光學系統(tǒng)作為激光雷達的核心部分，它的設計優(yōu)劣直接關系到激光雷達的性能和質量。本文主旨是將光學設計軟件應用于激光雷達的光學系統(tǒng)中，利用光學設計軟件強大的功能對系統(tǒng)設計建模，并優(yōu)化改善光學效率。 本課題研究的水汽、云和氣溶膠探測激光雷達一部主要用于探測水汽的拉曼激光雷達，由于水汽在大氣中含量少，并且水汽拉曼信號十分微弱，所以回波信號的接收效率對于拉曼激光雷達系統(tǒng)至關重要。本套激光雷達系統(tǒng)的接收部分的設計較為復雜，除接收水汽信號外，還探測氣溶膠、云等大氣信息，因此盡管系統(tǒng)的主要設計已經成型，還需對系統(tǒng)進行模擬優(yōu)化。本文將激光雷達接收系統(tǒng)分成三個部分——光纖耦合系統(tǒng)，望遠鏡端口系統(tǒng)，光譜分光系統(tǒng)，一共包括6個通道——三個拉曼通道，一個1064通道，兩個532偏振通道。 在光學設計軟件ZEMAX的幫助下，對系統(tǒng)各個不同通道的光路光線追跡，逐步分析像差和成像光斑能量，以提高探測器的能量為目標，優(yōu)化設計，確定了整個接收系統(tǒng)的相關參數(shù)，為系統(tǒng)的組裝提供了參考依據(jù)。 本文使用ZEMAX軟件實現(xiàn)了對幾何重疊因子的模擬。由于本套拉曼系統(tǒng)初始的設計下的近場信號接收效率偏低，通過詳細分析光纖端面的側向和軸向偏移、望遠鏡傾斜等方法，從理論上精確的增加了近場回波信號的接收效率。同時探討并驗證了側向偏移光纖端面與傾斜望遠鏡光軸這兩種提高近場接收效率的方法的結果是等效的，并提出用偏移光纖端面來替代傾斜望遠鏡或激光束光軸的做法，這樣不僅能簡化操作系統(tǒng)的組裝、光路的準直，并能提高系統(tǒng)的裝配穩(wěn)定性。
【學位單位】：中國海洋大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2013
【中圖分類】：TN958.98;P716.3
【部分圖文】：

.2 ZEMAX 簡介本文使用的光學設計軟件是由 Focus Software 公司推出的 ZEMAX 軟件，其戶界面簡便直觀，擁有 SE(標準版)、XE（完整版）和 EE（專業(yè)版）三個版本。MAX 軟件可模擬反射、折射、衍射、分光、鍍膜等光學系統(tǒng)模型，并分析各像差等等[20]，由于其優(yōu)越的性價比，近幾年來 ZEMAX 在光學設計領域所占額越來越大。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 以面作為對象來構建一個光系統(tǒng)模型。許多復雜的棱鏡系統(tǒng)、照明系統(tǒng)等需采用非序列模式來進行系統(tǒng)建，在這種模式下，ZEMAX 以物體為對象，沿著自然可實現(xiàn)的路徑進行追跡[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 激光主要用于探測水汽在大氣中的含量，由于水汽主要存在于對流層，水汽通道探測的高度是從地面到高空 5km；532nm，1064nm 的激光探測云、氣溶膠等大氣信息，該通道探測高度目標是從地面到 15km 的高空。大氣回波信號由四個牛頓式望遠鏡接收，其中一個望遠鏡不僅接收拉曼散射光，同時也接收 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，回波信號進入光譜分光系統(tǒng)分光后，送入三個探測通道——H2O、N2、O2通道。532nm 回波信號經濾波片、偏振分光器，將信號分為平行態(tài) 532nm 和垂直態(tài)的 532nm 信號光。1064nm 的回波信號經濾波片后，由探測器接收。整個接收系統(tǒng)一共有 6 個探測通道。本文將整個接收系統(tǒng)分為三個子系統(tǒng)，分別是光纖耦合系統(tǒng)，望遠鏡端口系統(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，信號的損失，視場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，視場角減小幾何重疊因子，所以本系統(tǒng)選取了口選擇 4 個牛頓式望遠鏡組合排列的模式，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1。
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本文編號：2866214