激光系统组件化仿真软件EasyLaser.pdf

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1、第25卷第10期强激光与粒子束Vo1．25，No．102013年10月HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSOct．，2013文章编号：1001—4322(2013)10—2536—05激光系统组件化仿真软件EasyLaser谢晓钢，张建柱，岳玉芳，安建祝，张飞舟(北京应用物理与计算数学研究所，北京100094)摘要：针对国内一直以来缺乏一套能够对复杂激光系统进行全面仿真模拟工具的问题，在成熟仿真模块的基础上，基于组件化建模仿真思想研发了通用易用的激光系统仿真软件EasyLaser。它由通用的组件化建模仿真支撑平台SciSimu和8个仿真组件库构成，具备对光束的光学

2、元件间传输、大气传输、电视成像、自适应光学校正、识别提取跟踪等复杂过程的建模与仿真能力。详细介绍了EasyLaser的物理仿真能力和软件特色，并利用EasyLaser软件搭建仿真光路模型，进行自适应光学系统对大气湍流效应的校正效果的分析和研究。关键词：激光系统仿真；自适应光学；光束传输；组件；EasyLaser中图分类号：TP391．9文献标志码：Adoi：10．3788／HPLPB20132510．2536随着激光系统技术的发展，对激光系统的品质和性能的要求也越来越高，系统的复杂性高，经费投入大。迫切需要一种建模仿真工具，能够对系统进行全面的仿真模拟，包括：对系统的整体设计进行仿真分析

3、，对系统各个环节的参数进行高精度的优化匹配设计，对其整体性能进行综合评估等，这对于降低研制成本，提高研制效率，具有不可替代的作用。完全从头开发一个激光仿真系统需要极强的专业背景和多学科、多领域知识的融合，其效率越来越低，难度越来越大，模型与仿真结果的可靠性与准确性也很难得到保证。而“组件化仿真”是克服这一问题的有效途径之一[1]。它将仿真开发看成一个组装过程，寻找已有的可重用组件(或开发一些新组件)并进行系统组装，而组件则往往表示了现实系统中的真实实体或物理过程。这一途径能够提高仿真模型的可理解性、可扩充性和模块化，在模型重用、开发效率、系统维护等方面具有明显的优势。美国MZA公司开发的

4、WaveTrain[2是著名的波动光学组件化仿真软件之一，它实现了包含光束控制与成像系统、固体和气体激光谐振腔系统、自适应光学系统、大气与气动光学效应等的激光系统各环节仿真，在美国定向能系统设计与研制领域得到广泛应用。此外，还有应用于天文研究的CAOsl_3和基于Scicos开发的自适应光学仿真库SciAOr4等都是组件化光学仿真软件的代表。国内一直缺乏一个类似于WaveTrain的系统级的激光仿真平台，为此，在自主研发的通用组件化建模仿真支撑平台SciSimul_5的基础上，进一步丰富其组件库，改进软件功能，形成了通用易用的激光系统仿真软件EasyLaser。EasyLaser软件提供

5、友好的参数设置、辅助设计和运行界面，进行激光系统中光路布局设计、目标环境设置和外部场景的设计，实现光学元件间光束的传输、大气中光束的传输(如大气湍流效应、热晕效应及消光效应对光束的影响)、积分靶上光斑分布的模拟、传输通道上光学畸变的自适应光学校正、望远镜系统对目标的识别、提取和跟踪、天文成像的自适应光学校正等，完成激光系统关键环节和整体性能的综合评估。1仿真能力EasyLaser软件能够对激光系统运行过程中的主要物理环节进行仿真，包括：仿真场景的模拟、目标图像及运动特性的模拟、激光源与信标光源的模拟、光学元件特性的模拟、光学元件间光束波动传输与几何传输的模拟、大气常规特性及光学特性的模拟

6、、大气湍流相屏的模拟、光束大气传输的模拟、扩展目标大气传输及光学成像的模拟、望远镜系统对目标识别、捕获、提取和跟踪的模拟、自适应光学系统对光束校正的模拟等。这些物理仿真能力分为8个组件库实现，图1是目前组件库中已开发完成的组件列表。将这些组件是基于多年从事激光大气传输与控制领域研究所积累的成熟模块。研发的，这些模块经过了多次试验的检验与验证，具备*收稿日期：2012—11-21；修订日期：2013—05—14基金项目：中国工程物理研究院科学技术发展基金项目(201IB0401067)作者简介：谢晓钢(1982)，男，硕士，助理研究员，主要从事激光系统仿真技术研究；xie_xiaogang

7、@iapcm．ac．Crl。通信作者：张建柱(1976一)，男，硕士，副研究员，主要从事激光大气传输方面的研究；zhang_jianzhu@iapcm．ac．cn。2540强激光与粒子束第25卷组件库实现：光学元件组件库、光源组件库、目标／场景组件库、大气组件库、控制组件库、传感器组件库、信号组件库和辅助组件库，其中的组件是基于经过多次试验的检验与验证的成熟模块实现的，具备较高的可靠性与准确性。它具备直观友好的建模过程、快速高效的仿