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固态面阵 雷达接收光学系统设计

魏雨,蒋世磊,孙国斌,张兴星,王玉宁

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魏雨, 蒋世磊, 孙国斌, 张兴星, 王玉宁. 固态面阵 雷达接收光学系统设计[J]. , 2020, 13(3): 517-526. doi: 10.3788/CO.2019-0166
引用本文: 魏雨, 蒋世磊, 孙国斌, 张兴星, 王玉宁. 固态面阵 雷达接收光学系统设计[J]. , 2020, 13(3): 517-526.doi:10.3788/CO.2019-0166
WEI Yu, JIANG Shi-lei, SUN Guo-bin, ZHANG Xing-xing, WANG Yu-ning. Design of solid-state array laser radar receiving optical system[J]. Chinese Optics, 2020, 13(3): 517-526. doi: 10.3788/CO.2019-0166
Citation: WEI Yu, JIANG Shi-lei, SUN Guo-bin, ZHANG Xing-xing, WANG Yu-ning. Design of solid-state array laser radar receiving optical system[J].Chinese Optics, 2020, 13(3): 517-526.doi:10.3788/CO.2019-0166

固态面阵 雷达接收光学系统设计

doi:10.3788/CO.2019-0166
基金项目:陕西省教育厅重点实验室科研计划(No. 18JS053);陕西省科技厅重点实验室项目(No. 2013SZS14-P01)
详细信息
    作者简介:

    魏 雨(1992—),男,陕西西安人,硕士研究生,主要从事光学系统设计、光学精密仪器设计方面的研究工作。E-mail:544874529@qq.com

    蒋世磊(1963—),男,河北石家庄人,教授,主要从事光学精密仪器设计,光电检测与校正技术方面的研究工作。E-mail:2429765449@qq.com

    孙国斌(1982-),男,山西长治人,讲师,主要从事精密光学加工、光学精密仪器设计方面的研究工作。Email:83680337@qq.com

    张兴星(1993-)女,陕西韩城人,硕士生,事主要从事精密光学加工方面的研究工作,Email:1419111795@qq.com

    王玉宁(1994-)男,山西运城人,硕士生,事主要从事精密光学加工方面的研究工作,Email:304367013@qq.com

    通讯作者:

    蒋世磊(1963—),男,河北石家庄人,教授,主要从事光学精密仪器设计,光电检测与校正技术方面的研究工作。Email:2429765449@qq.com

  • 中图分类号:O439

Design of solid-state array laser radar receiving optical system

Funds:Supported by Research Program of Key Laboratory of Education Department of Shaanxi Province (No. 18JS053); Key Laboratory Project of Shaanxi Provincial Department of Science and Technology (No. 2013SZS14-P01)
More Information
  • 摘要:在确保固态面阵 雷达安全性的前提下,为了提高光学系统的像面能量均匀度以及增加光学系统所接收到的能量,保证在探测过程中的低信噪比以及对目标的可探测性,本文通过对发射 能量和接收能量进行建模,给出了光学参数,研究了影响接收光学系统像面照度的因素。指出大视场大相对孔径高照度均匀性光学系统的设计要素,并通过ZEMAX优化分析给出了具体的实施过程。最终设计了 λ=905(±5)nm,焦距为15 mm,相对孔径为1/1.4,视场角为2 ω=76°的 雷达接收镜头,系统总长小于77 mm,在空间频率为20 lp/mm处MTF值大于0.5,在0.85视场内的相对畸变小于8%,像面照度不均匀性小于7.2%。满足 雷达的探测要求。

  • 图 1快轴功率密度分布

    Figure 1.Power density distribution of fast axis

    图 2慢轴功率密度分布

    Figure 2.Power density distribution of slow axis

    图 3 器光场能量拟合的概率密度函数图

    Figure 3.Probability density function of laser field energy fitting

    图 4中心单位像元接收功率示意图

    Figure 4.Schematic diagram of receiving power of central unit pixel

    图 5边缘单位像元接收功率示意图

    Figure 5.Schematic diagram of receiving power of edge unit pixel

    图 6全塑非球面光学镜组

    Figure 6.All plastic aspheric lens group

    图 7双高斯光学镜组

    Figure 7.Double gaussian optical lens group

    图 8反远距光学镜组

    Figure 8.Reflective telephoto optical mirror group

    图 9反远距物镜结构图

    Figure 9.Reflective telephoto objective structure

    图 10复杂前组及后组结构图

    Figure 10.Complex pre-group and post-group structure diagram

    图 11广角反摄远光学系统初始结构图

    Figure 11.Initial structure of wide-angle inverse telephoto optical system

    图 12采用本文设计结果的光学系统结构图

    Figure 12.Structure diagram of optical system applied the design results in this paper

    图 13光学系统弥散斑点列图

    Figure 13.Dispersion speckle pattern of optical system

    图 14光学系统MTF曲线图

    Figure 14.MTF curves of optical system

    图 15光学系统相对照度曲线图

    Figure 15.Relative illumination curve of optical system

    图 16光学系统场曲畸变图

    Figure 16.Field distortion diagram of optical system

    图 17系统衍射圆包围能量图

    Figure 17.Energy diagram of diffraction circle surrounded system

    图 1880次Monte Carlo灵敏度分析后MTF曲线

    Figure 18.MTF curves after 80 Monte Carlo sensitivity analyses

    表 1概率密度函数参数

    Table 1.Parameters of probability density function

    参数 ax bx cx ay1 ay2
    数值 5.58 0.820 7 16.91 9.508 −0.562
    参数 ay3 ay4 by1 by2 cy
    数值 0.144 5 0.237 8 −0.181 6 −2.311 3.626
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    表 2积分时间为1.2×10−6s单像元接收光能量的光电转换值

    Table 2.Photoelectric conversion value of single pixel receiving light energy when integration time is 1.2×10−6s

    项目 光子数 电子数 电压 / V
    中心 3.024×103 604.796 8 6.451×10−4
    快轴边缘 26.157 0 5.231 4 5.580×10−6
    慢轴边缘 26.157 0 4.761 1 5.078×10−6
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    表 3积分时间为2×10−2s单像元接收光能量的光电转换值

    Table 3.Photoelectric conversion value of single pixel receiving light energy when integration time is 2×10−2s

    项目 光子数 电子数 电压 / V
    中心 5.040×107 1.008×107 2×10−2
    快轴边缘 4.359 5×105 8.719 0×104 10.751 9
    慢轴边缘 3.967 6×105 7.935 2×104 0.093 0
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    表 4光学参数表

    Table 4.Optical parameter table

    Items Requirement
    Field of view(FOV)/(°) 76
    Relative aperture 1/1.4
    Focal length/mm 15
    Spectral range/μm 0.895~0.910
    Relative distortion @ 0.8 FOV <10%
    Llumination uniformity <10%
    Dispersion spot radius/μm 20
    MTF@20 lp/mm >0.5
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    表 5光学结构参数

    Table 5.Parameters of optical structure

    Surface Radius/mm Thickness/mm Glass Conic
    1OBJECT 37.384 2 H-ZLAF53B 0
    2 15.434 8 0
    3 36.146 3 EP8000 −3.241
    4 17.647 15 −0.111
    5 32.146 6 H-QF3 0
    6 −45.553 1 0
    7STOP Infinity 8.394 0
    8 −58.153 3 H-ZLAF92 0
    9 −124.417 0.957 0
    10 95.702 4.927 H-ZLAF90 0
    11 −53.595 0.723 0
    12 2 848.534 4 EP8000 39.972
    13 −67.378 28.409 9.173
    14IMACE Infinity
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    表 6非球面高次项数据表

    Table 6.High-order data of aspheric mirror

    Surface 2nd 4th 6th 8th
    12 0 −1.573×10−5 2.001×10−8 −9.333×10−10
    13 0 1.065×10−5 −7.026×10−8 3.473×10−10
    Surface 10th 12th 14th 16th
    12 4.642×10−12 −1.225×10−14 −1.047×10−17 9.050×10−20
    13 −2.131×10−12 −1.311×10−14 3.658×10−17 −6.123×10−20
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    表 7公差参数表

    Table 7.Tolerance parameters

    Items Value
    Fringe power/λ 3~5
    Surface irregular/λ 0.2~0.3
    Thickness/mm 0.05~0.08
    Airspace/mm 0.01~0.02
    Tilt/(') 0.5~0.9
    Decenter&Roll/mm 0.05~0.07
    Refractive index 0.000 5~0.000 7
    Abbe number 0.005~0.007
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出版历程
  • 收稿日期:2019-08-13
  • 修回日期:2019-10-12
  • 刊出日期:2020-06-01

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