Simulation of Temporally Dynamic Atmospheric Turbulence Phase Screen Based on Zernike Polynomials and Modified von-Kármán Spectrum

泽尼克多项式 光学 大气湍流 湍流 物理 相(物质) 光谱(功能分析) 大气光学 波前 气象学 量子力学
作者
Benchu Lu,Dongmei Cai
出处
期刊:Optics Express [Optica Publishing Group]
卷期号:32 (22): 38609-38609
标识
DOI:10.1364/oe.534746
摘要

In the simulation of the atmospheric wavefront, the Kolmogorov spectrum facilitates the mathematical treatments, but this model gives inaccurate predictions in cases where the effects of outer- and inner-scale can not be neglected. Therefore, we derive the covariance formula of Zernike coefficients based on the modified von-Kármán turbulence spectrum to improve the Zernike-based method. Further, using the frozen flow hypothesis, the temporal power spectra of Zernike coefficients are derived, and the effects of wind velocity and direction, as well as the outer and inner scales, are also taken into account. Then, we introduce a method for generating the temporally dynamic atmospheric wavefront using the inverse Fourier transform to draw random time-evolving coefficients from the temporal spectra. We evaluate the performance on simulated atmospheric wavefront, and the results confirm that accurate spatial and temporal statistics are obtained.

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