2μm相干激光测风雷达光学天线特性分析与设计

论文摘要

激光相干测风雷达是目前大气风场测量的主要手段之一,以其高信噪比和接收带宽短等优点受到各国科学家的重视,激光测风雷达对于数值天气预报、大气动力学研究、航空安全预警和国防应用都有重要的意义和良好的应用前景。本文针对评价相干激光雷达系统重要参数之一的天线效率进行了分析,给出了相干激光雷达光学天线的设计依据,并对设计好的天线系统的天线效率做出了评估。主要内容如下:(1)给出了相干激光雷达系统的天线效率与外差效率的关系,讨论了外差效率的最佳匹配条件,并针对不同的收发结构形式给出了外差效率的简化表达式。(2)讨论了发射和接收光束的截断比对接收外差信号的影响,针对在接收面处混频和探测面处混频的两种接收方式,在不同的光场模型下分别做出了讨论,通过仿真计算得出不同的截断比对外差接收信号的影响,得到收发合置系统下的最佳截断,为相干激光雷达系统的光学天线设计提供了可靠的依据。(3)设计一套收发合置的相干激光雷达光学天线系统,主天线采用离轴卡塞格伦的双发射式结构。预扩束系统采用的是无实焦点的伽利略式的透射式望远镜系统。要求按照外差接收系统的相干接收条件来设计光学天线系统,要求设计达到的波前差小于λ/20的衍射极限系统。(4)利用天线设计结果及相应的系统结构参数,针对不同的工作距离,不同的大气条件仿真出收发合置结构下系统的天线效率。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 激光测风雷达的发展现状
• 1.3 光学天线系统
• 1.3.1 预扩束系统
• 1.3.2 主发射望远镜系统
• 1.4 ZEMAX光学设计软件
• 1.5 课题的研究内容
• 第2章 相干光学天线效率分析与设计理论
• 2.1 相干激光测风雷达工作原理
• 2.2 外差效率
• 2.3 反射式光学天线象差理论
• 2.4 本章小结
• 第3章 相干光学天线效率分析与仿真
• 3.1 相干光学天线效率定义
• 3.2 光学天线的外差效率分析
• 3.2.1 理想情况下的外差效率
• 3.2.2 高斯型孔径函数的外差效率
• 3.2.3 圆型孔径函数的外差效率
• 3.3 光学天线的光束截断分析
• 3.3.1 高斯光束模型
• 3.3.2 平面波模型
• 3.3.3 爱里斑模型
• 3.4 本章小结
• 第4章 相干光学天线系统设计
• 4.1 发射光学系统设计
• 4.1.1 发射光学系统的设计目标
• 4.1.2 预扩束系统设计
• 4.1.3 发射望远镜的设计
• 4.2 接收光学系统的设计
• 4.2.1 接收光学系统参数的选择
• 4.2.2 接收光学系统的设计结果
• 4.3 光学天线系统效率的数值计算
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录
• 致谢