[发明专利]一种计算任意复杂形状光学接收器的孔径平均函数的方法和实现装置

说明书

本发明公开了一种计算任意复杂形状光学接收器的孔径平均函数的方法和实现装置，该方法先对任意复杂形状的接收器进行外围框架的构建，构建了基准孔径的长方形框架；其次，确定了位移孔径相对于基准孔径进行位移时的位移范围；再次，对位移范围的每个正方形格子按从上到下、从左到右的顺序进行了编号；再次，创建一个FPGA的存储器，将基准孔径的每个子孔径的位置信息与这个FPGA的存储器中每个地址单元之间建立映射关系；再建立另一个FPGA的存储器，每次位移孔径移动到一个新位置的时候，位移孔径的每个子孔径的位置信息与该存储器的每个地址单元之间建立映射关系；通过先后建立的两个存储器对应地址单元的数据之间的与和操作，最终得到孔径平均函数。

技术领域

本发明属于大气光学领域，具体涉及一种计算任意复杂形状光学接收器的孔径平均函数的方法和实现装置。

背景技术

光学闪烁对于大气光学的研究很重要。大气光学系统采集到的信号都会受到光学闪烁的干扰。夜晚能看到星星的时候，之所以我们会感觉到星星在眨眼睛，那是由于星星都是会发光的恒星，而恒星发出的光线在从远距离的太空传输到人眼的过程中，受到了湍流大气的起伏扰动，这种快速扰动的光线进入到人的眼睛，落在视网膜上，给人的感觉就好像星星在眨眼睛。这是光学闪烁的一种表现。这种快速的光强变化就叫做光学闪烁。

由于温度、压力和风速的变化，大气的光学折射率会以每秒钟三十、四十次左右的速度迅速的变化，这就是湍流的扰动。光学信号在这样扰动的湍流中传输，必然会有光学信号起伏。对于光学成像系统来说，比如对卫星进行光学成像，这种光学扰动就会导致成像质量的恶化。对于大气空间光通信系统来说，比如近地面两个光学望远镜之间的光通信，这种光学扰动就会导致光强信号的起伏，当传输距离增加和天气条件恶劣的时候，通信的误码率会迅速增加导致通信中断。

从某种意义上来说，光学闪烁实际上可以被理解为进入光学接收器的光通量的起伏。可以把光学接收器理解为光学望远镜。而进入光学接收器的光通量的起伏由光学接收器端面上任意两点的光强协方差与光学接收器孔径平均函数乘积的对接收面积的积分来决定。也就是说，接收到的光信号的起伏的强弱由两个因素决定：一个因素是接收器端面上任意两点之间的光强的协方差，它是表示接收端面上的任意两点之间的光强相互关系的物理量；另一个因素是接收孔径的孔径平均函数，它是在数学的二维平面上计算位移了一定距离的接收孔径与该不位移的接收孔径的交叠面积，而这个交叠面积就叫做孔径平均函数。

因为实际应用过程中使用的光学接收器的孔径尺寸有大有小，所以研究孔径平均函数的绝对值大小没有任何意义。通常研究的是所使用的接收器的孔径平均函数的归一化值，即把计算得到的交叠面积除以接收孔径的面积。作为计算光通量起伏的积分的被积函数的一部分，孔径平均函数的物理意义是光强协方差的权重。在数学上，孔径平均函数指的是不同的质心间距(这是个矢量，矢量长度为ρ，矢量角度为φ)对应的归一化孔径交叠面积。

Fried计算了光学接收孔径为圆形的情况(例如圆形光学透镜)的孔径平均函数，得到了其解析解(Aperture averaging of scintillation,D.L.Fried,J.Opt.Soc.Am.)。杨昌旗采用分段计算的方法，分别得到了Y型接收器(Technique of weight factorshifting for aperture averaging,Changqi Yang,Appl.Opt.)和卡塞格伦光学接收器(Analytic expression of the aperture averaging function for Cassegrainsystem,Changqi Yang and et al.,2016 Progress in Electromagnetic ResearchSymposium)的孔径平均函数的解析解。对于其它的非圆对称的光学接收孔径，目前还没有计算其孔径平均函数的合适方法。尤其是在需要计算任意复杂形状的光学接收器的孔径平均函数的时候，目前还没有任何方法。

发明内容

本发明的技术思路：