本文關(guān)鍵詞：激光外差探測(cè)系統(tǒng)性能光學(xué)影響因素研究　出處：《中國科學(xué)院研究生院(長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所)》2016年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：激光外差探測(cè)技術(shù)是一種靈敏的光學(xué)探測(cè)方式,以其優(yōu)于直接探測(cè)方式的諸多特點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于激光雷達(dá)、激光通信、大氣監(jiān)測(cè)、目標(biāo)探測(cè)等方面。隨著研究的不斷深化和擴(kuò)展,激光外差探測(cè)技術(shù)正朝著遠(yuǎn)距離目標(biāo)跟蹤探測(cè)和近距離多普勒成像方向發(fā)展。國外Firepond和HI-CLASS等相關(guān)系統(tǒng)的建立及開展的一系列實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了激光外差方式對(duì)幾千公里空間目標(biāo)的跟蹤探測(cè)能力,Polytec公司基于激光外差探測(cè)技術(shù)開發(fā)的一系列振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)展示了激光外差探測(cè)技術(shù)在高精度非接觸振動(dòng)測(cè)量領(lǐng)域廣闊的應(yīng)用前景。考慮到激光外差探測(cè)技術(shù)自身的優(yōu)點(diǎn)和國家實(shí)際應(yīng)用需求,開展激光外差探測(cè)技術(shù)的研究具有重要意義。國內(nèi)要實(shí)現(xiàn)激光外差探測(cè)技術(shù)在遠(yuǎn)程目標(biāo)跟蹤探測(cè)及高精度振動(dòng)檢測(cè)方面的應(yīng)用,無論是發(fā)射光源技術(shù)、光學(xué)匹配技術(shù),還是高頻信號(hào)處理手段,都需要進(jìn)行一定程度的知識(shí)儲(chǔ)備和技術(shù)積累。為了設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)高性能激光外差探測(cè)系統(tǒng),需要進(jìn)行充分的前期研究以指導(dǎo)外差探測(cè)系統(tǒng)的優(yōu)化。本文通過理論分析、數(shù)值仿真及實(shí)驗(yàn)的方式,對(duì)激光外差探測(cè)系統(tǒng)光學(xué)影響因素展開深入研究,主要工作內(nèi)容如下:(1)系統(tǒng)地介紹了激光外差探測(cè)技術(shù)基本理論、湍流理論、部分相干光理論及隨機(jī)電磁光束理論,為后續(xù)研究工作的開展提供了必要的理論基礎(chǔ)。(2)通過理論分析和數(shù)值仿真,系統(tǒng)分析了湍流條件下光場(chǎng)傳輸時(shí)相干性的變化特性�；诓糠窒喔晒鈧鬏敺治龅玫降慕Y(jié)果,深入研究了部分相干光用于外差探測(cè)時(shí)光源參數(shù)和湍流強(qiáng)度等因素對(duì)系統(tǒng)性能的影響,創(chuàng)新性的將湍流功率譜應(yīng)用于激光外差探測(cè)系統(tǒng)性能的分析上,理論分析得到的表達(dá)式便于分析失配角等因素對(duì)外差探測(cè)系統(tǒng)性能的影響。(3)根據(jù)隨機(jī)電磁光束理論,經(jīng)理論推導(dǎo)和數(shù)值分析,研究了電磁光束在真空及湍流中傳輸時(shí)偏振變化的物理本質(zhì),創(chuàng)新性的從理論上分析了湍流條件下隨機(jī)電磁光束用于外差探測(cè)時(shí)系統(tǒng)的性能,基于理論結(jié)果仿真分析了光源參數(shù)、湍流條件、探測(cè)器尺度等對(duì)外差探測(cè)系統(tǒng)性能的影響。(4)激光器產(chǎn)生激光時(shí)伴隨著各種隨機(jī)因素,這些隨機(jī)因素致使激光源存在一定的線寬。本文根據(jù)統(tǒng)計(jì)理論,深入分析了激光線寬對(duì)激光外差探測(cè)系統(tǒng)探測(cè)性能的影響,討論了不同線寬下外差探測(cè)系統(tǒng)輸出中頻信號(hào)的檢測(cè)問題,并討論了噪聲對(duì)中頻信號(hào)檢測(cè)結(jié)果的影響。在理論分析的基礎(chǔ)上,開展了8.1km激光外差探測(cè)外場(chǎng)實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)所得結(jié)果表明,激光線寬不是限制激光外差探測(cè)系統(tǒng)作用距離的決定性因素。(5)湍流的隨機(jī)起伏會(huì)造成光場(chǎng)波前的畸變,并引起光場(chǎng)的閃爍、光束擴(kuò)展、光束漂移等湍流效應(yīng)。深入研究湍流對(duì)外差探測(cè)系統(tǒng)性能的影響,有助于提出方案抑制或改善大氣湍流對(duì)外差探測(cè)系統(tǒng)性能的影響。本文基于Rytov近似理論分析了大氣湍流對(duì)外差探測(cè)系統(tǒng)性能的影響。因湍流理論只適用于弱中湍流條件,為分析強(qiáng)湍流對(duì)外差探測(cè)系統(tǒng)性能的影響,本文借助于模擬的隨機(jī)相位屏進(jìn)行了仿真分析。同時(shí),使用靜態(tài)相位屏模擬大氣湍流,實(shí)驗(yàn)研究了湍流下外差探測(cè)系統(tǒng)的性能表現(xiàn)。(6)光學(xué)系統(tǒng)不可避免的會(huì)存在像差,分析不同類型像差對(duì)外差探測(cè)性能的影響可以指導(dǎo)外差用光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化。根據(jù)像差理論,系統(tǒng)分析了不同像差下平面波、高斯光束用于外差探測(cè)時(shí)系統(tǒng)的性能,所得結(jié)果表明球差、離焦對(duì)系統(tǒng)性能影響較大。因大氣湍流和像差在本質(zhì)上都是引起光場(chǎng)波前畸變,本文用仿真分析的方式研究了湍流條件下像差對(duì)外差探測(cè)系統(tǒng)性能的影響。本文從外差探測(cè)系統(tǒng)用激光源、光束傳輸環(huán)境、光學(xué)系統(tǒng)三個(gè)方面綜合分析了激光外差探測(cè)系統(tǒng)存在的光學(xué)影響因素,通過理論分析、數(shù)值仿真、實(shí)驗(yàn)研究為激光外差探測(cè)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展提供了必要的技術(shù)儲(chǔ)備。
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【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院研究生院(長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TN249
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本文編號(hào)：1391958