【《米散射激光雷达接收系统仿真案例分析》9400字】

[52]，这里，我们只考虑中心视场的光线，在接收远距离回波光信号的时候，通常近似认为是平行光入射。通过市场调研选择美国Thorlabs公司型号为354280-A、A280-A和ACL4532U-A的非球面透镜耦合系统分别进行优化设计和仿真分析，对比后选择354280-A非球面透镜作为耦合系统核心元件，经过仿真优化得到最终结果如下图1.12所示。（a）非球面光纤耦合系统镜头参数（b）耦合系统实体模型（c）光纤端面光迹图（d）光纤端面点列图（e）系统耦合效率图1.12非球面光纤耦合系统仿真结果图1.12（a）为球面透镜光纤耦合耦合系统镜头参数，我们在1.2节中牛顿望远镜的基础上加入了非球面镜和光纤，表面9、10表示非球面镜，其口径为φ10mm，焦距为32mm。表面12为非序列元件，在非序列元件编辑器中模拟芯径为600μm、长度为35mm的光纤，元件编辑器中元件类型为圆柱体，材料为熔融石英（F-SILICA）通过上述仿真后得到的结构如图1.12（b）所示。根据镜头数据可以计算出光线入射到光纤端面的入射角，其表达式为θ=2×arcran可以看出满足光纤耦合的角度关系，图1.12（c）光纤端面光迹图，从图中可以看出，中心视场光斑很小，满足光纤端面的光斑直径小于光纤芯径的条件。图1.12（d）为光纤端面点列图，可以看出中心视场存在球差，光纤端面处最大弥散斑半径为1.16μm，艾里斑半径为1.613μm，说明该耦合系统达到衍射极限。图1.12（e）为耦合系统中心视场的几何图像分析图，我们设置NA为0.22，参考表面为像面，显示为伪彩色，仿真得到的系统光纤耦合效率为90.988%。1.1.3光纤耦合系统失调分析仿真上一节对光纤耦合系统进行光学仿真得到了相关的光学参数，但是这些同样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。光纤耦合的主要作用是将望远镜接收到的回波光信号高效率耦合进光纤中，在装调过程中，任何微小的对准误差都会引起光纤耦合效率的变化，从而影响系统信噪比和探测精度。光纤耦合系统的装调过程中，首先要确保接收回波光中心与偶合镜、光纤中心共轴，其次，确保偶合镜与光纤端面的距离以及偶合镜自身不存在偏心和倾斜，最后要确保光纤端面不存在偏心和倾斜。因此光纤耦合系统可能存在偶合镜与光纤之间的间距误差Δd、耦合镜自身的偏心误差Δy1和倾斜误差Δθ1和光纤的偏心误差Δy图1.13光纤耦合系统可能存在的误差示意图1.偶合镜与光纤的间距误差Δd对耦合效率的影响通过修改偶合镜与光纤之间的间距进行耦合效率仿真，得到的仿真结果如表2所示。间距误差为Δd，当Δd小于0的误差表示偶合镜与光纤的间距小于标准值(12.87mm)，当Δd大于0的误差表示偶合镜与光纤的间距大于标准值(12.87mm)，此时偶合镜与光纤的间距表示为(12.87+Δd)mm。经过多次尝试，当间距误差Δ等于±3mm时，耦合效率只剩下17%左右，因此我们只讨论间距误差在-3~3mm之间时对偶尔和效率的影响。表2偶合镜与光纤的间距误差Δd对耦合效率的影响结果间距误差Δd/mm耦合效率/%间距误差Δd/mm耦合效率/%0-0.5-1-1.5-1.6-1.8-2-2.5-391.02190.97890.85786.74275.64258.51446.23428.00517.7890.511.51.61.822.5390.96590.86185.56571.87158.78446.87427.95617.826图1.14偶合镜与光纤的间距误差Δd对偶合效率影响曲线由图1.14可以看出，当偶合镜与光纤的间距发生变化时，耦合效率也会变化，正、负间距误差Δd对耦合效率的影响具有对称性，间距误差早-1.5-1.5mm区间时，偶合效率大于85%。理想的情况下，接收到的回波光信号最后经过偶合镜汇聚到光纤端面上，此时光斑直径最小。存在间距误差时，汇聚在光纤端面的光斑尺寸会变大，当光斑尺寸大于光纤端面时，会有部分光线不会被光纤接收，从而影响光纤耦合效率。因此，在光纤耦合系统装配时，要控制好偶合镜与光纤的间距，保证偶合镜的焦平面与光纤端面重合，保证光线高效率耦合进光纤中。2.偶合镜的Y偏心对耦合效率的影响和3.3节中Y偏心误差仿真相似，由于透镜是圆的，根据圆的对称性，这里只考虑Y偏心。考虑到偶合镜汇聚的光束能够入射到光纤端面，经过多次尝试后，确定耦合镜偏心的最大值是0.25mm。因此，通过对正透镜的Y偏心在0-0.25mm区间内仿真分析，改变镜头编辑器中的参数得到仿真结果如表3所示。表3偶合镜Y偏心误差对耦合效率的影响结果Y偏心误差/mm耦合效率/%091.0210.0591.0100.10.150.20.2589.96181.15941.3725.709图1.15偶合镜Y偏心误差对偶合效率影响曲线从图1.15可以看出，当Y偏心误差在0~0.1mm区间时，耦合效率基本不变，因为此时耦合镜汇聚的光斑仍然入射到光纤端面上，虽然位置不在中心，但仍然满足光纤耦合条件，光纤可以被光纤接收。当Y偏心误差0.1~0.25mm区间时，耦合效率不断下降，此时耦合镜汇聚的部分光斑没有入射到光纤端面上。在装配过程中，因为偏心误差很小，要保证误差范围小于0.1mm，所以要特别注意耦合镜的偏心误差。3.偶合镜的倾斜X对耦合效率的影响当耦合镜存在倾斜时，偶合镜汇聚的光斑在光纤端面上会产生偏移，也会改变汇聚光线的角度。同样考虑到偶合镜汇聚的光束能够被光纤接收，经过多次尝试后，确定耦合镜倾斜的最大值是1.7°。通过对耦合镜的倾斜X在0-1.7°区间内仿真分析，改变镜头编辑器中的参数得到仿真结果如表4所示。表4偶合镜倾斜X误差对耦合效率的影响结果倾斜X误差/°耦合效率/%091.0210.20.40.60.80.91.01.21.41.61.790.97690.64290.54089.14783.20870.43341.46716.0731.4440图1.16偶合镜倾斜误差对耦合效率影响曲线从图1.16可以看出，当耦合器倾斜X在0~0.75°区间时，耦合效率基本不变，因为此时耦合镜倾斜使汇聚光线产生的位移较小，光斑仍然全部入射到光纤端面。当倾斜X大于0.75~1.7°区间时，随着倾斜X误差的增大，耦合效率逐渐减小至零，因为此过程中，偶合镜倾斜后汇聚的光斑没有全部入射到光纤端面上，只有部分光线被光纤接收，所以耦合效率不断降低至零。1.光纤端面倾斜X对耦合效率的影响理想情况下，经过耦合镜汇聚的光束会正入射到光纤端面处。当光线端面产生倾斜时，可能会导致经过耦合镜汇聚的光束与光纤数值孔径不匹配，无法满足光纤耦合要求。从而降低偶合效率。从1.1.2节中可知，理想情况下，汇聚光线的夹角为21.9°，而光纤可以接收的最大角度是25.42°。通过对光纤的倾斜X在0-8°区间内仿真分析，改变镜头编辑器中的参数得到仿真结果如表5所示表5光纤倾斜X误差对耦合效率的影响结果倾斜误差/°耦合效率/%011.75234567891.02190.21787.39786.14881.13177.18672.02166.32261.02856.114图1.17光纤倾斜误差对耦合效率影响曲线从图1.17可以看出，当光纤端面倾斜X在0~2°区间时，耦合效率在85%以上，因为此时光纤倾斜后改变其接收光线的入射角，而设计的耦合系统的出射角为21.9°，光纤能接收的最大入射角是25.42°，当倾斜在0~2°区间时，光纤仍能接收大部分入射光，随着倾斜角度的增加，光纤能接收到的光线越来越少，耦合效率越来越低。倾斜误差大于2°时，光纤倾斜误差与偶合效率接近成正比例函数关系变化。允许出现的倾斜误差较大，是因为选取光纤的数值孔径比较大。5.光纤端面Y偏心对耦合效率的影响用于耦合系统接收汇聚光的多模光纤本身直径就很小，通常是几百微米，所以允许光纤的偏心误差就很小，1.3.3节中设置的光纤芯径是600μm，光纤端面的光斑尺寸是0.2mm，通过对光纤的Y偏心误差在0-0.4mm区间内仿真分析，改变镜头编辑器中的参数得到仿真结果如表6所示。表6光纤Y偏心误差对耦合效率的影响结果偏心误差/mm耦合效率/%00.10.20.220.250.280.30.350.491.02190.01289.97881.23669.00351.22342.54717.2410图1.18光纤偏心误差对耦合效率影响曲线从图1.18可以看出，当光纤Y偏心误差在0~0.2mm区间时，耦合效率基本不变，因为光纤端面的光斑直径为0.2mm，而光纤芯径为0.6mm，所以说偏心误差小于0.2时，光纤还是能够接收耦合镜汇聚的光线。当光纤Y偏心误差在0。2~0.4mm区间时，部分光斑入射到光纤端面被光纤接收，因此耦合效率随着偏心误差的增大而降低，当偏心误差大于0.4mm时，整个光斑都不会入射到光纤端面，耦合效率为零。6.光纤数值孔径NA对耦合效率的影响1.1.2节中接收汇聚光束光纤的数值孔径为0.22，也是目前市场上经常用到的数值孔径，数值孔径是光纤的重要参数，直接影响接收光束的入射角，选用不同的数值孔径光纤对耦合效率造成一定的影响，不改变芯径，通过对光纤的数值孔径在0.12-0.22区间内仿真分析，改变镜头编辑器中的参数得到仿真结果如表7所示。表7光纤数值孔径对耦合效率的影响结果数值孔径耦合效率/%0.220.20.180.160.140.1291.02189.85671.48055.19540.81228.482从表7可以看出，数值孔径越小，耦合效率越低，在选择光纤数值孔径的时候，要根据系统的设计选择。选择合适的数值孔径，才能保证耦合镜汇聚的光束满足光纤耦合的条件。综上所述，我们讨论了偶合镜的偏心误差、倾斜误差和与光纤端面的间距误差以及光纤端面的倾斜误差和偏心误差对耦合效率的影响，每种误差的影响归纳为表8。表8光纤耦合系统误差对耦合效率的影响结果误差类型单独存在的误差对耦合效率的影响耦合镜与光纤的间距误差间距误差在-1.5~1.5mm区间时，耦合效率大于85%，误差在1.5~3mm区间时，耦合效率下降很快直至0，装调时，需要根据光斑的大小控制间距，尽量减小间距误差耦合镜的偏心误差偏心误差在0~0.1mm区间时，耦合效率基本不变，偏心误差在0.1~0.25mm区间时，耦合效率下降迅速，允许出现的偏心误差很小，在装调过程中要特别注意耦合镜偏心误差。耦合镜的倾斜误差光纤的倾斜误差光纤的偏心误差倾斜误差在0~0.75°区间时，耦合效率基本不变，偏心误差在0.75~1.7°区间时，耦合效率逐渐下降至零