【长春理工大学】200毫米星敏感器大口径湍流模拟系统

开篇

星敏感器正向大口径和高精度发展，但大口径测试与标定离不开对大气湍流的可靠模拟。长春理工大学等单位提出一套基于望远成像原理的 200 mm 星敏感器湍流模拟系统，通过开普勒成像与口径匹配建立液晶焦平面与星敏感器之间的共轭关系，用液晶空间光调制器实现动态湍流模拟。

图1 系统由星点模拟、湍流生成和大口径成像三部分组成。

技术创新

这项工作要解决的核心问题，是如何在有限尺寸器件上模拟直径  的大口径湍流信息。传统功率谱反演法会丢失低频信息，Zernike 法则在高频部分存在偏差，而物理热风模拟精度和范围都受限。论文采用稀疏谱模型生成相位屏，再通过液晶空间光调制器加载湍流信息，使相位屏既能动态变化，又能保持较好的随机连续性。

系统光路基于开普勒望远镜原理设计：半导体激光经星点分束、准直后照射液晶目标面，液晶调制后的光束经分束器进入会聚系统，再与离轴三反系统完成口径匹配，最终输出携带湍流信息的  光束。论文强调，发射系统的出瞳应与液晶目标面共轭，且出瞳直径小于液晶目标面尺寸，以实现星点与湍流信息的正确传递。

图2 会聚光学系统用于完成口径匹配和共轭成像。

文中还完成了光学设计与容差分析。准直系统采用双胶合双透镜结构，出口瞳直径设为 ，由数值孔径  推得焦距为 。系统模拟表明，各视场的像斑均落在艾里斑内，满足成像质量要求。

实验结果

实验部分搭建了由光源、星点模拟、液晶湍流模拟和口径匹配单元组成的平台。相位结构函数比较显示，稀疏谱模型生成的湍流相位屏与理论值具有较好一致性。利用差分星点成像运动法测得，当设定湍流相干长度为  时，200 帧图像统计得到的平均值约为 ，与模拟值一致。

图3 稀疏谱模型的结构函数与理论值比较。

系统还采集了 50 组、每组 200 帧的波前图像，对湍流相干长度进行统计。论文指出，在最初约  内数值波动较大，随后逐渐趋于稳定。不同相干长度下的星点图像显示， 时湍流扰动最强， 时最弱。系统最终可稳定获得带湍流信息、直径为  的星光。

图4 不同湍流相干长度下的星点变化。

应用价值

论文面向大口径星敏感器的地面测试与标定需求，目标是为大气湍流条件下的星点成像提供可控模拟环境。除星敏感器外，这类大口径湍流模拟平台也可为相关光电系统的实验验证提供支持。

结语

这套系统的意义在于把大口径湍流模拟从纯数值问题推进到可验证的光学实验平台，并通过稀疏谱、共轭成像和口径匹配解决了大尺寸湍流信息难以在小器件上复现的问题。论文的实测结果说明，该平台具备较好的稳定性和一致性。

参考文献

Xin Yu, Jiasu Li, Guoqiang He, Suping Bai, Lingyun Wang, Xiaolong Ni, Lianghua Wen, Jing Liang, and Jiahui Wang, “Generation of Large-Aperture Turbulence Based on Telescopic Imaging Principles,”. IEEE PHOTONICS JOURNAL, VOL. 17, NO. 3, JUNE 2025 10.1109/JPHOT.2025.3559175