專利名稱：一種2μm相干激光測風(fēng)雷達(dá)離軸卡塞格倫光學(xué)天線系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種2 μ m相干激光測風(fēng)雷達(dá)光學(xué)天線系統(tǒng)，特別是一種收發(fā)合置的 2 μ m相干激光測風(fēng)雷達(dá)離軸式卡塞格倫光學(xué)天線系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
光學(xué)天線是激光測風(fēng)雷達(dá)系統(tǒng)中的關(guān)鍵系統(tǒng)之一，它不僅是完成光束的發(fā)射接收 混頻的有效媒介，而且對于系統(tǒng)的性能具有很大的影響。光學(xué)系統(tǒng)是整個激光雷達(dá)系統(tǒng)中必不可少的一部分，激光雷達(dá)的光學(xué)系統(tǒng)的作用 是用來完成對信號光束的發(fā)射，接收以及與本振光束進(jìn)行相干混頻。激光雷達(dá)的光學(xué)天線 系統(tǒng)主要包括兩部分，發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)和接收光學(xué)系統(tǒng)。發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)由激光器、擴(kuò)束器、望 遠(yuǎn)鏡組成；接收光學(xué)系統(tǒng)由望遠(yuǎn)鏡，會聚透鏡組成；光學(xué)系統(tǒng)的工作過程為激光器所發(fā)射 的出射光束首先經(jīng)預(yù)擴(kuò)束鏡擴(kuò)束，擴(kuò)束后的光束經(jīng)分束器分成發(fā)射光束和本振光束兩部 分，發(fā)射光束通過主發(fā)射天線發(fā)射出去照射目標(biāo)，發(fā)射光束在目標(biāo)表面的后向散射光束經(jīng) 同一個天線系統(tǒng)接收，接收到的信號光束與本振光束在會聚透鏡表面進(jìn)行混頻，最終被探 測器所接收。預(yù)擴(kuò)束的基本形式分為兩種反射式和透射式，反射式系統(tǒng)存在的缺點(diǎn)對于擴(kuò)束系 統(tǒng)可以說是致命的，反射式的擴(kuò)束系統(tǒng)存在中心遮攔，這對于光束能量成高斯分布的發(fā)射 光束的影響是極大的，中心部分的遮攔會使得大部分的發(fā)射光束能量被擋掉，極大地影響 了雷達(dá)系統(tǒng)的性能。透射式系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式分為開普勒式和伽利略式兩種，他們之間的明顯差別在于 開普勒式的望遠(yuǎn)鏡在光路中存在實(shí)焦點(diǎn)，而伽利略式望遠(yuǎn)鏡的光路中沒有實(shí)焦點(diǎn)，對于相 同入射口徑和放大倍率的兩系統(tǒng)來說，顯然具有虛焦點(diǎn)的伽利略式系統(tǒng)的系統(tǒng)長度要小于 開普勒式，同時(shí)對于激光光學(xué)系統(tǒng)，考慮到激光具有高能量密度，因此應(yīng)盡量在激光光學(xué)系 統(tǒng)中使用具有虛焦點(diǎn)的伽利略式系統(tǒng)。透射式的系統(tǒng)對于大口徑的天線系統(tǒng)是不合時(shí)宜的，因?yàn)榇罂趶降耐哥R系統(tǒng)加工 困難，加工成本高，尤其是對紅外系統(tǒng)可選擇的紅外材料更是少之又少。反射式系統(tǒng)的主要 優(yōu)點(diǎn)是可以制成大口徑，光能損失小，并且不存在色差，同時(shí)也存在視場小，體積大、費(fèi)用高 的缺點(diǎn)。反射式望遠(yuǎn)系統(tǒng)中比較常用的是雙反射系統(tǒng)，在雙反射鏡系統(tǒng)中入射光線首先遇 到的反射鏡叫主鏡，第二個反射鏡叫次鏡。常見的雙反射鏡系統(tǒng)有卡塞格倫系統(tǒng)、格里高利 系統(tǒng)。卡塞格倫系統(tǒng)典型的卡塞格倫系統(tǒng)的主鏡是拋物面，次鏡是凸雙曲面反射鏡，雙 曲面的一個焦點(diǎn)與拋物面主鏡的焦點(diǎn)重合，則雙曲面的另一個焦點(diǎn)便是整個物鏡系統(tǒng)的焦 點(diǎn)了，此時(shí)形成的象沒有球差?？ㄊ舷到y(tǒng)的次鏡位于主鏡焦點(diǎn)之內(nèi)，次鏡的橫向放大率>0， 整個系統(tǒng)的焦距是正的(系統(tǒng)后主面在后焦點(diǎn)之左)，因而整個系統(tǒng)所成的象是倒像?？?氏系統(tǒng)多了一個次鏡，因而可以比牛頓系統(tǒng)更好的校正軸外像差。它的優(yōu)點(diǎn)是象質(zhì)好，鏡筒短，焦距長，而且焦點(diǎn)可以在主鏡后面，便于在焦點(diǎn)處放置紅外探測器。如果兩個反射鏡都用一般的非球面鏡，則系統(tǒng)能做到既無慧差也無球差。這類系 統(tǒng)又稱里奇-克瑞欽(Ritchey-Chretien)型系統(tǒng)。另外一種常見的卡氏系統(tǒng)是由非球面 主鏡和球面次鏡組成的道爾-克哈姆(Dall-Krikham)系統(tǒng)，其非球面主鏡能消除系統(tǒng)的球 差。這種系統(tǒng)和典型的卡氏系統(tǒng)有大致相同的彗差，只是由于采用球面次鏡，制造容易得 多。本系統(tǒng)所采用的結(jié)構(gòu)形式就是離軸的Dall-Krikham系統(tǒng)，其主面采用橢球面，次鏡采 用球面，這樣能夠有效地減小系統(tǒng)的加工成本。格里高利系統(tǒng)典型的格里高利系統(tǒng)是由一個拋物面主鏡和一個凹橢球面次鏡組 成，使最終的像沒有球差。這種系統(tǒng)的次鏡放在主鏡焦點(diǎn)之外，次鏡的橫向放大率β >0， 整個系統(tǒng)的焦距f是負(fù)的，因而整個系統(tǒng)成正像。和卡氏系統(tǒng)相比，格氏系統(tǒng)的缺點(diǎn)是其長 度較長，若格氏系統(tǒng)兩面都采用橢球面則系統(tǒng)可以既無球差有無彗差。共軸雙反射系統(tǒng)的一個明顯的缺點(diǎn)是次鏡把系統(tǒng)中心的一部分光束擋掉，并且隨 著視場和相對孔徑的變大，像質(zhì)迅速惡化。尤其是對發(fā)射系統(tǒng)，對于采用基模高斯光束，即 使中心被遮擋很小一部分光束，所造成的能量損失也是很大的，對于激光系統(tǒng)為避免中心 擋光造成的能量損失，雙反射系統(tǒng)應(yīng)該采用離軸形式。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的任務(wù)是提供一套波前差小于λ /20的收發(fā)合置的2 μ m相干激光雷 達(dá)光學(xué)天線系統(tǒng)，主天線采用離軸卡塞格倫的雙發(fā)射式結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的另一任務(wù)是提供一種小型化的預(yù)擴(kuò)束系統(tǒng)，預(yù)擴(kuò)束系統(tǒng)采用的是無實(shí)焦 點(diǎn)的伽利略式的透射式望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)。一方面，本發(fā)明提供了一種2 μ m相干激光測風(fēng)雷達(dá)離軸卡塞格倫光學(xué)天線系統(tǒng)， 其特征在于該2 μ m相干激光測風(fēng)雷達(dá)離軸卡塞格倫光學(xué)天線系統(tǒng)包括光學(xué)天線主鏡和 次鏡，還包括用于將激光器輸出光束進(jìn)行擴(kuò)束的預(yù)擴(kuò)束系統(tǒng)，所述預(yù)擴(kuò)束系統(tǒng)包括擴(kuò)束目 鏡和物鏡。所述光學(xué)天線采用收發(fā)合置的離軸卡塞格倫的雙發(fā)射式結(jié)構(gòu)，雙反射系統(tǒng)中采 用二次曲面來達(dá)到消除各種初級象差，發(fā)射系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計(jì)主要考慮激光的光束截?cái)嘁约?激光照射到目標(biāo)后的散斑效應(yīng)。發(fā)射光學(xué)天線系統(tǒng)的入射光束直徑10mm，發(fā)射光學(xué)天線 系統(tǒng)放大倍數(shù)為15倍，主鏡口徑為160mm，有效口徑為150mm;次鏡口徑為12. 7mm，有效孔 徑為10mm。主鏡和次鏡都選用的非球面面型均為二次拋物面。主鏡面型為拋物面，主鏡 頂點(diǎn)曲率半徑1500mm，主鏡的離軸量為190mm，次鏡面型同樣為拋物面，次鏡頂點(diǎn)的曲率半 徑100mm，次鏡的離軸量為12. 67mm。系統(tǒng)視場角為0. lmrad，達(dá)到了衍射極限水平；接收光 學(xué)天線有效主口徑為150mm，瞬時(shí)視場角與相干接收視場角匹配2 ω = 0. 017mrad，系統(tǒng)有 效焦距f' = 4500mm，成像質(zhì)量要求達(dá)到衍射極限水平，波前畸變要求小于λ/20;預(yù)擴(kuò)束 系統(tǒng)來對激光器輸出激光束進(jìn)行預(yù)擴(kuò)束，不僅壓縮激光束的束散角，明顯提高了激光的利 用率。所述預(yù)擴(kuò)束系統(tǒng)的入瞳口徑為4mm，出瞳口徑為10mm，考慮到最終的裝調(diào)，鏡片的實(shí) 際口徑統(tǒng)一在6. 35mm。對于器件的裝調(diào)綜合考慮最終選擇透鏡套筒有效口徑為11mm，透 鏡筒內(nèi)口徑為13mm。當(dāng)光學(xué)天線系統(tǒng)的有效口徑為150mm，波長為2 μ m，作用距離為R = 1 □ IOkm時(shí)，在弱湍流C 2=1(T15情況下，系統(tǒng)的天線效率為0.51，在強(qiáng)湍流C 2=1(T13下，系統(tǒng) 的天線效率為0. 03。其中，2 μ m線偏振激光器發(fā)射激光經(jīng)預(yù)擴(kuò)束系統(tǒng)擴(kuò)成所需的光斑大小，擴(kuò)束后激光入射到光學(xué)天線系統(tǒng)次鏡反射面上，被次鏡反射的光又入射到光學(xué)天線系 統(tǒng)主鏡反射面上，光束經(jīng)過次鏡和主鏡組成的光學(xué)天線系統(tǒng)被再次放大。。上述的光學(xué)天線系統(tǒng)中，所述光學(xué)天線主鏡由特殊材料制成，所述特殊材料包括 玻璃、融石英、硅片、透明塑料和熱膨脹系數(shù)小的金屬材料。上述的光學(xué)天線系統(tǒng)，所述光學(xué)天線主鏡反射表面鍍有增加激光器輸出激光束反 射效率的高反膜。進(jìn)一步地，所述光學(xué)天線主鏡反射表面面型為球面、橢球面、雙曲面和拋物面。上述的光學(xué)天線系統(tǒng)中，所述光學(xué)天線次鏡由特殊材料制成，所述特殊材料包括 玻璃、融石英、硅片、透明塑料和熱膨脹系數(shù)小的金屬材料。所述光學(xué)天線次鏡反射表面鍍有增加激光器輸出激光束反射效率的高反膜。進(jìn)一步地，所述光學(xué)天線次鏡反射表面面型為球面、橢球面、雙曲面和拋物面。另一方面，本發(fā)明還提供了一種小型化的預(yù)擴(kuò)束系統(tǒng)，所述預(yù)擴(kuò)束系統(tǒng)將激光器 輸出激光束按照放大倍數(shù)進(jìn)行擴(kuò)束，之后將擴(kuò)束的激光束注入到上述光學(xué)天線系統(tǒng)中。本發(fā)明提出了一種離軸式卡塞格倫光學(xué)天線系統(tǒng)設(shè)計(jì)的想法。采取上述技術(shù)方案，可以成功地彌補(bǔ)一般光學(xué)天線系統(tǒng)口徑小，光能損失大，像差 過大，視場小，體積大、費(fèi)用高，像質(zhì)差，存在中心遮擋等缺點(diǎn)。所設(shè)計(jì)的離軸式卡塞格倫光 學(xué)天線系統(tǒng)具有是象質(zhì)好，鏡筒短，焦距長，不存在中心遮擋，而且焦點(diǎn)可以在主鏡后面，便 于在焦點(diǎn)處放置紅外探測器的優(yōu)點(diǎn)。在激光雷達(dá)領(lǐng)域具有很高的實(shí)用價(jià)值。采取上述技術(shù)方案，還可以擴(kuò)束系統(tǒng)來對激光器輸出激光束進(jìn)行預(yù)擴(kuò)束，不僅壓 縮激光束的束散角，明顯提高了激光的利用率，而且成功地解決了彌補(bǔ)一般光學(xué)天線系統(tǒng) 放大倍數(shù)的不足的問題。


以下，結(jié)合附圖來詳細(xì)說明本發(fā)明的實(shí)施例，其中圖1是激光擴(kuò)束器設(shè)計(jì)結(jié)果的幾何結(jié)構(gòu)圖；圖2是激光擴(kuò)束器設(shè)計(jì)結(jié)果點(diǎn)列圖分析；圖3是激光擴(kuò)束器設(shè)計(jì)結(jié)果波前差分析；圖4是反射系統(tǒng)光路示意圖；圖5是望遠(yuǎn)鏡設(shè)計(jì)結(jié)果的幾何結(jié)構(gòu)圖；圖6是望遠(yuǎn)鏡設(shè)計(jì)結(jié)果點(diǎn)列圖分析；圖7是望遠(yuǎn)鏡設(shè)計(jì)結(jié)果波前差分析；圖8是接收系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)果的幾何結(jié)構(gòu)圖；圖9是接收系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)果的點(diǎn)列圖分析；圖10是接收系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)果的波前差分析；圖11是光學(xué)系統(tǒng)的天線效率分析圖。
具體實(shí)施例方式雙反射系統(tǒng)中多采用二次曲面來達(dá)到消除各種初級象差的目的，二次曲面面型相 對與傳統(tǒng)的球面面型具有更高的消象差能力，因此在雙反射系統(tǒng)中得以廣泛應(yīng)用。非球面系統(tǒng)的象差性質(zhì)類似于球面系統(tǒng)，但象差的分布值與球面系統(tǒng)不同。為求出對稱非球面的 初級象差分布值，可以把非球面看作是由球面與一個中心厚度為無限薄的校正板之疊合。
反射系統(tǒng)中的二次曲面面型是指軸對稱的光學(xué)系統(tǒng)其子午面的截線方程為二次 曲面形式，若定義曲面的軸向?yàn)閄軸同時(shí)也是軸對稱系統(tǒng)的光軸，并且坐標(biāo)原點(diǎn)取在曲面 頂點(diǎn)，任意一個非球面可表示為
,6 ■
⑴
(3)X1 ^ y2+By4+Cy6在坐標(biāo)原點(diǎn)與非球面相切的球面方程為γ2 = 2r0x-x2(2)它的級數(shù)展開形式可以寫成比較上面兩式，可把非曲面系數(shù)B、C等寫成下面的形式5 = + =(4)
°ro°ro= + ^(5)其中Γ(ι為近軸部分等價(jià)于球面的曲率半徑，e2為二次曲面的偏心率，用來表示與 球面的偏離程度，當(dāng)e2 = 0時(shí)為球面，e2 < 1時(shí)為橢球面，e2 = 1時(shí)為拋物面，e2 > 1時(shí)為 雙曲面。系數(shù)b、c等統(tǒng)稱為變形系數(shù)，它標(biāo)志了與球面的差異，當(dāng)b = c = 0時(shí)，變形就消 失了。當(dāng)B =-1，C = -I時(shí)，曲面就是二次拋物面了。因此可以寫成
1 2 (1+幻 4 (1+C) 6((Λ
χ, = — ν +-~^y +-TlV +··■W
‘2r0 7 Sr03 少 16r05 ,(33)與(6)式相減得至I
+■
6 V-
C 5ro C 6 1-
+ 4
V-
I8
II
Δχ
式中，ΔΧ為中心無限薄的校正板的厚度增量。ΔΧ將引起附加光程差。當(dāng)只考慮
初級量時(shí)，可僅取第一項(xiàng)，其光程差為ΔΙ = (η'-η)ΔΛ = ( '- )-^7/(8)
8r0當(dāng)變形系數(shù)b和頂點(diǎn)曲率半徑Γ(ι 一定時(shí)，光程差Δ 1在初級近似下并不因彎曲而 變化，故在兩種情況下，初級象差是完全等價(jià)的。當(dāng)光闌處于非曲面頂點(diǎn)時(shí)，非球面與頂點(diǎn)曲率半徑相同的球面相比，多產(chǎn)生的初 級波象差為
L2AW = (n -n^y4 = -(η - )~h4y4(9)
8r0Br0式中h是近軸光線和校正板的交點(diǎn)高度，y是規(guī)化坐標(biāo)，而1是實(shí)際坐標(biāo)，？ = hy。相應(yīng)的初級相差系數(shù)增量為式(10)hz為第二近軸光線與校正板的交點(diǎn)高度。由 此可見，在初級象差范圍內(nèi)單個非球面只能用來校正一種初級象差，由于ASiv = 0，非球面 化不能改變初級場曲系數(shù)。當(dāng)光闌位于非曲面頂點(diǎn)時(shí)，校正板只能產(chǎn)生球差增量，隨著光闌 遠(yuǎn)離校正板，軸外象差增量也隨之增大，選擇合適的光闌位置，對于校正軸外象差是很重要(10)
的。顯然，非球面化對初級色差系數(shù)是無影響的C
rOr0
h
ASlll=ASi^f η -IASfiv =0
ASv=ASlAf h
AC1 =0 AC11 = 0球面反射鏡是最簡單的反射物鏡，它的象質(zhì)接近單透鏡，但沒有色差。若孔徑光闌 位于球心處，由于任一主光線(通過光闌中心)都可以作為此物鏡的光軸，因此任一角度投 射到物鏡的光束，其象質(zhì)都和軸上點(diǎn)的象質(zhì)一樣，這樣就在整個視場范圍內(nèi)得到均勻良好 的象質(zhì)。對于球面反射鏡，當(dāng)物體在無限遠(yuǎn)處，可把初級象差分布系數(shù)寫為 當(dāng)光闌處于球心時(shí)，主光線與球面法線重合，主光線入射角iz = 0，則上式中S =ASm = Sv，即沒有彗差，象散、畸變和色差。此時(shí)僅有球差和場曲，其球差值也比相同 口徑和相同焦距的透鏡小幾倍，象面呈球面，與反射鏡同心，象面曲率半徑為反射鏡半徑之 半，即等于反射鏡的焦距f'。繞X軸旋轉(zhuǎn)X =拋物線，就產(chǎn)生拋物面。所有平行于 光軸入射的光線均交于焦點(diǎn)f'。因此對于無限遠(yuǎn)軸上物點(diǎn)來說，拋物面反射鏡沒有像差， 象質(zhì)受衍射極限限制，彌散斑是艾里斑。因此拋物面反射鏡是小視場運(yùn)用的優(yōu)良物鏡。拋 物面反射鏡的焦點(diǎn)為頂點(diǎn)曲率半徑^的一半。拋物面的球差等于零，亦可以由非球面的初級象差理論導(dǎo)出。拋物面鏡的初級球 差值等于球面反射鏡的初級球差與校正板的初級球差之和。球面鏡的初級球差系數(shù)為 而校正板的初級球差系數(shù)增量Δ S1為
故拋物面反射鏡的球差系數(shù)S1+ Δ S1 = 0。當(dāng)光路中有多個非球面時(shí)，各單個面都產(chǎn)生一定的ASK(k=l，2，…)，總結(jié)果是 球面的Σ Sk和校正板的Σ Δ Sk之和。發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)主要包括兩部分預(yù)擴(kuò)束系統(tǒng)以及發(fā)射望遠(yuǎn)鏡。發(fā)射系統(tǒng)的參數(shù)設(shè) 計(jì)主要考慮激光的光束截?cái)嘁约凹す庹丈涞侥繕?biāo)后的散斑效應(yīng)。發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目 標(biāo)系統(tǒng)所用的激光器為半導(dǎo)體泵浦的2 μ m固體激光器，出射光束光斑大小為4mm，發(fā)散角 Imard0經(jīng)過發(fā)射系統(tǒng)后希望達(dá)到的目標(biāo)是發(fā)射光束直徑10mm，發(fā)射系統(tǒng)對光束放大15倍。圖1是激光擴(kuò)束器設(shè)計(jì)結(jié)果的幾何結(jié)構(gòu)圖。預(yù)擴(kuò)束系統(tǒng)實(shí)際上是一個固定放大倍 率的望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)，由它來完成對激光束的預(yù)擴(kuò)束，擴(kuò)束后的光束尺寸為信號光與本振光的 混頻光束尺寸。伽利略系統(tǒng)的設(shè)計(jì)指標(biāo)有兩個，一是入射光束的有效口徑，另一個就是光學(xué) 系統(tǒng)的放大倍率。已知激光器的參數(shù)為束腰直徑3mm，按1. 75倍的截?cái)啾仍O(shè)計(jì)擴(kuò)束鏡的入 瞳直徑為5. 25mm，放大倍率為2倍。擴(kuò)束系統(tǒng)也就是望遠(yuǎn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)該遵照的一個基本原則是物鏡與目鏡具有相 同的F數(shù)，這樣就可以保證入射的平行光最終平行射出。采用ZEMAX光學(xué)設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)的 參數(shù)如表1，設(shè)計(jì)波長為2 μ m，材料選擇了對紅外具有較高透過率的熔融石英。無特殊標(biāo)記 時(shí)下文中長度單位均為mm。表1激光擴(kuò)束鏡設(shè)計(jì)參數(shù)
曲率半徑厚度材料半口徑68.632.4熔融石英6.35-68.6346.5空氣6.35-13.83熔融石英6.35無窮大空氣6.35擴(kuò)束鏡設(shè)計(jì)中選擇的入瞳口徑為4mm，出瞳口徑為10mm，設(shè)計(jì)中考慮到最終的裝 調(diào)，所以鏡片的實(shí)際口徑統(tǒng)一在6. 35mm。對于器件的裝調(diào)綜合考慮最終選擇美國TH0RLABS 公司的透鏡套筒，其有效口徑為11mm，透鏡筒內(nèi)口徑為13mm，為配合兩透鏡系統(tǒng)的裝調(diào)，系 統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中對于透鏡間工作距離的確定也考慮了與裝配器件的配合。圖2是激光擴(kuò)束器設(shè)計(jì)結(jié)果的點(diǎn)列圖分析。設(shè)計(jì)中加入了一個理想的平面201用 來對平行光束進(jìn)行評價(jià)，從設(shè)計(jì)結(jié)果中可以看出點(diǎn)列圖均方根半徑為0. 485 μ m，均方根波 前差0. 0085wares，設(shè)計(jì)結(jié)果達(dá)到衍射極限水平。對系統(tǒng)進(jìn)行了公差分析，結(jié)果參見表2，從表中可以看出系統(tǒng)的加工及裝調(diào)誤差對 系統(tǒng)的影響分析，結(jié)果顯示，TIRY4的誤差對系統(tǒng)的影響最為大，當(dāng)公差級別變?yōu)?. Imm時(shí)， 可以看出系統(tǒng)的結(jié)果完全滿足設(shè)計(jì)時(shí)的要求。表2公差分析 圖5是望遠(yuǎn)鏡設(shè)計(jì)結(jié)果的幾何結(jié)構(gòu)圖。本系統(tǒng)所采用的結(jié)構(gòu)形式為收發(fā)合置的光 學(xué)天線結(jié)構(gòu)，發(fā)射和接收系統(tǒng)共用一個光學(xué)天線。主要完成將出射光束照射到目標(biāo)，并接收 從目標(biāo)表面返回的信號光束。由天線定理得出系統(tǒng)的接收口徑越小，所能接收到的瞬時(shí)視 場角越大，但系統(tǒng)口徑還受到激光散斑的影響。雷達(dá)孔徑面上斑紋場平均顆粒半徑 其中，λ為波長，θ為探測光束遠(yuǎn)場發(fā)散角全角。為了避免光電信號出現(xiàn)大的隨 機(jī)起伏，使信號光襯比度達(dá)到3dB較合適，因而由錯誤！未找到引用源。式，接收孔徑內(nèi)平 均斑紋顆粒數(shù)應(yīng)彡4。當(dāng)θ = 0. 053mrad, λ = 2 μ m時(shí)，代入上式得到平均斑紋顆粒半徑 r 25mm，因此，光學(xué)孔徑應(yīng)大于100mm。因此，設(shè)計(jì)采用的有效口徑為150mm。設(shè)計(jì)的發(fā)射 望遠(yuǎn)鏡采用的是離軸的卡塞格倫形式。主鏡和次鏡都選用的非球面面型均為二次拋物面， 對于望遠(yuǎn)系統(tǒng)能夠完全有效地消除系統(tǒng)球差。雙反射鏡系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，主要是根據(jù)紅外光學(xué)系統(tǒng)所要求的系統(tǒng)焦距f'，次鏡的橫 向放大率日2和遮攔比α來確定主鏡和次鏡的頂點(diǎn)曲率半徑Γ(Ι1，Γ(Ι2，變形系數(shù)ei2，e22以及 兩反射鏡之間的距離d。首先求出近軸關(guān)系的有關(guān)量，Γ(Ι2和d，然后根據(jù)消象差要求，求 出^2，％2，以確定反射鏡的面型。二次曲面的近軸區(qū)域可以看作是球面，因此可以用球面系統(tǒng)的理論加以討論，圖4 為雙反射系統(tǒng)的光路圖，光學(xué)系統(tǒng)的參數(shù)可以由圖4中的量給出，其中α =毛’ β。^(15)根據(jù)非球面的初級象差理論，當(dāng)雙反射系統(tǒng)作為望遠(yuǎn)鏡用時(shí)，可以求出系統(tǒng)的球 差系數(shù)和面型的關(guān)系，如下5i + + (16)從上面的公式中可以看出，系統(tǒng)用作望遠(yuǎn)鏡時(shí)，顯然β2 =⑴，若主鏡采用拋物面 即彳=1，系統(tǒng)要求消球差，代入上面的公式很容易可以得出4=1，即次鏡的二次曲面面型也 為拋物面。所以按照本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，雙反射式的望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式應(yīng)該是由兩個拋 物面型組成的卡塞格倫望遠(yuǎn)鏡。共軸的卡塞格倫系統(tǒng)存在著嚴(yán)重的中心遮擋，尤其是對高斯光束，中心的遮擋對 實(shí)際發(fā)射光能量的損失是很大的，因此把卡塞格倫系統(tǒng)用做發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)時(shí)，必須設(shè)計(jì)為 離軸系統(tǒng)。
離軸卡塞格倫系統(tǒng)的參數(shù)確定在天線口徑和放大倍率確定的情況下，卡塞格倫 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)主要包括，主鏡的拋物面中心的曲率半徑以及主鏡的離軸量(次鏡拋物面 中心的曲率半徑可以通過放大倍率求出)。主鏡的曲率半徑及離軸量主要受天線長度的限 制，從光學(xué)設(shè)計(jì)的象差分析來講，單純考慮消球差情況下，因?yàn)檫x擇的是拋物面鏡，因此，曲 率半徑的選擇與系統(tǒng)的象差沒有直接的關(guān)系?？紤]到系統(tǒng)的要求以及實(shí)際的加工條件確定 了主鏡的曲率半徑為1500mm，主鏡離軸量為190mm。前面已經(jīng)討論過離軸卡塞格倫天線系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)，綜合如下主鏡面型為拋物 面，主鏡頂點(diǎn)曲率半徑1500mm，主鏡的離軸量為190mm，次鏡面型同樣為拋物面，次鏡頂點(diǎn) 的曲率半徑100mm，次鏡的離軸量為12. 67mm。系統(tǒng)要求對0. Imrad視場，達(dá)到衍射極限。利 用ZEMAX軟件仿真設(shè)計(jì)過程中，通過在望遠(yuǎn)鏡后加入理想透鏡來檢驗(yàn)系統(tǒng)的成像質(zhì)量。圖6是望遠(yuǎn)鏡設(shè)計(jì)結(jié)果點(diǎn)列圖分析。從點(diǎn)列圖中可以看出系統(tǒng)達(dá)到衍射極限水 平，波前差幾乎為零，這與拋物面的等光程性是一致的。對系統(tǒng)進(jìn)行公差分析，結(jié)果如表3從表中可以看出對系統(tǒng)最終結(jié)果影響較大的是 主鏡的面型偏差，主鏡的傾斜，這就對拋物面主鏡的加工精度提出了較高的要求，主鏡的傾 斜可以通過調(diào)整次鏡來與主鏡面型匹配起到一定的校正效果。表3公差分析 圖8是接收系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)果的幾何結(jié)構(gòu)圖。本系統(tǒng)采用的是收發(fā)合置的光學(xué)天線系 統(tǒng)，從目標(biāo)表面反射回來的信號光通過主接收望遠(yuǎn)鏡與本振光束在會聚透鏡表面進(jìn)行相干 混頻最終成像到探測器上。接收光學(xué)系統(tǒng)的確定主要依據(jù)接收探測器的光敏面直徑，利用 它可以確定接收系統(tǒng)的總焦距f ‘，以及系統(tǒng)的瞬時(shí)視場角2ω。對于外差探測系統(tǒng)，光學(xué)天線必須符合天線定理的要求ΩΑ = Ω ‘ A' = KA2(17)式中，Ω為光束束散立體角，A為光束孔徑面積，Ω'為轉(zhuǎn)換后光束束散立體角， A'為轉(zhuǎn)換后孔徑面積，K為系數(shù)，對理想單模激光器，K近似為1。小角度時(shí)近似有Ω = JIU2(18)式中，u為與束散立體角對應(yīng)的平面半角。將式(17)用于接收系統(tǒng)，可寫出Ω = λ 2ZA0 = 4 λ 2/ π D02(19)式中，Atl為接收天線有效面積。根據(jù)式(17)和式(19)可得2u = 4 λ / Ji D0(20)式中，2u為滿足天線定理的接收系統(tǒng)平面角。只有在2u范圍內(nèi)接收的光線才是符 合外差相干條件的，超出此區(qū)域的光線均視為雜散光，在混頻面上有可能產(chǎn)生相消干涉，從而影響外差探測的探測能力。由式(20)可以看出，口徑Dtl越大，符合外差相干條件的接收 角就會越小。接收天線的有效口徑與發(fā)射天線的有效口徑一致，即Dtl= 150mm，可以得出滿足天
線定理的接收視場角 光學(xué)天線瞬時(shí)視場角應(yīng)與接收視場角匹配即2 ω = 2u，既而得出接收系統(tǒng)的有效 焦距為 主天線系統(tǒng)的放大倍率為15倍，因此對會聚系統(tǒng)其焦距為 接收光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)結(jié)。接收系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求接收天線主口徑Dtl= 150mm，瞬時(shí)視 場角與相干接收視場角匹配2 ω = 0. 017mrad，系統(tǒng)有效焦距f ‘ = 4500mm，成像質(zhì)量要求 達(dá)到衍射極限水平；波前畸變要求小于λ/20。利用ZEMAX光學(xué)設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行優(yōu)化仿真計(jì) 算得出接收系統(tǒng)的設(shè)計(jì)結(jié)果。圖9是接收系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)果的點(diǎn)列圖分析。從點(diǎn)列圖和波前差來看系統(tǒng)達(dá)到了設(shè)計(jì) 要求。對系統(tǒng)進(jìn)行公差分析，公差分析結(jié)果在表4中體現(xiàn)。表4公差分析 從結(jié)果中可以看出，對整個接收系統(tǒng)影響較大的因素是主鏡的面型和次鏡與主鏡 的對準(zhǔn)，接收系統(tǒng)對磨制拋物面主鏡的非球面度的精確度提出了更高的要求，并且對望遠(yuǎn) 系統(tǒng)的裝調(diào)也提出了更高的要求，由此也體現(xiàn)出了非球面系統(tǒng)的加工裝調(diào)與球面系統(tǒng)相比 存在更大的難度。圖11是光學(xué)系統(tǒng)的天線效率分析圖。通過前面分析知道，相干激光雷達(dá)系統(tǒng)的天 線效率不止與系統(tǒng)的外差效率有關(guān)還與系統(tǒng)的光束截?cái)嘤嘘P(guān)。上述的天線系統(tǒng)是按照上面 得到的系統(tǒng)最佳截?cái)啾仍O(shè)計(jì)的，光束截?cái)啾葹?. 75。已知高斯光束截?cái)嗨斐傻哪芰繐p失因子可以用下式表示 代入系統(tǒng)的截?cái)啾?，得到Tt = 0. 9548。利用收發(fā)合置系統(tǒng)下的外差效率計(jì)算公式得 其中，D為光學(xué)天線有效孔徑，R為作用距離，F(xiàn)光學(xué)系統(tǒng)焦距，S0(R)為大氣湍流 橫向相干長度，它的表達(dá)式為 若把折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)認(rèn)為是常數(shù)，這時(shí)它的橫向相干長度就簡化成pa(R) = 0.0966(c2nR/ λ2)'3'5(27)利用MATLAB仿真出系統(tǒng)的天線效率結(jié)果，這里用到的參數(shù)為，大氣折射率結(jié)構(gòu)常 數(shù)范圍約為10_15 □ 10_13之間，對與本系統(tǒng)光學(xué)天線的口徑Dtl = 150mm, λ = 2. 0 μ m，作用 距離為R= 1 □ IOkm時(shí)的天線效率。從圖中可以看出系統(tǒng)的天線效率受大氣湍流影響很 大，這與預(yù)期的結(jié)果是一致的。在弱湍流Cn2 =10_15情況下，系統(tǒng)的天線效率為0.51，在強(qiáng)湍流 C 2=1(T13下，系統(tǒng)的天線效率為0. 03。最后應(yīng)說明的是，以上各附圖中的實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的2μπι相干激光測 風(fēng)雷達(dá)離軸卡塞格倫光學(xué)天線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和技術(shù)方案，但非限制。盡管參照實(shí)施例對本發(fā) 明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者 等同替換，都不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍 當(dāng)中。
權(quán)利要求
一種2μm相干激光測風(fēng)雷達(dá)離軸卡塞格倫光學(xué)天線系統(tǒng)，其特征在于該2μm相干激光測風(fēng)雷達(dá)離軸卡塞格倫光學(xué)天線系統(tǒng)包括光學(xué)天線主鏡和次鏡，還包括用于將激光器輸出光束進(jìn)行擴(kuò)束的預(yù)擴(kuò)束系統(tǒng)，所述預(yù)擴(kuò)束系統(tǒng)包括擴(kuò)束目鏡和物鏡。所述光學(xué)天線采用收發(fā)合置的離軸卡塞格倫的雙發(fā)射式結(jié)構(gòu)，雙反射系統(tǒng)中采用二次曲面來達(dá)到消除各種初級象差，發(fā)射系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計(jì)主要考慮激光的光束截?cái)嘁约凹す庹丈涞侥繕?biāo)后的散斑效應(yīng)。發(fā)射光學(xué)天線系統(tǒng)的入射光束直徑10mm，發(fā)射光學(xué)天線系統(tǒng)放大倍數(shù)為15倍，主鏡口徑為160mm，有效口徑為150mm；次鏡口徑為12.7mm，有效孔徑為10mm。主鏡和次鏡都選用的非球面面型均為二次拋物面。主鏡面型為拋物面，主鏡頂點(diǎn)曲率半徑1500mm，主鏡的離軸量為190mm，次鏡面型同樣為拋物面，次鏡頂點(diǎn)的曲率半徑100mm，次鏡的離軸量為12.67mm。系統(tǒng)視場角為0.1mrad，達(dá)到了衍射極限水平；接收光學(xué)天線有效主口徑為150mm，瞬時(shí)視場角與相干接收視場角匹配2ω＝0.017mrad，系統(tǒng)有效焦距f’＝4500mm，成像質(zhì)量要求達(dá)到衍射極限水平，波前畸變要求小于λ/20；預(yù)擴(kuò)束系統(tǒng)來對激光器輸出激光束進(jìn)行預(yù)擴(kuò)束，不僅壓縮激光束的束散角，明顯提高了激光的利用率。所述預(yù)擴(kuò)束系統(tǒng)的入瞳口徑為4mm，出瞳口徑為10mm，考慮到最終的裝調(diào)，鏡片的實(shí)際口徑統(tǒng)一在6.35mm。對于器件的裝調(diào)綜合考慮最終選擇透鏡套筒有效口徑為11mm，透鏡筒內(nèi)口徑為13mm。當(dāng)光學(xué)天線系統(tǒng)的有效口徑為150mm，波長為2μm，作用距離為R＝1□10km時(shí)，在弱湍流 <mrow><msubsup> <mi>C</mi> <mi>n</mi> <mn>2</mn></msubsup><mo>=</mo><msup> <mn>10</mn> <mrow><mo>-</mo><mn>15</mn> </mrow></msup> </mrow>情況下，系統(tǒng)的天線效率為0.51，在強(qiáng)湍流 <mrow><msubsup> <mi>C</mi> <mi>n</mi> <mn>2</mn></msubsup><mo>=</mo><msup> <mn>10</mn> <mrow><mo>-</mo><mn>13</mn> </mrow></msup> </mrow>下，系統(tǒng)的天線效率為0.03。其中，2μm線偏振激光器發(fā)射激光經(jīng)預(yù)擴(kuò)束系統(tǒng)擴(kuò)成所需的光束，擴(kuò)束后激光入射到光學(xué)天線系統(tǒng)次鏡反射面上，被次鏡反射的光又入射到光學(xué)天線系統(tǒng)主鏡反射面上，光束經(jīng)過次鏡和主鏡組成的光學(xué)天線系統(tǒng)被再次放大。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)天線系統(tǒng)，其特征在于，所述光學(xué)天線主鏡由特殊材料 制成。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光學(xué)天線系統(tǒng)，其特征在于，所述特殊材料包括玻璃、融石 英、硅片、透明塑料和熱膨脹系數(shù)小的金屬材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光學(xué)天線系統(tǒng)，其特征在于，所述光學(xué)天線主鏡反射表面鍍 有增加激光器輸出激光束反射效率的高反膜。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光學(xué)天線系統(tǒng)，其特征在于，所述光學(xué)天線主鏡反射表面面 型為球面、橢球面、雙曲面和拋物面。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)天線系統(tǒng)，其特征在于，所述光學(xué)天線次鏡由特殊材料 制成。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的光學(xué)天線系統(tǒng)，其特征在于，所述特殊材料包括玻璃、融石 英、硅片、透明塑料和熱膨脹系數(shù)小的金屬材料。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的光學(xué)天線系統(tǒng)，其特征在于，所述光學(xué)天線次鏡反射表面鍍 有增加激光器輸出激光束反射效率的高反膜。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的光學(xué)天線系統(tǒng)，其特征在于，所述光學(xué)天線次鏡反射表面面 型為球面、橢球面、雙曲面和拋物面。
全文摘要
一種用于2μm相干激光測風(fēng)雷達(dá)系統(tǒng)光束發(fā)射的光學(xué)天線系統(tǒng)。其系統(tǒng)是一種離軸式卡塞格倫雙反射光學(xué)天線系統(tǒng)，系統(tǒng)中采用二次曲面來消除各種初級像差。其系統(tǒng)是由光學(xué)天線主鏡、光學(xué)天線次鏡、預(yù)擴(kuò)束系統(tǒng)目鏡和預(yù)擴(kuò)束系統(tǒng)物鏡構(gòu)成。本發(fā)明可以成功地彌補(bǔ)一般光學(xué)天線系統(tǒng)口徑小，光能損失大，像差過大，視場小，體積大、費(fèi)用高，像質(zhì)差，存在中心遮擋等缺點(diǎn)。所設(shè)計(jì)的離軸式卡塞格倫光學(xué)天線系統(tǒng)具有是像質(zhì)好，鏡筒短，焦距長，不存在中心遮擋，而且焦點(diǎn)可以在主鏡后面，便于在焦點(diǎn)處放置紅外探測器的優(yōu)點(diǎn)。在激光雷達(dá)領(lǐng)域具有很高的實(shí)用價(jià)值。
文檔編號G01S7/481GK101923159SQ20091021740
公開日2010年12月22日 申請日期2009年12月24日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月24日
發(fā)明者李彥超, 王春暉 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)