光學(xué)系統(tǒng)作為激光雷達(dá)的核心部分，它的設(shè)計(jì)優(yōu)劣直接關(guān)系到激光雷達(dá)的性能和質(zhì)量。本文主旨是將光學(xué)設(shè)計(jì)軟件應(yīng)用于激光雷達(dá)的光學(xué)系統(tǒng)中，利用光學(xué)設(shè)計(jì)軟件強(qiáng)大的功能對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)建模，并優(yōu)化改善光學(xué)效率。 本課題研究的水汽、云和氣溶膠探測(cè)激光雷達(dá)一部主要用于探測(cè)水汽的拉曼激光雷達(dá)，由于水汽在大氣中含量少，并且水汽拉曼信號(hào)十分微弱，所以回波信號(hào)的接收效率對(duì)于拉曼激光雷達(dá)系統(tǒng)至關(guān)重要。本套激光雷達(dá)系統(tǒng)的接收部分的設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，除接收水汽信號(hào)外，還探測(cè)氣溶膠、云等大氣信息，因此盡管系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)已經(jīng)成型，還需對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行模擬優(yōu)化。本文將激光雷達(dá)接收系統(tǒng)分成三個(gè)部分——光纖耦合系統(tǒng)，望遠(yuǎn)鏡端口系統(tǒng)，光譜分光系統(tǒng)，一共包括6個(gè)通道——三個(gè)拉曼通道，一個(gè)1064通道，兩個(gè)532偏振通道。 在光學(xué)設(shè)計(jì)軟件ZEMAX的幫助下，對(duì)系統(tǒng)各個(gè)不同通道的光路光線追跡，逐步分析像差和成像光斑能量，以提高探測(cè)器的能量為目標(biāo)，優(yōu)化設(shè)計(jì)，確定了整個(gè)接收系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)，為系統(tǒng)的組裝提供了參考依據(jù)。 本文使用ZEMAX軟件實(shí)現(xiàn)了對(duì)幾何重疊因子的模擬。由于本套拉曼系統(tǒng)初始的設(shè)計(jì)下的近場(chǎng)信號(hào)接收效率偏低，通過(guò)詳細(xì)分析光纖端面的側(cè)向和軸向偏移、望遠(yuǎn)鏡傾斜等方法，從理論上精確的增加了近場(chǎng)回波信號(hào)的接收效率。同時(shí)探討并驗(yàn)證了側(cè)向偏移光纖端面與傾斜望遠(yuǎn)鏡光軸這兩種提高近場(chǎng)接收效率的方法的結(jié)果是等效的，并提出用偏移光纖端面來(lái)替代傾斜望遠(yuǎn)鏡或激光束光軸的做法，這樣不僅能簡(jiǎn)化操作系統(tǒng)的組裝、光路的準(zhǔn)直，并能提高系統(tǒng)的裝配穩(wěn)定性。
【學(xué)位單位】：中國(guó)海洋大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2013
【中圖分類】：TN958.98;P716.3
【部分圖文】：

.2 ZEMAX 簡(jiǎn)介本文使用的光學(xué)設(shè)計(jì)軟件是由 Focus Software 公司推出的 ZEMAX 軟件，其戶界面簡(jiǎn)便直觀，擁有 SE(標(biāo)準(zhǔn)版)、XE（完整版）和 EE（專業(yè)版）三個(gè)版本。MAX 軟件可模擬反射、折射、衍射、分光、鍍膜等光學(xué)系統(tǒng)模型，并分析各像差等等[20]，由于其優(yōu)越的性價(jià)比，近幾年來(lái) ZEMAX 在光學(xué)設(shè)計(jì)領(lǐng)域所占額越來(lái)越大。ZEMAX 采用序列（sequential）和非序列（non-sequential）兩種模式模擬折、反射、衍射的光線追跡。序列模式下，ZEMAX 以面作為對(duì)象來(lái)構(gòu)建一個(gè)光系統(tǒng)模型。許多復(fù)雜的棱鏡系統(tǒng)、照明系統(tǒng)等需采用非序列模式來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)建，在這種模式下，ZEMAX 以物體為對(duì)象，沿著自然可實(shí)現(xiàn)的路徑進(jìn)行追跡[21]。 2.1 是 ZEMAX 軟件的主窗口。

分別發(fā)生彈性散射——瑞利散射、米散射，以及非彈性散射——拉曼散射。355nm 激光主要用于探測(cè)水汽在大氣中的含量，由于水汽主要存在于對(duì)流層，水汽通道探測(cè)的高度是從地面到高空 5km；532nm，1064nm 的激光探測(cè)云、氣溶膠等大氣信息，該通道探測(cè)高度目標(biāo)是從地面到 15km 的高空。大氣回波信號(hào)由四個(gè)牛頓式望遠(yuǎn)鏡接收，其中一個(gè)望遠(yuǎn)鏡不僅接收拉曼散射光，同時(shí)也接收 532nm 和 1064nm 的后向散射光。5 根并列的光纖作為光譜分光系統(tǒng)的入口狹縫，回波信號(hào)進(jìn)入光譜分光系統(tǒng)分光后，送入三個(gè)探測(cè)通道——H2O、N2、O2通道。532nm 回波信號(hào)經(jīng)濾波片、偏振分光器，將信號(hào)分為平行態(tài) 532nm 和垂直態(tài)的 532nm 信號(hào)光。1064nm 的回波信號(hào)經(jīng)濾波片后，由探測(cè)器接收。整個(gè)接收系統(tǒng)一共有 6 個(gè)探測(cè)通道。本文將整個(gè)接收系統(tǒng)分為三個(gè)子系統(tǒng)，分別是光纖耦合系統(tǒng)，望遠(yuǎn)鏡端口系統(tǒng)以及光譜分光系統(tǒng)。圖 3.1 是 ZEMAX 模擬的激光雷達(dá)的接收系統(tǒng)的光線追跡圖。

直徑與焦距的比值。為了減少背景噪聲，信號(hào)的損失，視場(chǎng)角一般大于激光束的發(fā)散角的 1.5 到 2 倍。原本就十分微弱的拉曼散射信號(hào)，視場(chǎng)角減小幾何重疊因子，所以本系統(tǒng)選取了口選擇 4 個(gè)牛頓式望遠(yuǎn)鏡組合排列的模式，同等有效接收面積下幾何重疊因子的值。 所示。位于中心和右邊的小圓分別代表圖 3.4 是由 ZEMAX 建模的牛頓式望遠(yuǎn)1。
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本文編號(hào)：2866214