基于ZEMAX的水汽激光雷达接收系统光学性能分析

发布时间：2020-11-01 22:50

　　 光学系统作为激光雷达的核心部分，它的设计优劣直接关系到激光雷达的性能和质量。本文主旨是将光学设计软件应用于激光雷达的光学系统中，利用光学设计软件强大的功能对系统设计建模，并优化改善光学效率。 本课题研究的水汽、云和气溶胶探测激光雷达一部主要用于探测水汽的拉曼激光雷达，由于水汽在大气中含量少，并且水汽拉曼信号十分微弱，所以回波信号的接收效率对于拉曼激光雷达系统至关重要。本套激光雷达系统的接收部分的设计较为复杂，除接收水汽信号外，还探测气溶胶、云等大气信息，因此尽管系统的主要设计已经成型，还需对系统进行模拟优化。本文将激光雷达接收系统分成三个部分——光纤耦合系统，望远镜端口系统，光谱分光系统，一共包括6个通道——三个拉曼通道，一个1064通道，两个532偏振通道。 在光学设计软件ZEMAX的帮助下，对系统各个不同通道的光路光线追迹，逐步分析像差和成像光斑能量，以提高探测器的能量为目标，优化设计，确定了整个接收系统的相关参数，为系统的组装提供了参考依据。 本文使用ZEMAX软件实现了对几何重叠因子的模拟。由于本套拉曼系统初始的设计下的近场信号接收效率偏低，通过详细分析光纤端面的侧向和轴向偏移、望远镜倾斜等方法，从理论上精确的增加了近场回波信号的接收效率。同时探讨并验证了侧向偏移光纤端面与倾斜望远镜光轴这两种提高近场接收效率的方法的结果是等效的，并提出用偏移光纤端面来替代倾斜望远镜或激光束光轴的做法，这样不仅能简化操作系统的组装、光路的准直，并能提高系统的装配稳定性。
【学位单位】：中国海洋大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2013
【中图分类】：TN958.98;P716.3
【部分图文】：

.2 ZEMAX 简介本文使用的光学设计软件是由 Focus Software 公司推出的 ZEMAX 软件，其户界面简便直观，拥有 SE(标准版)、XE（完整版）和 EE（专业版）三个版本。MAX 软件可模拟反射、折射、衍射、分光、镀膜等光学系统模型，并分析各像差等等[20]，由于其优越的性价比，近几年来 ZEMAX 在光学设计领域所占额越来越大。ZEMAX 采用序列（sequential）和非序列（non-sequential）两种模式模拟折、反射、衍射的光线追迹。序列模式下，ZEMAX 以面作为对象来构建一个光系统模型。许多复杂的棱镜系统、照明系统等需采用非序列模式来进行系统建，在这种模式下，ZEMAX 以物体为对象，沿着自然可实现的路径进行追迹[21]。 2.1 是 ZEMAX 软件的主窗口。

分别发生弹性散射——瑞利散射、米散射，以及非弹性散射——拉曼散射。355nm 激光主要用于探测水汽在大气中的含量，由于水汽主要存在于对流层，水汽通道探测的高度是从地面到高空 5km；532nm，1064nm 的激光探测云、气溶胶等大气信息，该通道探测高度目标是从地面到 15km 的高空。大气回波信号由四个牛顿式望远镜接收，其中一个望远镜不仅接收拉曼散射光，同时也接收 532nm 和 1064nm 的后向散射光。5 根并列的光纤作为光谱分光系统的入口狭缝，回波信号进入光谱分光系统分光后，送入三个探测通道——H2O、N2、O2通道。532nm 回波信号经滤波片、偏振分光器，将信号分为平行态 532nm 和垂直态的 532nm 信号光。1064nm 的回波信号经滤波片后，由探测器接收。整个接收系统一共有 6 个探测通道。本文将整个接收系统分为三个子系统，分别是光纤耦合系统，望远镜端口系统以及光谱分光系统。图 3.1 是 ZEMAX 模拟的激光雷达的接收系统的光线追迹图。

直径与焦距的比值。为了减少背景噪声，信号的损失，视场角一般大于激光束的发散角的 1.5 到 2 倍。原本就十分微弱的拉曼散射信号，视场角减小几何重叠因子，所以本系统选取了口选择 4 个牛顿式望远镜组合排列的模式，同等有效接收面积下几何重叠因子的值。 所示。位于中心和右边的小圆分别代表图 3.4 是由 ZEMAX 建模的牛顿式望远1。
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本文编号：2866214