用于中远距离激光多普勒测速仪的光束变换系统设计方法

摘要

本发明公开了一种用于中远距离激光多普勒测速仪的光束变换系统设计方法，包括：建立高斯光束通过离焦式光束变换系统的过程模型，依次得到光学系统的离焦量矩阵；基于像差理论建立光学系统入射面和设计的目标工作距离处之间电磁场分布的衍射传输模型；基于衍射传输模型得到具有不同球差特性透镜组成的变换系统在目标工作距离处的光强分布，再将其转化为对应的光斑半径，以测速仪系统设计所需在工作距离处的光斑大小作为限制条件，得到满足光学系统设计要求的透镜组合。本发明应用于激光多普勒速度测量技术领域，在衍射传输模型中引入了像差项，能够更准确的反应高斯光束经过光束变换系统后的光强分布，为系统的设计提供更贴近实际的理论依据。

说明书

技术领域

本发明涉及激光多普勒速度测量技术领域，具体是一种用于中远距离激光多普勒测速仪的光束变换系统设计方法。

背景技术

自诞生以来，激光多普勒技术以其测量的精度高、动态范围大以及可以实现非接触测量等优异特点，被广泛应用于科学研究和工业生产当中，在车载组合导航、钢铁生产中板带测速等场景里发挥了重要作用。

要对远距离物体的速度进行测量，中远距离激光多普勒测速仪的测量光束通常会经过离焦式光束变换系统的准直或扩束后出射至待测物体上，测速仪信号质量的高低与光束变换系统的成像质量有着密切的关系，中远距离激光多普勒测速仪通常采用共轴透射式的光学系统，其中光学系统球差所产生的影响尤为明显，尤其当前激光多普勒测速仪的工作距离(测速仪与待测物体之间的距离)趋于百米甚至千米量级，光学变换系统的球差对测速仪测量结果的影响更为显著。

发明内容

针对上述现有技术中的不足，本发明提供一种用于中远距离激光多普勒测速仪的光束变换系统设计方法，可以为中远距离激光多普勒测速仪设计更贴合测量性能要求的光束变换系统。

为实现上述目的，本发明提供一种用于中远距离激光多普勒测速仪的光束变换系统设计方法，包括如下步骤：

步骤1，基于高斯光束的传输矩阵理论，建立高斯光束通过离焦式光束变换系统的过程模型；

步骤2，将激光多普勒测速仪系统设计的目标工作距离，以及离焦式光学系统的凹透镜焦距值向量、凸透镜焦距值向量代入过程模型，得到离焦式光学系统的离焦量矩阵；

步骤3，基于衍射理论与像差理论，建立离焦式光学系统入射面和设计的目标工作距离处之间电磁场分布的衍射传输模型；

步骤4，基于离焦式光学系统的离焦量矩阵、凹透镜焦距值向量、凸透镜焦距值向量，得到凹透镜与凸透镜在不同焦距组合时，对应的透镜矩阵元以及离焦式光学系统总的球差系数；

步骤5，将各组对应的透镜矩阵元与球差系数分别代入衍射传输模型，得到相对应的经离焦式光学系统变换后的电磁场分布，进而得到具有不同球差特性的透镜组成的变换系统在目标工作距离处的光强分布；

步骤6，将工作距离处的光强分布转化为对应的光斑半径，以测速仪系统设计所需在工作距离处的光斑大小作为限制条件，得到满足光学系统设计要求的透镜组合。

在其中一个实施例，步骤1中，所述高斯光束通过离焦式光束变换系统的过程模型为：

式中，L为中远距离激光多普勒测速仪的工作距离，f

在其中一个实施例，步骤3中，所述离焦式光学系统入射面和设计的目标工作距离处之间电磁场分布的衍射传输模型，为：

式中，E(r,L)离焦式光学系统在设计的目标工作距离处电磁场分布，i表示虚数单位， k表示波数，E

C

式中，n

A、B、C、D是离焦式光学系统矩阵中的矩阵元具体为：

d＝f

式中，d为离焦式光学系统中凹透镜后表面到凸透镜前表面的距离。

在其中一个实施例，步骤5中，所述具有不同球差特性的透镜组成的变换系统在目标工作距离处的光强分布具体为：

I(r,L)＝E(r,L)·E

式中，E

在其中一个实施例，步骤6中，所述以测速仪系统设计所需在工作距离处的光斑大小作为限制条件，得到满足光学系统设计要求的透镜组合，具体为：

以凹透镜和凸透镜焦距为自变量，将工作距离处的测量光束光斑半径与凹、凸透镜焦距之间的关系进行三维曲面图形化表达，并将平面ω＝const与三维曲面图相交，位于两者交线上的点所对应的凹透镜和凸透镜焦距值，即为满足光学系统设计要求的透镜组合。

在其中一个实施例，所述设计方法还包括：

步骤7，根据实际情况对满足要求的透镜组组合进行筛选，并用ZMAX光学设计软件对透镜组的面型进行优化，从而完成对光束变换系统参数的设计与选择。

与现有技术相比，本发明提供的一种用于中远距离激光多普勒测速仪的光束变换系统设计方法，在衍射传输模型中引入了像差项，能够更准确的反应高斯光束经过离焦式光束变换系统后的光强分布，为系统的设计提供更贴近实际的理论依据。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明实施例中设计方法的流程图；

图2为本发明实施例中离焦式光束变换系统的内部结构图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

本实施例公开了一种用于中远距离激光多普勒测速仪的光束变换系统设计方法，用于为中远距离激光多普勒测速仪设计更贴合测量性能要求的光束变换系统。参考图1，该方法具体包括如下步骤1-,7。

步骤1，基于高斯光束的传输矩阵理论，建立高斯光束通过离焦式光束变换系统的过程模型，即能够通过过程模型在设计的目标工作距离(即经系统变换后的高斯光束束腰与系统出射面之间距离一定)的条件下，推导出系统离焦量与离焦式光束变换系统中透镜组焦距的关系。

本实施例中，高斯光束通过离焦式光束变换系统的过程模型为：

式中，L为中远距离激光多普勒测速仪的工作距离，f

步骤2，将激光多普勒测速仪系统设计的目标工作距离，以及离焦式光学系统的凹透镜焦距值向量、凸透镜焦距值向量代入过程模型，得到离焦式光学系统的离焦量矩阵。

步骤3，在傍轴近似的条件下，基于衍射理论、像差理论和透镜系统的矩阵表述，建立离焦式光学系统入射面和设计的目标工作距离处之间电磁场分布的衍射传输模型。其中，透镜系统的矩阵元素表示为透镜焦距、透镜间距、工作距离和离焦量的函数，透镜球差表示为自身材料折射率和焦距的函数。

本实施例中，离焦式光学系统入射面和设计的目标工作距离处之间电磁场分布的衍射传输模型，为：

式中，E(r,L)离焦式光学系统在设计的目标工作距离处电磁场分布，i表示虚数单位， k表示波数，E

C

式中，n

A、B、C、D是离焦式光学系统矩阵中的矩阵元具体为：

d＝f

式中，d为离焦式光学系统中凹透镜后表面到凸透镜前表面的距离。

步骤4，基于离焦式光学系统的离焦量矩阵、凹透镜焦距值向量、凸透镜焦距值向量，得到凹透镜与凸透镜在不同焦距组合时，对应的透镜矩阵元以及离焦式光学系统总的球差系数。

步骤5，将各组对应的透镜矩阵元与球差系数分别代入衍射传输模型，得到相对应的经离焦式光学系统变换后的电磁场分布，进而得到具有不同球差特性的透镜组成的变换系统在目标工作距离处的光强分布，为：

I(r,L)＝E(r,L)·E

式中，E

步骤6，将工作距离处的光强分布转化为对应的光斑半径，以测速仪系统设计所需在工作距离处的光斑大小作为限制条件，得到满足光学系统设计要求的透镜组合。

在具体实施过程中，中远距离激光多普勒测速仪输出的同一高斯光束经过具有不同球差特性的凹透镜和凸透镜组成的离焦式光学系统的变换，可以得到相应的r

步骤7，作为可选地实施方式，在得到若干组满足光学系统设计要求的透镜组合后，可以再根据实际情况对满足要求的透镜组组合进行筛选，并用ZMAX光学设计软件对透镜组的面型进行优化，从而完成对光束变换系统参数的设计与选择。

下面结合具体的示例对本实施例中的光束变换系统设计方法作出进一步说明。

参考图2，离焦式光束变换系统通常由凹透镜和凸透镜组成。根据式(1)的高斯光束通过离焦式光束变换系统的过程模型，将激光多普勒测速仪系统设计的目标工作距离L和凹、凸透镜焦距值向量f

式中，m为参与筛选的凹透镜组的总数，n为参与筛选的凸透镜组的总数，Δ

将离焦量矩阵Δ

C

然后将上述具有对应关系的透镜矩阵元A

将电磁场分布E

I

根据光斑半径对应为光场强度为I

进一步的，光斑半径矩阵中的每个元素都可以看作是离焦式光学系统中凹、凸透镜焦距的函数r

在具体应用过程中，连续光体制中远距离激光多普勒测速仪的信噪比SNR为：

其中，η为系统的光学效率，B为系统的等效噪声带宽，F

从信噪比计算公式可以看出同一台连续光体制中远距离激光多普勒测速仪在相同工作距离下的信噪比主要受测量光束在待测物体表面光斑半径的大小的影响，故可以根据系统性能目标，对工作距离处的测量光束光斑半径ω进行设计，然后将r

最后，再根据实际情况对满足要求的透镜组组合进行筛选，并用ZMAX光学设计软件对透镜的面型等进行优化，从而完成对光束变换系统参数的设计与选择。以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。