[發明專利]一種利用球面鏡反射測量光斑漂移和光束抖動的方法

在審

• 申請號: 201710589645.7
• 申請日: 2017-07-19
• 公開（公告）號: CN107390202A
• 公開（公告）日: 2017-11-24
• 發明（設計）人: 吳鵬飛;賈璐瑤;張啟東
• 申請（專利權）人: 西安理工大學
• 主分類號: G01S7/52
• 分類號: G01S7/52
• 代理公司: 西安弘理專利事務所61214
• 代理人: 楊璐

技術領域

本發明屬于無線光通信技術領域，涉及一種測量系統，具體涉及一種利用球面鏡反射測量光斑漂移和光束抖動的方法。

背景技術

在大氣激光通信中，大氣信道的特性對通信系統的影響是非常重要的，由于大氣湍流中大氣折射率不斷起伏，在激光傳輸過程中，會使光波參量發生隨機變化，造成通信過程中光斑的漂移、強度起伏以及光束擴展等現象。為了對這些現象進行了解、分析，可以建立大氣湍流效應模型，利用特定的實驗裝置研究大氣湍流對激光束傳輸的影響。然而，現有的測量方法得到的光束擴展是微小量，不便于對大氣湍流中的光束擴展和光斑漂移進行測量分析。

發明內容

本發明的目的在于提供一種利用球面鏡反射測量光斑漂移和光束抖動的方法，能對大氣湍流中的光束擴展和光斑漂移進行測量分析。

本發明所采用的技術方案是，一種利用球面鏡反射測量光斑漂移和光束抖動的方法，具體按照以下步驟實施：

步驟1、用激光聚焦系統把激光束匯聚成微小的光點；

步驟2、利用擴束系統對步驟1中激光聚焦系統輸出的光束實行擴束；

步驟3、為了改善光束的方向性，壓縮經步驟2擴束后的激光束的發散角，構建激光準直系統；

步驟4、將反射定律視為折射定律在n＝-n′時的特殊情況，計算步驟3中光屏上形成的光斑直徑；

步驟5、根據步驟4中的原理建立球面鏡反射模型，將光屏上的光斑近似為橢圓，計算出球面反射得到的光斑短軸長度和長軸的長度，從而得到光斑的漂移量和光束的抖動量。

本發明的特點還在于：

在步驟2中：擴束系統為開普勒型擴束系統或伽利略型擴束系統；

開普勒型擴束系統，中間有聚焦點，加小孔光柵，使光束的高斯型光強分布的峰值部分通過，能得到受高斯型光強分布影響更小的擴展光束；

伽利略型擴束系統，它的輸出仍是以光強分布的高斯型擴展光束；

開普勒型擴束系統和伽利略型擴束系統擴束前、后的光束孔徑比如下：

在式(1)中：f₁′為透鏡L₁的焦距，f₂′為透鏡L₂的焦距；

對于激光聚焦系統發射的光束，要采用棱鏡系統進行糾正后再擴束。

步驟3具體按照以下方法實施：

對于測距用的激光雷達，其發射激光束的發射角控制在5×10^-4rad以內，其光束傳送1km時，擴散的直徑為50cm，在距10km處為5m；若激光聚焦系統的發散角為0.0036rad，則要用角倍率為0.14的非球面柱透鏡系統來壓縮發散角，即為激光準直系統；

激光準直系統的角放大率按照如下算法獲得：

在式(2)中：D₁是激光準直系統的入射光瞳直徑，即激光光束射出時的口徑；D₂是激光準直系統的出射光瞳直徑；2u為光束入射到激光準直系統上的視場角，即發散角；2u′是激光準直系統出射的視場角，即被壓縮后的發散角；

激光束通過激光準直系統后在光屏上形成的光斑直徑如下：

D′＝D₂-2l′tanu′≈2l′u′(3)；

在式(3)中：l′為準直系統到目標的距離；

經過兩次反射后光束的發散角從u變為u′。

步驟4具體按照以下方法實施：

在折射定理公式中，只要使n＝-n′，便能直接導出反射球面相應的公式，具體如下：

在式(4)中：r為球面半徑，l為物方截距，l′為象方截距；

球面反射鏡的成像放大率如下：

在式(5)中：β為垂軸放大率，α為軸向放大率，γ為角放大率；由式(5)可知：α為負值，當物體沿著光軸移動時，像總以相反的方向沿軸移動；在偶數次反射時，軸向放大率為正；物體處于球面反射鏡的球心時，由式(4)可知：l＝l′＝r，則得到球心處的放大率為：β＝-1，α＝-1，γ＝1。

步驟5具體按照以下方法實施：

步驟5.1、計算出凹球面鏡反射點P處光束半徑ω_R，具體方法如下：

當一個高斯激光束在一個光學系統中時，若該光學系統的焦距f滿足或則將該激光束看作平行激光束；

高斯光束在自由空間沿Z軸傳播時，不同Z值處的光斑半徑ω(z)按照如下算法經計算獲得：