闭环光束控制系统中多点协同动态散斑反馈评价因子的统计特性研究

Laser beam control system based on the target-in-the-loop technology, which is constructed by the complete closed loop among transmitter, target and receiver, can provide real time phase correction to increase the energy density of the laser spot on target and become widely used in the fields of national defense, industrial processing and manufacture. The back-scattered laser speckle from the target brings much attention in the researches of beam control systems, since the information about the spot size can be deduced from the laser speckle statistics, which proves they can be used as the feedback metrics. However, there are still some problems remaining to be solved, such as the relative long period for accumulating samples, the ambiguity of the detection probability model and the mechanism of atmospheric turbulence effecting on the speckle statistics, all of which cause the difficulties of the practical application of speckle metrics. In this project, based on the model of target-in-the-loop beam control, we propose a multi-point cooperating dynamic speckle metric using both the time and the spatial statistics of the scattered field to the far-field laser spot characterization process. A simulation platform is built to study the effects on the accuracy, stability and speed of the metric calculation from the factors such as atmospheric turbulence, system parameters and detector noises. By the aid of the simulation platform, we calculate the important statistical parameters and then optimize the design of the metric form. Finally, we perform the experiment to prove the correctness of the theories and the simulations, which can provide theoretical and experimental data supports to certain engineering projects.

闭环光束控制系统通过构建发射系统、目标、回波接收系统的完整回路，实现光束实时校正，提高目标上光斑能量密度，在国防、加工、制造领域有广泛的应用。激光在目标上散射形成的回波散斑包含了目标上光斑尺度信息，可以作为闭环系统的反馈评价指标，在闭环光束控制系统设计中得到重视。但在散斑评价因子的获取方面仍然存在统计样本的累积时间长、探测概率模型不明确、大气扰动机理不清楚的问题，使其不能有效用于实践。本项目在优化式闭环光束控制模型基础上，将散射光场的时间与空间统计特性联合应用于对远场目标上光斑尺度的评价方面，提出多点协同动态散斑反馈评价因子，并搭建仿真平台深入研究了大气湍流、系统参数、探测系统噪声等因素对评价精度、稳定性、速度的影响，给出评价因子的各项统计指标，进而优化评价因子设计，最终通过实验验证了相关理论与仿真分析结果，为相应工程项目的顺利开展提供理论依据与数据支持。

闭环光束控制技术能够实现光束质量实时校正，提高目标上光斑能量密度，在国防、工业、制造等领域具有广泛应用。本项目在优化式闭环光束控制模型基础上，将散射光场的时间与空间特性联合设计多点协同回波散斑评价因子，建立闭环回路上各类扰动与动态激光回波散斑统计性质的关联性，对多点协同体制散斑评价因子在光斑闭环校正系统中控制能力进行深入分析，最后进行光束闭环校正实验，构建不同形式的接收系统并对评价因子的效果进行检验。研究过程中发现，在弱湍流、中等强度湍流条件下，回波散斑经大气传输后，湍流对散斑的统计特性影响不明显，表明回波散斑评价因子在大气湍流校正应用方面具有较高的鲁棒性，并且通过散斑评价因子与PIB评价因子的对比分析，证明散斑评价因子具有更高的探测灵敏度，对远场聚焦光斑的微弱变化更加敏感，有助于提升闭环光束控制系统的控制精度。本项目综合分析了回波散斑的空间时间统计特性，设计了多点协同的回波散斑评价因子，结合SPGD算法，进行了光束控制目标在回路的闭环控制实验，实验中采用传统PIB评价因子最高提升远场光束能力密度的20%，而采用多点协同评价因子，选取合适的线阵探测器通道数量的情况下，最高实现了远场光斑能量密度100.46%的提升，表明了本项目设计的多点协同评价因子在SPGD盲优化光束控制系统中的优势及应用前景。本项目通过仿真与实验的方法，对闭环回路上大气湍流的扰动对散斑光强起伏互相关函数的影响、不同空间位置多探测器协同作用下的回波散斑反馈评价模型的建立等两个科学问题进行了深入的分析，解决了散斑评价因子在光束控制方面的基础性科学问题，为该项技术推广应用奠定基础。