【《米散射激光雷达发射系统仿真案例分析》5400字】

米散射激光雷达发射系统仿真案例分析目录TOC\o"1-3"\h\u17695米散射激光雷达发射系统仿真案例分析 1229471.1激光器光束仿真 158221.1.1激光光束模型 3233371.1.2激光光束仿真 460551.2激光扩束准直系统仿真 736111.3激光扩束准直系统失调仿真 14米散射激光雷达的发射光学系统一般由激光器、扩束准直系统和反射镜组成，激光器出射的激光经扩束镜和反射镜扩束反射后射向大气介质，大气介质与激光的相互作用产生回波信号。本章将对北京理工大学激光雷达实验室的拉曼-米散射激光雷达的发射光学系统进行仿真优化。1.1激光器光束仿真激光器凭借激光单色性好、方向性好和相干性强等优点成为激光雷达系统大气遥感探测的重要保障，激光器出射的光束能量和光束质量直接影响激光雷达系统的探测精度和探测距离。Nd：YaG固体脉冲激光器凭借（1）高光束质量，接近衍射极限的高斯光束输出；（2）高输出能量，单脉冲能量达到上百mJ；（3）脉冲宽度短，重复频率高；（4）使用寿命长（5）结构紧凑、体积小等优势被广泛应用在激光雷达系统中。激光器在激光雷达系统中的应用主要考虑的参数是光束质量、输出能量、输出光束直径和输出发散角。激光作为光源与其他光源的最大区别之一是激光由谐振腔，其作用是通过对腔内振荡光束的方向和频率限制从而获得单色性好、方向性好和相干性强的激光。激光在谐振腔内每次被反射镜反射，相当于一次发生衍射，衍射的影响效果相当于对波前进行了傅里叶变换，最终当波前振幅分布为高斯函数时，由于高斯函数的傅里叶变换还是其本身，此时波前分布稳定，激光器发出的光束沿光轴方向是高斯函数分布，称为高斯光束。在实际使用中，选取不同阶数的以高斯函数分布的光束表示高斯光束、平顶光束和平顶高斯光束等。图1.1高斯光束及其参数通常来说，高斯光束是指光束截面的电场振幅是高斯函数的光束，如图1.1中，ω0为光束束腰半径；θ为光束的远场发散角；ω高斯光束的电场振幅为：E式中，E0为光斑中心电场振幅；a为光束横截面内到光轴的距离；ω高斯光束传播过程中，每个光束截面的强度仍然以高斯函数分布，但是由于激光是发散的，每个光束截面的大小会发生改变，在束腰位置光斑尺寸最小，直径为2ω0ω式中，z为光束截面到束腰的距离，zRz式中，λ为激光发射波长。在瑞利范围以外，高斯光束逐渐发散，高斯光束远场发散角θ(半角)的一般定义为z→∞时(远场处)高斯光束振幅减小到中心最大值1/e处与z轴的夹角。将其表示为：θ=1.1.1激光光束模型公式（1.1）为高斯光束的电场振幅表达式，假设E0=1，束腰半径ω=2mm，则函数图像为：图1.2高斯光束分布图像超高斯光束的强度分布表达式为E=M为阶数，同样假设E0=1，束腰半径ω=2，则函数图像为：图1.3超高斯光束分布图像当M=2时，图像则为高斯光束分布，当M越来越大时，高斯光束接近均匀分布，此时可视为平顶光束。1.1.2激光光束仿真本节将对北京理工大学激光雷达实验室的拉曼-米散射激光雷达所使用的Nd：YAG固体激光器发射光束进行仿真，其发散角为2mrad（0.057°），激光光束直径为10mm，分别在高斯光束和平顶光束下仿真，当利用ZEMAX对激光光束仿真时，首先设置激光束直径，如下图1.4所示。图1.4系统孔径设置图我们可以通过设置入瞳直径和孔径值表示激光出射光斑大小，通过设置切趾类型仿真激光光束类型，ZEMAX提供了三种切趾类型：均匀、高斯和余弦立方。1.均匀分布均匀分布表示光线均匀地分布在入瞳上，建模均匀照射，近似认为是平顶分布。2.高斯分布高斯分布是在光瞳上振幅以高斯曲线形式变化，分布因子表示光束振幅递减率。光束振幅是径向光瞳坐标的函数。光束振幅在光瞳中心归一化为1个单位，入瞳其他点的振幅表达式如下：AG是切趾因子，ρ是归一化的光瞳坐标。当切趾因子为0时，光瞳照明是均匀的。当切趾因子为1时，光束振幅在入瞳边缘就会降为1/e点。1.余弦立方分布余弦立方分布表示点光源在平面上的强度衰退。由于激光器的光源不属于点光源，所以我们不考虑余弦分布，通常只设置均匀或高斯分布。接下来继续设置激光发散角仿真激光光束，仿真结果如下图1.5所示，图(a)为激光束发散角的参数设置，激光发散角是通过设置视场来仿真，设置三个Y视场分别为0、0.028、0.057。图(b)为激光发射三维图，因为发散角度较小，所以看上去近似水平出射，实际上是以设定的发散角出射。图(c)为平顶光束下的能量分布，可以看出能量均匀分布在光束截面中。图(d)为高斯光束下的能量分布，可以看出能量是以高斯函数exp−(a)激光束发散角设置(b)激光束三维图(c)平顶光束(d)高斯光束图1.5激光束仿真结果图1.2激光扩束准直系统仿真对于米散射激光雷达系统来说，由于受到激光束的能量、光束口径和发散角的限制，可能无法探测到较远距离信号，为了满足探测远距离信号的要求，我们常需要加入准直扩束系统对激光束进行整形处理来获得较大光束口径和较小发散角的激光光束。用于米激光雷达系统的扩束准直系统一般有两种类型：折射式扩束准直系统和反射式扩束准直系统。图1.6列出了激光准直扩束系统原理图。图(a)为开普勒望远镜式扩束准直系统，图(b)为伽利略望远镜式扩束准直系统，图(c)为格里高利式扩束准直系统，图(d)为卡塞格林式扩束准直系统。(a)(b)(c)(d)图1.6激光准直扩束系统基本原理图对于开普勒望远镜式准直扩束系统，由两个正透镜组成，光线经过第一个透镜时会产生聚焦现象，因此需要在第一个透镜焦点附近加一小孔光阑以限制聚焦光斑的大小，可以有效避免激光脉冲聚焦时功率过大引起的空气电弧击穿。而伽利略望远镜式准直扩束系统由一正一负两透镜组成，没有出现聚焦现象，因此不需要考虑激光脉冲聚焦时功率过大引起的空气电弧击穿问题,正负透镜组合使用还可以消球差，两片不同材料的透镜也可以消色差。和折射式准直扩束系统相比，格里高利式准直扩束系统和卡塞格林式准直扩束系统这两种系统结构相对复杂，而且都用到非球面镜，成本高，在激光雷达系统中，很少被应用。而伽利略望远镜式准直扩束系统结构简单，成本低，广泛应用于激光雷达系统。接下来对北京理工大学拉曼-米散射激光雷达系统中的准直扩束系统进行仿真，光源类型为高斯光源，采用伽利略望远镜式准直扩束系统，扩束倍数为4×，伽利略望远镜式准直扩束系统如下图1.7所示。图1.7伽利略望远镜式准直扩束系统原理图激光以θ1Dθ利用ZEMAX对准直扩束系统建模仿真。首先在ZEMAX的序列模式下建模仿真，利用光线追迹的功能优化结构，仿真结果如图1.8所示，图(a)为优化后的结构参数，激光光束设置为高斯光束，可以看出该系统由一个ϕ12.5的双凹透镜和一个ϕ50的双凸透镜组成，系统总长106mm。图(b)为伽利略望远镜式准直扩束系统的三维布局图。图(c)为光学系统的波前图，波前图是无焦系统常用的评价方式，而准直扩束光学系统可以看做是无焦光学系统，因此用波前图来评价该光学系统。由图(c)可以看出波像差为0.0806波长小于四分之一波长。图(d)为光学系统的全视场点列图，可以看到经过伽利略望远镜式扩束准直系统的光线半视场发散角为0.205mrad，激光束口径为39.872mm，而我们的激光束是1.1.3节中仿真的模型，激光发散角为发散角为2mrad，半视场角为1mrad(0.0573°)，出射激光束口径为10mm，达到了4×扩束准直的效果。(a)结构参数(b)三维布局图(c)波前图(d)全视场点列图图1.8激光准直扩束系统序列仿真结果图上面完成了Zemax序列模式下的仿真，并得到了相应的光学仿真参数，接下来对相应的序列模式进行非序列仿真，利用Zemax非序列模式下的光线追迹功能仿真实际光线传输情况，得到光斑能量等参数。仿真结果如下图1.9所示。（a）准直扩束系统非序列元件编辑数据（b）扩束三维图（c）探测器1（d）探测器2图1.9激光准直扩束系统非序列仿真结果图图1.9（a）为准直扩束系统非序列元件编辑数据，光源设置为高斯光源，能量1W，物体3和6分别表示凹面镜和凸面镜，膜层为增透膜，透过率为95%。物体4和7表示两个孔径光栏，消除杂散光。两个探测器分布放置在高斯光源后和凸面镜后，整体结构如图1.9（b）所示，经过Zemax光线追迹得到探测器能量接收情况，图1.9（c）探测器1接收到的能量为1W，图1.9（d）探测器2接收到的能量为0.7963W，所以准直扩束系统的光学效率为η为η=1.3激光扩束准直系统失调仿真1.2节对扩束准直系统进行光学仿真得到了相关的光学参数，但是这些只是理想情况下的结果，实际的结构会存在误差，主要包括制造误差、材料误差、装配误差、环境误差和设计误差。激光准直扩束系统的主要作用是减小激光发散角，在装调过程中，任何微小的对准误差都会引起激光发散角的变化，从而影响不同距离处的光束截面的大小；同时也会影响出射光束主光轴的方向，从而影响几何因子分布。扩束准直系统的装调过程中，首先要确保正、负透镜与激光束中心同轴，其次，确保正、负透镜的间距以及各自透镜不存在偏心和倾斜。因此，扩束准直系统可能存在正、负透镜的间距误差和各自透镜的偏心误差和倾斜误差。如图1.10所示。接下来主要讨论两镜片的偏心误差、间距误差和倾斜误差对激光发散角的影响。图1.10准直就扩束系统可能存在的误差示意图正透镜的偏心误差对激光发散角的影响由于透镜是圆的，根据圆的对称性，这里只考虑Y偏心。考虑到负透镜出射的光束能够全部经过偏心后的透镜，经过多次尝试后，确定偏心的最大值是2mm。因此，通过对正透镜的Y偏心在0-2mm区间内逐一设置仿真分析，改变镜头编辑器中的参数得到仿真结果如表1所示。从表中可以看出，Y偏心误差对出射光斑尺寸影响不大，对激光发散角有一定影响。表1正透镜的偏心误差对激光发散角的影响结果Y偏心/mm出射光斑尺寸/mm激光发散角/mrad00.10.20.30.40.81.21.62.039,67139.67539.68439.69639.71539.84639.89239.95739.9810.2090.2100.2120.2160.2220.2570.2830.3060.337图1.11正透镜Y偏心对激光发散角影响曲线由图1.11可以看出，激光发散角随着Y偏心的增大而增加，但是Y偏心越大时，曲线的斜率越大，说明当产生较大的偏心误差时对激光发散角的影响很敏感。当正透镜的Y偏心小于0.2mm时，对激光发散角的影响较小。负透镜的偏心误差对激光发散角的影响同样考虑到负透镜出射的光束能够全部经过偏心后的透镜，经过多次尝试后，确定偏心的最大值是1.6mm。因此，通过对负透镜的Y偏心在0-1.6mm区间内逐一设置仿真分析，改变镜头编辑器中的参数得到仿真结果如表2所示。表2负透镜的偏心误差对激光发散角的影响结果Y偏心/mm出射光斑尺寸/mm激光发散角/mrad00.10.20.30.40.81.21.639,67139.67939.68539.71339.74839.89339.92039.9570.2090.2100.2130.2190.2260.2300.2490.281图1.12负透镜Y偏心对激光发散角影响曲线由图1.12可以看出，激光发散角随着Y偏心的增大而增加，但是和正透镜Y偏心误差相比，产生同样的偏心误差，负透镜对激光发散角的影响小于正透镜对激光发散角的影响。同样地当负透镜的Y偏心小于0.2mm时，对激光发散角的影响较小。正、负透镜的间距误差对激光发散角的影响通过改变镜头编辑器中正、负透镜的间距来仿真间距误差，从而得到间距误差对激光发散角的影响，其结果如表3所示。假设间距误差为Δ，当Δ小于0的误差表示正、负透镜间距小于标准值(106mm)，当Δ大于0的误差表示正、负透镜间距大于标准值(106mm)，此时正、负透镜间距表示为(106+Δ)mm;表3正、负透镜的间距误差对激光发散角的影响结果间距误差/mm激光发散角/mrad间距误差/mm激光发散角/mrad00.050.10.20.40.60.80.2090.2240.2340.2510.3400.4490.5671.0-0.1-0.2-0.4-0.6-0.8-1.00.6890.2220.2400.3240.4300.5470.668图1.14正、负透镜的间距误差对激光发散角影响曲线由图1.14可以看出，当正、负透镜的间距发生变化时，激光发散角也会变化，无论是变大还是变小，都接近一次函数变化。和正、负透镜的偏心误差相比，间距误差对激光发散角的影响较大，间距误差在-0.1-0.05mm之间时，对激光发散角的影响较小，因此，在装调过程中，一定要注意间距误差，这样才能保证激光束以一个较小的发散角出射。正透镜的倾斜误差对激光发散角的影响由于透镜是圆的，根据圆的对称性，同样只考虑倾斜X。当正透镜存在倾斜误差时，依然会对激光发散角产生影响，同时也会对出射激光束光轴方向产生影响。为了保证所有光束都通过正透镜，经过尝试，正透镜最大倾斜角度为6°。通过改变镜头数据编辑器中正透镜坐标断点面的倾斜X得到的仿真结果如表4所示。表4正透镜的倾斜误差对激光发散角的影响结果倾斜X/°激光发散角/mrad00.50.2090.21011.50.