8.4.1LC-SLM-R波前畸变校正原理222
8.4.2波前校正系统基本组成222
8.5波前测量原理224
8.5.1横向剪切干涉仪静态波前测量224
8.5.2夏克-哈特曼实时波前测量原理229
8.6波前重构231
8.6.1Zernike多项式231
8.6.2基于Zernike多项式的波前重构234
8.7LC-SLM-R波前校正实验235
8.7.1静态波前校正实验235
8.7.2外场实验241
参考文献244
第9章不同波长的高斯光束在大气湍流中传输的波前差异与校正246
9.1光束在大气湍流中的传输246
9.1.1不同波长对应的波前起伏的整体方差246
9.1.2不同波长光束对应的波前起伏247
9.2双波长自适应光学252
9.2.1自适应光学252
9.2.2波前传感器对探测结果的影响253
9.3波前校正器的影响256
9.3.1系统带宽的影响257
9.3.2波长对应的波前校正系数258
9.4数值仿真和分析260
9.4.1波前整体方差的数值仿真260
9.4.2波前相关性262
9.4.3波前在接收孔径上的空间差异263
9.4.4含有校正系数的校正状态266
9.4.5不同波长对应的波前畸变实验267
参考文献270
第10章波前大幅度畸变与波前倾斜的自适应控制271
10.1大幅度波前畸变残差修正271
10.1.1大幅度波前畸变的理论272
10.1.2大幅度波前畸变仿真分析275
10.1.3实验研究278
10.2带波前倾斜修正的自适应光学波前畸变校正281
10.2.1大气湍流中波前畸变理论282
10.2.2大气湍流中波前畸变实验287
参考文献294