發(fā)布時(shí)間：2020-06-04 16:25

【摘要】：在對窄線寬激光光源探測的研究中,當(dāng)背景光較弱時(shí),接收系統(tǒng)能夠比較好的識別探測光,而在背景光較強(qiáng)時(shí),常常遇到信號光被淹沒而導(dǎo)致探測失敗的問題。由于天空背景光等帶來的噪聲極大的限制了探測系統(tǒng)的性能,所以如何降低背景光對接收系統(tǒng)探測性能的影響是急需解決的問題;光譜濾波技術(shù)是抑制背景噪聲,提高激光回光探測信噪比的有效途徑之一。它能夠按照光譜濾波器的特性來對入射光譜進(jìn)行處理,信號光譜具有高透過率特性,而背景光譜則處于截止波段,透過率很低,所以使用透射光譜寬度很窄的濾光器,可以很好的提升系統(tǒng)的探測能力。因此光譜濾波技術(shù)在進(jìn)行窄線寬激光光源探測的若干技術(shù)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用,如激光導(dǎo)星技術(shù),激光主動照明成像,激光雷達(dá)等。本文的研究內(nèi)容和成果主要包含以下三個方面:第一部分,確定以光柵光譜濾波技術(shù)為研究重點(diǎn),從理論上研究光柵濾波系統(tǒng)的透射線寬和效率與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及入射光場分布之間的關(guān)系。以光柵方程為基礎(chǔ),在入射光場為理想高斯光束的條件下,結(jié)合透鏡的傅里葉變換,推導(dǎo)出光柵的衍射遠(yuǎn)場光強(qiáng)分布,使用MATLAB軟件作為主要的仿真建模工具,對整個光柵濾波系統(tǒng)進(jìn)行模型建立;通過對光場離散化處理,得到不同波長在不同位置的光強(qiáng)分布矩陣,利用統(tǒng)計(jì)的方式,得到指定區(qū)域透射光場能量與入射光場能量的比值,并求得透射光譜線寬的大小。并以此為基礎(chǔ),作出了系統(tǒng)的透射線寬和透過率的大小與狹縫的尺寸,透鏡的焦距,以及核心器件光柵的相關(guān)參數(shù)之間的關(guān)系曲線,并得出結(jié)論:光柵常數(shù)d的減小以及光柵總縫數(shù)N的增大能夠提高系統(tǒng)性能。同時(shí)搭建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),約1nm范圍內(nèi)有光譜輸出(半高全寬為0.2789nm)的入射激光在經(jīng)過系統(tǒng)濾光后得到約0.1nm范圍內(nèi)有光譜輸出(半高全寬為0.0288nm)的出射激光,得到了亞納米級的濾波結(jié)果,從實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證了理論仿真結(jié)果的正確性,為光柵光譜濾波系統(tǒng)的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)提供了有效的依據(jù)。第二部分,這一部分重點(diǎn)關(guān)注大氣湍流對光柵光譜濾波系統(tǒng)的影響。以多相位屏思想為核心,結(jié)合譜反演法和快速傅里葉變換法,對激光束在湍流大氣中的傳輸進(jìn)行了模擬,得到了入射到光柵表面的入射光場分布狀況,并以此為基礎(chǔ),結(jié)合第一部分中相關(guān)的光柵理論,同樣以MATLAB為仿真工具,以系統(tǒng)透射光譜線寬和透過率為主要性能參數(shù)指標(biāo),驗(yàn)證了光柵光譜濾波系統(tǒng)在入射光場相位存在隨機(jī)畸變條件下的濾波可行性和穩(wěn)定性,同時(shí)分析了大氣相干長度r0等大氣參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響,得出了隨著大氣相干長度r0的增大,濾波性能下降的結(jié)論,同時(shí)也給出了系統(tǒng)的大氣適用性條件,對于中心波長為1064nm,發(fā)射光束口徑為50mm的發(fā)射光束,在r00.05m時(shí),系統(tǒng)性能隨著r0的減小迅速惡化,所以應(yīng)盡量保證系統(tǒng)在r00.05m的大氣條件下使用。另外我們在r0=0.1m時(shí),獲得了亞納米級(FWHM=0.3nm)的光譜濾波線寬,有效光譜的透過率也超過了 90%。同時(shí)我們在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了定性對比實(shí)驗(yàn),使用相位板模擬光束波前畸變,入射光譜線寬為0.15nm的激光束在加入相位板后輸出光譜線寬從0.034nm變?yōu)?.046nm,證明了系統(tǒng)對于波前有一定相位畸變的入射光場依然具有濾波能力,但是濾波性能會下降。這為系統(tǒng)在復(fù)雜大氣條件下的應(yīng)用提供了可靠的仿真和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。第三部分,這一部分主要是系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。通過前面兩部分的分析確定了系統(tǒng)各器件的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù),構(gòu)建了一套基于雙光柵的光譜濾波系統(tǒng),采用透鏡與光柵結(jié)合的4f系統(tǒng)結(jié)構(gòu),將狹縫放置在透鏡的后焦面上,實(shí)現(xiàn)了光柵在近場處的遠(yuǎn)場濾波功能;另外采用雙光柵結(jié)構(gòu),第二塊光柵能夠有效補(bǔ)償?shù)谝粔K光柵所帶來的色散問題,提高了出射光束的光束質(zhì)量;并在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上加以改進(jìn),將系統(tǒng)設(shè)計(jì)為單光柵折疊結(jié)構(gòu),采用一塊夾角為直角的反射棱鏡,使得第一次經(jīng)光柵衍射后的光束能夠平行返回到光柵表面,即實(shí)現(xiàn)了同一塊光柵的二次利用,壓縮了系統(tǒng)體積,又能夠保證色散補(bǔ)償?shù)男Ч?提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。同時(shí)在理論和實(shí)驗(yàn)上對比分析了單雙光柵結(jié)構(gòu)對光束質(zhì)量的影響,在無光柵時(shí),測得的光束質(zhì)量M2為1.683,在不加入第二塊光柵時(shí),測得的光束質(zhì)量M2為1.995,在使用雙光柵時(shí),測得光束質(zhì)量M2為1.875,在單光柵折疊結(jié)構(gòu)下測得光束質(zhì)量M2為1.863,得出雙光柵結(jié)構(gòu)和單光柵折疊結(jié)構(gòu)能夠有效改善光束質(zhì)量的結(jié)論,另外我們對雙光柵系統(tǒng)引入的波前像差進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測量,發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)在滿足4f結(jié)構(gòu)時(shí),引入的波前像差很小。本文的主要創(chuàng)新點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下兩個方面:第一方面,本文創(chuàng)新性的提出了單光柵折疊復(fù)用結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)了單光柵復(fù)用功能,在滿足光譜濾波和色散補(bǔ)償性能的同時(shí),縮減了系統(tǒng)的體積規(guī)模第二方面,針對光柵光譜濾波在激光大氣傳輸探測方向的應(yīng)用,本文從激光大氣傳輸理論和光柵衍射原理出發(fā),建立了光柵在入射光場為大氣擾動光場時(shí)的光譜光強(qiáng)分布仿真模型,首次給出了光柵光譜濾波技術(shù)的系統(tǒng)和大氣適用條件,并通過仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。
【圖文】：

圖２．１低頻次諧波補(bǔ)償原理逡逑為Ｐ（Ｐ＞１）時(shí)，次諧波網(wǎng)絡(luò)的間隔為這樣這九網(wǎng)絡(luò)點(diǎn)所取代，這樣次諧波相位表達(dá)式為：逡逑）邋＝邐ｙ￣］邋ａ（ｍ＇，ｎ＇）／（ＴＯ邋，ｎ邋）ｅｘｐ邋ｉ２ｉ：２＞邋ｐ｛＾＾邋＋＝匚．３＿２１＞。５／６（／４邋＋邋／二），／：１７）邋＝邋３？）１７＾／；１：，／�。诲澹藉澹�？１？’厶／＃。當(dāng)采將大氣相干長度ｒＱ代入釓（兄，４），則式（３－２４）的柯爾莫哥Ｎ，，邐廠邐１邋ｒ邋／ｙｉａ（ｍ＼，ｎ＇）邐＼／０．０００５８ｒ0５／ｅ（ｆｔ邋＋邋／ｙ２）￣ｎ／１２邋ｅｘｐ邋ｉ２７ｒ（＾Ｌ邋＋建的相位屏３：，２／方向的長度。0（７７１，，７１）邋＝邋0４邋＋邋１０）斤２，八和８斯隨機(jī)矩陣。逡逑

波長在刻線密度為１７２４．５１ｐ／ｍｍ時(shí)的利特羅角為６６．５５４°。逡逑激光探測應(yīng)用，光柵濾波系統(tǒng)除了實(shí)現(xiàn)光譜濾波功能外，還需進(jìn)行色對系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，再由后面的仿真分析來確定具體參數(shù)大，設(shè)計(jì)了一套基于雙ＭＬＤ光柵的窄帶濾光系統(tǒng)：逡逑雙光柵濾波系統(tǒng)逡逑／邐１丨丨曑人一邐．逡逑ａｓｅｒ逡逑－？邋ｇｒａｔｉｎｇ邋１邋－？邋ｌｅｎｓ邋１邋—？邋ｓｌｉｔ邋—＾邋ｌｅｎｓ邋２邐ｇｒａｔｉｎｇ邋２邐ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｉ邐ｉ邐ｔ邐%煎危皺危垮危駑義舷嚦碡餛族喂餛祝澹咤逕㈠喂餛族義顯矗悍擲脲鍠茇≡褙瓇#邐補(bǔ)償邐測量逡逑圖３．２雙光柵系統(tǒng)組成逡逑收望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)處過來的光束經(jīng)第一塊光柵衍射后，不同波長的光衍射
【學(xué)位授予單位】：中國工程物理研究院
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TN713;TN24

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本文編號：2696651