留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

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

downloadPDF
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
    下载: 导出CSV

    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
    下载: 导出CSV

    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
    下载: 导出CSV

    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
    下载: 导出CSV

    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
    下载: 导出CSV

    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
    下载: 导出CSV

    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
    下载: 导出CSV
  • [1] 孙明阳. 自动驾驶汽车模块化设计研究[J]. 工业设计,2019(9):47-48.doi:10.3969/j.issn.1672-7053.2019.09.036

    SUN M Y. Research on the modular design of self-driving car[J].Industrial Design, 2019(9): 47-48. (in Chinese)doi:10.3969/j.issn.1672-7053.2019.09.036
    [2] 陈琛, 胡春海, 李维善, 等. 物镜像面相对照度计算方法[J]. 光学学报,2016,36(11):1108001.doi:10.3788/AOS201636.1108001

    CHEN CH, HU CH H, LI W SH,et al. Calculation method of relative illumination of lens image plane[J].Acta Optica Sinica, 2016, 36(11): 1108001. (in Chinese)doi:10.3788/AOS201636.1108001
    [3] 罗萍萍, 桑思晗, 史文宗, 等. 基于FFT算法的 有源非稳腔光场分布数值计算方法[J]. 航天返回与遥感,2019,40(4):86-94.doi:10.3969/j.issn.1009-8518.2019.04.010

    LUO P P, SANG S H, SHI W Z,et al. Numerical calculation method of light field distribution for active unstable cavity resonator based on FFT algorithm[J].Spacecraft Recovery&Remote Sensing, 2019, 40(4): 86-94. (in Chinese)doi:10.3969/j.issn.1009-8518.2019.04.010
    [4] 梁效文, 石磊. 一种便携式干涉仪动镜系统的设计[J]. 光谱学与光谱分析,2017,37(10):3255-3259.

    LIANG X W, SHI L. Design of a moving mirror scanning system for portable interferometer[J].Spectroscopy and Spectral Analysis, 2017, 37(10): 3255-3259. (in Chinese)
    [5] 吴春婷, 姜研, 戴通宇, 等. 2μm掺钛固体 器研究进展[J]. 发光学报,2018,39(11):1584-1597.

    WU CH T, JIANG Y, DAI T Y,et al. Research progress of 2μm Ho-doped solid-state laser[J].Chinese Journal of Luminescence, 2018, 39(11): 1584-1597. (in Chinese)
    [6] 丁莹, 范静涛, 权巍, 等. 视觉系统光学渐晕效应非线性补偿方法[J]. 清华大学学报(自然科学版),2017,57(7):702-706.

    DING Y, FAN J T, QUAN W,et al. Nonlinear compensation for optical vignetting in vision systems[J].Journal of Tsinghua University(Science&Technology) , 2017, 57(7): 702-706. (in Chinese)
    [7] 薛庆生. 星载超广角气溶胶探测仪均匀像面性光学设计[J]. 光子学报,2012,41(1):15-20.doi:10.3788/gzxb20124101.0015

    XUE Q SH. Optical design of spaceborne low-distortion and super-wide-angle aerosol imager[J].Acta Photonica Sinica, 2012, 41(1): 15-20. (in Chinese)doi:10.3788/gzxb20124101.0015
    [8] 王永仲, 周金鹏, 宫武鹏. 超大空域凝视光学系统的光阑像差[J]. 应用 ,1998,18(5):200-202.

    WANG Y ZH, ZHOU J P, GONG W P. The stop aberrations and aberration vignetting of fish-eye lenses or extreme wide-angle objectives[J].Applied Laser, 1998, 18(5): 200-202. (in Chinese)
    [9] 王之江. 光学设计理论基础[M]. 2版. 北京: 科学出版杜, 1985: 103-110.

    WANG ZH J.Theoretical Basis of Optical Design[M]. 2nd ed. Beijing: Science Press, 1985: 103-110. (in Chinese)
    [10] GAJ M. Fifth-order field aberration coefficients for an optical surface of rotational symmetry[J].Applied Optics, 1971, 10(7): 1642-1647.doi:10.1364/AO.10.001642
    [11] 赵肇雄, 刘勇. 初级慧差对圆偏振涡旋贝塞尔-高斯光束聚焦场的影响[J]. 中国 ,2010,37(3):739-742.doi:10.3788/CJL20103703.0739

    ZHAO ZH X, LIU Y. Effect of primary coma aberration on focusing of a circularly polarized vortex Bessel-Gaussian beams[J].Chinese Journal of Lasers, 2010, 37(3): 739-742. (in Chinese)doi:10.3788/CJL20103703.0739
    [12] 李维善, 陈琛, 刘宵婵, 等. 球幕投影数字鱼眼镜头的光学设计[J]. 应用光学,2016,37(1):39-44.doi:10.5768/JAO201637.0101007

    LI W SH, CHEN CH, LIU X CH,et al. Optical design of digital fish-eye lens for dome-screen projector[J].Journal of Applied Optics, 2016, 37(1): 39-44. (in Chinese)doi:10.5768/JAO201637.0101007
  • 加载中
图(18)/ 表(7)
计量
  • 文章访问数:3107
  • HTML全文浏览量:1847
  • PDF下载量:334
  • 被引次数:0
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

目录

    /

      返回文章
      返回
        Baidu
        map