激光多普勒雷达光学接收系统的设计

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1、 激光多普勒雷达光学接收系统的设计激光多普勒雷达光学接收系统的设计 摘摘 要要 激光多普勒雷达，就是利用多普勒效应进行定位，测速，测距等工作的雷 达。它由激光发射机、光学接收机、转台和信息处理系统等组成，其中光学接 收系统是激光多普勒雷达的重要部件之一，其成像质量的好坏直接决定了激光 多普勒雷达的性能。 本文设计一个相对孔径 D/f=1.125，视场为20的激光多普勒雷达光学接 收系统。通过方案选择和比较，选择了折射式系统作为接收系统的结构。本文 采用 ZEMAX 软件进行模拟设计，根据设计参数要求，通过查找光学镜头手册选 定了一个符合要求的初始镜头结构。首先将初始结构参数输入到 ZEMAX

2、软件中， 然后采用透镜组整体弯曲的方法进行了像差校正，使得系统的球差、彗差、象 散、场曲和畸变减小到一个较小值，最后采用软件自动优化程序，得到了一个 成像质量满足要求的光学系统。论文最后还进行了对样板、公差分析以及绘制 了光学系统图和零件图。 最终，设计出的光学系统的焦距为 80mm，入瞳孔径是 90mm，视场角为 40， 视场在 00,0.7070，1.4140,20弥散斑大小分别为 13.289um，14.711um，20.797um,34.094um， MTF 值在 100lp/mm 分别为 0.7，0.7,0.6.0.5 满足弥散斑直径小于 400um，MTF 在 100 lp/mm

3、大于 0.3 的 技术指标，最终设计的光学系统达到了设计要求。 关键词：关键词：激光多普勒雷达；光学接收系统；像差校正；光学设计；ZEMAX Laser Doppler radar optical receiver system design Abstract Laser Doppler radar can do positioning, velocity, ranging using the Doppler effects. It includes the laser transmitter, optical receiver, turntable and information proce

4、ssing systems, in which the optical receiving system is one of the important components of the laser Doppler radar. The image quality of optical receiver system directly determines the performance of the laser Doppler radar. A relative aperture of the D / f = 1.125, field of view of 20 laser Doppler

5、 radar optical receiver system is designed, Through comparing and choosing the program the refraction system is selected as the structure of the receiving system author use the ZEMAX software doing analog design. First the initial structural parameters are inputted to the ZEMAX software. And then do

6、 aberration correction through the curved lens group as a whole making the system of spherical aberration, coma, astigmatism, field curvature and distortion which is reduced to a smaller value. Finally, author use the software automatically optimize procedures, an imaging optical system is generated

7、 which quality meet the requirements Ultimately, author design an optical system whose focal length is 80mm, the relative aperture is 90mm and the field of view is20. The diffuse spot size is 13.289um in the field of 00 The diffuse spot size is 14.711um in the field of 0.7070 The diffuse spot size i

8、s 20.797um in the field of 1.4140 The diffuse spot size is 34.094um in the field 20.MTF values is 0.7 at 100lp/mm in the field of 00 and 0.7070, .MTF values is 0.6 at 100lp/mm in the field of 1.4140. MTF values is 0.5at 100lp/mm in the field of 20.MTF at 100 lp / mm is greater than 0.3 of the techni

9、cal indicators and the diffuse spot size meet the diffuse spot diameter of less than 400um. Key words : Laser Doppler radar Optical receiver system; optimization; optical design; Zemax 目目 录录 中文中文摘要摘要 .(I I) 英文摘要英文摘要.(II) 1 绪论.（1) 1.1 前言(1) 1.2 国内外相关技术及发展概况(1) 1.3 本课题的主要研究内容(3) 2 2 像差分析和像质评价方式像差分析和像质

10、评价方式 .(4) 2.1 像差概述(4) 2.2 几何像差(4) 2.2.1 球差(4) 2.2.2 彗差.(5) 2.2.3 象散和场曲.(6) 2.2.4 畸变.(6) 2.2.5 色差.(7) 2.3 像质的评价(8) 3 3 光学接收系统的设计光学接收系统的设计 .(10) 3.1 典型的激光多普勒雷达及其工作原理(10) 3.1.1 典型的相干探测方式(10) 3.1.2 典型的非相干探测方式(10) 3.2 物镜的选取(12) 3.3 初始结构的确定(13) 3.3.1 系统数据的输入(14) 3.3.2 光学系统的透镜数据输入.(17) 3.4 像差校正(21) 3.5 系统优

11、化.（24) 4 4 公差分析和图纸绘制公差分析和图纸绘制 .(30) 4.1 光学系统公差的制定方法和原则(30) 4.2 公差分析(30) 4.3 光学零件图的标注(31) 4.4 总结(35) 5 5 结论结论 .(36) 致谢致谢 .(37) 参考文献参考文献 .(38) 毕业设计（论文）知识产权声明毕业设计（论文）知识产权声明 .(40) 毕业设计（论文）独创性声明毕业设计（论文）独创性声明 .(41) 附录附录 1 1 绪论绪论 1.1 前言 激光多普勒雷达被证明是遥测风场和运动目标速度的有力工具。1987 年首 次报道了美国 NASA 支持的相干多普勒激光雷达研究，采用了波长 1

12、.06 um Nd：YAG 固体激光器1。由于具有高信噪比，等效噪声功率接近理论极限：外 差探测得到中频信号，可压缩接收带宽，便于频率探测等特点，早期的多普勒 激光雷达大多为基于波长 9.1 或 10.6 um 连续或脉冲 CO2激光器的相干探测方 式2-5。近年来，光电探测技术飞速发展使得采用非相干(直接探测)技术成为一 种必然趋势。与非相干(直接探测)式的多普勒激光雷达相比，相干激光雷达对 窄线宽脉冲激光技术和光学对准要求相当苛刻。采用二极管抽运、单纵模、超 频率稳定性、长寿命的 YAG 固体激光器6-7与 CO 激光器相比具有明显的优点， 2 例如光学材料耗费少，结构紧凑，脉冲重复频率高

13、，可使用室温探测器，光学 对准要求不苛刻。自 20 世纪 90 年代，非相干脉冲固体激光多普勒雷达得到快 速发展8-9，主要用于测量大气风场。由于非相干固体激光多普勒雷达具有体积 小、短波长工作、距离分辨率和测量精度相对较高等特点，因此该种多普勒激 光雷达系统可用于机场、导弹和火箭发射场等局部区域的风场测量，以及火箭、 导弹等目标移动速度的遥测。 1.2 国内外相关技术及发展概况 激光多普勒雷达以激光作为辐射源，由于激光具有极好的单色性、定向性 和相干性，所以与传统的微波雷达相比，激光多普勒雷达具有极好距离分辨率、 角分辨能力和速度。激光多普勒雷达技术是遥感信息获取的最新手段，具有巨 大的市场

14、需求，特别是在军事领域，更有广泛的应用10。 在国外，美国的激光多普勒雷达发展较快，1992 年，美国海军演示利用主 动三维成像激光雷达和被动红外成像仪远距离识别空中和地面目标。该演示计 划使用的激光多普勒雷达采用输出功率 100 w 的 CO2 激光器和工作在 3.8- 4.5um 波段的 256256 焦平面凝视阵列。发射机和接收机共用一个孔径和分辨 率 4 mrad 的灵活光束控制反射镜。在 1996 年的时候，美国自主研发了以 CO2 气体激光器发射的 10.6 um 激光为辐射源的激光雷达11。发射和接收的共用的 望远孔径是 1.2 m，平均发射连续波功率为千瓦级，工作距离可达到 1

15、000 km。 此雷达系统被用于美国海军航空兵预备役中队，以外差探测的方式，跟踪探测 目标精度可达到 1。随后两年，美国把激光测距机安装在“眼镜球蛇”预urad 警机上，而预警机 上也安装了以：泵浦，波长为 1.571 um 的 KTP 光参量振荡器为发射源NdYAG 的红外/激光多普勒雷达系统。此探测系统以直接探测的方式，脉冲能量可达到 600，接收面积的直径为 20 cm，工作探测距离范围 100 km 至 1000 km，跟mJ 踪目标的探测精度可达到 5，这标志着激光多普勒雷达技术在远程空基方urad 向有了新进展12。另外，美国休斯公司研制的激光测距仪系统，可以装载在坦 克、装甲车上

16、，是当前最先进的测距设备。地面车载的脉冲激光测距仪最大测 程为 4 km 至 10 km，激光测距目标的精度参数可达到5 m 至 10 m。激光器的 重复频率是 0.1 Hz 至 1 Hz，束散角的范围为 0.4 至 1。脉冲激光测mradmrad 距仪使用在对空火炮和导弹防御方面。此激光测距仪的最大测程为 4 km 至 20 km，激光测距目标的精度参数可达到2.5 m 至 5 m。激光器的重复频率范围为 6 Hz 至 20 Hz，束散角范围可达到 0.5至 2.5。未来美国国防部打算mradmrad 为战术自动目标识别系统(ATR)设计三维成像激光雷达作为三维传感器13。 国内也不断的研究激光多普勒雷达，国内许多大学、研究所也取得了一定 的成果。中科院安徽光机14所研制出一台探测对流层下部尤其是大气边界层污 染物的车载测污激光雷达系统(AML-1)。该系统以孔径为 300 mm 的近牛顿型望 远镜作为激光多普雷达探测系统的接收镜。车载测污激光多普勒雷达系统的光 学接收系统使用小孔光阑并放在焦平面上，来限制视场角和通光孔径。在 0.