本發(fā)明實(shí)施例涉及激光探測技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種激光回波傳輸特性的分析方法、驗(yàn)證系統(tǒng)及驗(yàn)證方法。

背景技術(shù)：

平行光束或者激光束在光軸方向上照射焦平面成像系統(tǒng)時，能夠產(chǎn)生按原路返回的準(zhǔn)直回光，即所謂“貓眼效應(yīng)”。通過探測光電設(shè)備的光學(xué)窗口能夠?qū)崿F(xiàn)對目標(biāo)的快速準(zhǔn)確定位，根據(jù)“貓眼”目標(biāo)的回波功率大約是背景漫反射功率的10²～10³倍可實(shí)現(xiàn)對“貓眼”目標(biāo)的探測，因此深入分析“貓眼”目標(biāo)回波傳輸特性具有很高的研究價值。

目前，普遍采用幾何光學(xué)對基于貓眼效應(yīng)的激光回波傳輸特性進(jìn)行研究，而實(shí)際上激光束有著自身的傳播規(guī)律，幾何光學(xué)只能是一種近似的方法，僅能夠得到激光回波的宏觀特性，分析結(jié)果與實(shí)際情況存在偏差，因此現(xiàn)有的激光回波傳輸特性的分析方案存在較大的局限性，分析結(jié)果不夠準(zhǔn)確。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明實(shí)施例的目的是提供一種激光回波傳輸特性的分析方法、驗(yàn)證系統(tǒng)及驗(yàn)證方法，以解決現(xiàn)有的基于幾何光學(xué)的激光回波傳輸特性分析方案的分析結(jié)果準(zhǔn)確度低的問題。

第一方面，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種激光回波傳輸特性的分析方法，包括：

將貓眼系統(tǒng)等效為一個薄透鏡和一個反射鏡，將高斯光束照射所述貓眼系統(tǒng)的傳輸過程等效為一個具有離焦量的4f系統(tǒng)；

利用矩陣光學(xué)對所述4f系統(tǒng)進(jìn)行分析，得到高斯光束照射所述貓眼系統(tǒng)的傳輸矩陣；

根據(jù)所述傳輸矩陣、高斯光束的ABCD定律、q參數(shù)的變換規(guī)律以及高斯光束的輸入?yún)?shù)得到反射光束的光斑半徑；

根據(jù)反射光束發(fā)散角與反射光束的光斑半徑之間的關(guān)系得到反射光束發(fā)散角與離焦量之間的關(guān)系。

第二方面，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種激光回波傳輸特性的驗(yàn)證系統(tǒng)，用于對本發(fā)明實(shí)施例提供的激光回波傳輸特性的分析方法中得到的反射光束發(fā)散角與離焦量之間的關(guān)系進(jìn)行驗(yàn)證，該驗(yàn)證系統(tǒng)包括：激光器、第一衰減片、分光鏡、薄透鏡、包含第一圖像傳感器的微動工作臺、第二衰減片和第二圖像傳感器；

所述激光器用于發(fā)射高斯光束，高斯光束依次經(jīng)過所述第一衰減片、所述分光鏡后及所述薄透鏡會聚至所述第一圖像傳感器；

所述微動工作臺用于調(diào)整所述驗(yàn)證系統(tǒng)的離焦量；

所述第一圖像傳感器用于將接收到的高斯光束反射至所述薄透鏡，反射的高斯光束依次經(jīng)過所述薄透鏡、所述分光鏡和所述第二衰減片后照射到所述第二圖像傳感器上；

所述第二圖像傳感器用于接收經(jīng)過所述第二衰減片的高斯光束，并采集光斑圖像。

第三方面，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種激光回波傳輸特性的驗(yàn)證方法，用于應(yīng)用本發(fā)明實(shí)施例所述的激光回波傳輸特性的驗(yàn)證系統(tǒng)對本發(fā)明實(shí)施例所述的激光回波傳輸特性的分析方法中得到的反射光束發(fā)散角與離焦量之間的關(guān)系進(jìn)行驗(yàn)證，該方法包括：

開啟激光器；

通過移動微動工作臺來調(diào)整激光回波傳輸特性的驗(yàn)證系統(tǒng)的離焦量；

對于每個設(shè)定離焦量，根據(jù)第二圖像傳感器采集到的光斑圖像計算光斑半徑，根據(jù)所述光斑半徑計算當(dāng)前設(shè)定離焦量下對應(yīng)的反射光束發(fā)散角實(shí)驗(yàn)值；

對于每個設(shè)定離焦量，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例所述的激光回波傳輸特性的分析方法中得到的反射光束發(fā)散角與離焦量之間的關(guān)系以及激光回波傳輸特性的驗(yàn)證系統(tǒng)的系統(tǒng)參數(shù)計算當(dāng)前設(shè)定離焦量下對應(yīng)的反射光束發(fā)散角理論值；

將反射光束發(fā)散角實(shí)驗(yàn)值與反射光束發(fā)散角理論值進(jìn)行比較，得到驗(yàn)證結(jié)果。

本發(fā)明實(shí)施例中提供的激光回波傳輸特性的分析方案，將貓眼系統(tǒng)等效為一個薄透鏡和一個反射鏡，并對高斯光束的傳輸過程進(jìn)行分析，利用高斯光束特性以及相關(guān)規(guī)律揭示了反射光束發(fā)散角與離焦量之間的關(guān)系，即揭示了離焦量對貓眼回波發(fā)散角影響的規(guī)律，其分析結(jié)果與基于幾何光學(xué)的分析結(jié)果相比更加準(zhǔn)確，具有很高的應(yīng)用價值以及研究價值。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種貓眼反光光線示意圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種光學(xué)系統(tǒng)回波光線示意圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例提供的高斯光束示意圖；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例一提供的一種激光回波傳輸特性的分析方法的流程示意圖；

圖5為本發(fā)明實(shí)施例一提供的一種高斯光束經(jīng)過薄透鏡的傳播示意圖；

圖6為本發(fā)明實(shí)施例一提供的一種4f系統(tǒng)示意圖；

圖7為本發(fā)明實(shí)施例二提供的一種激光回波傳輸特性的驗(yàn)證系統(tǒng)的示意圖；

圖8為本發(fā)明實(shí)施例三提供的一種激光回波傳輸特性的驗(yàn)證方法的示意圖；

圖9為本發(fā)明實(shí)施例三提供的一種高斯光束傳輸示意圖；

圖10為本發(fā)明實(shí)施例三提供的一種反射光束發(fā)散角的理論值及實(shí)驗(yàn)值的對比示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖并通過具體實(shí)施方式來進(jìn)一步說明本發(fā)明的技術(shù)方案。可以理解的是，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用于解釋本發(fā)明，而非對本發(fā)明的限定。另外還需要說明的是，為了便于描述，附圖中僅示出了與本發(fā)明相關(guān)的部分而非全部結(jié)構(gòu)。

在更加詳細(xì)地討論示例性實(shí)施例之前應(yīng)當(dāng)提到的是，一些示例性實(shí)施例被描述成作為流程圖描繪的處理或方法。雖然流程圖將各步驟描述成順序的處理，但是其中的許多步驟可以被并行地、并發(fā)地或者同時實(shí)施。此外，各步驟的順序可以被重新安排。當(dāng)其操作完成時所述處理可以被終止，但是還可以具有未包括在附圖中的附加步驟。所述處理可以對應(yīng)于方法、函數(shù)、規(guī)程、子例程、子程序等等。

為了方便理解本發(fā)明實(shí)施例的技術(shù)方案以及相應(yīng)的有益效果，首先對本發(fā)明實(shí)施例所涉及的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行介紹。

基于光電系統(tǒng)“貓眼效應(yīng)”的激光主動探測技術(shù)，可以通過發(fā)射一束激光對目標(biāo)光電系統(tǒng)和光學(xué)設(shè)備進(jìn)行照射，接收貓眼回波來實(shí)現(xiàn)瞄準(zhǔn)、探測、跟蹤、識別和定位，獲取關(guān)于目標(biāo)的重要信息(如距離和速度等)。進(jìn)一步與強(qiáng)激光結(jié)合，可以有效地干擾乃至摧毀敵方光電系統(tǒng)。這類應(yīng)用“貓眼效應(yīng)”的主動探測原理和技術(shù)的探測系統(tǒng)，在軍事領(lǐng)域方面有非常光明的實(shí)用前景。

隨著激光技術(shù)的迅速發(fā)展，光學(xué)技術(shù)、紅外技術(shù)、廣泛應(yīng)用的高性能預(yù)警系統(tǒng)和防護(hù)系統(tǒng)以及光電偵察成為很多研究學(xué)者越來越重視的技術(shù)。光電對抗系統(tǒng)不僅可以非常準(zhǔn)確迅速地偵察目標(biāo)，而且還可以對發(fā)現(xiàn)的目標(biāo)進(jìn)行相當(dāng)精確的攻擊，因而逐漸地在早期預(yù)警、防護(hù)及偵察等應(yīng)用中發(fā)揮出巨大的作用。目前，光電技術(shù)迅速發(fā)展成為最新興起的技術(shù)，對于存在一定距離的光電設(shè)備如何實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)且快速的定位是其最根本和最主要的任務(wù)，所以，如何有效地探測對方的光電系統(tǒng)且得到對方的光電系統(tǒng)的信息已經(jīng)成為光電對抗系統(tǒng)領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn)。在光電對抗系統(tǒng)中，最重要的任務(wù)是如何快速準(zhǔn)確的偵察到敵方光電武器裝備隱藏的位置。目前，光電搜索系統(tǒng)、光電偵察系統(tǒng)、光電跟蹤系統(tǒng)、光電制導(dǎo)系統(tǒng)以及光電火控系統(tǒng)在軍事上的應(yīng)用是非常普遍的，同時，這些系統(tǒng)在目標(biāo)探測、目標(biāo)識別、精準(zhǔn)制導(dǎo)、精準(zhǔn)瞄準(zhǔn)以及飛行輔助和信息對抗等軍事應(yīng)用領(lǐng)域方面大量應(yīng)用，主要起到兩個重要作用：1.提高軍隊的戰(zhàn)斗力；2.提供準(zhǔn)確檢測光電系統(tǒng)的新的方法。絕大多數(shù)光電設(shè)備都是通過有限口徑且具有匯聚作用的光學(xué)系統(tǒng)把帶有目標(biāo)信息的光信號匯聚到光電傳感器，這種光電傳感器不僅要高靈敏度地將帶有目標(biāo)信息的光信號接收并轉(zhuǎn)換成電信號，還要將所接收的一部分光信號如同貓的眼睛一樣的反射出去。

當(dāng)激光光束照射目標(biāo)的光學(xué)窗口，并且進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng)的視場時，由于“貓眼效應(yīng)”的特性，光學(xué)系統(tǒng)會將所匯聚的激光信號的一部分按照原來的光路反射回去，反射光在傳輸?shù)倪^程中被光學(xué)系統(tǒng)準(zhǔn)直后，會變得更加明亮。無論入射光以何種入射角度傳輸?shù)健柏堁巯到y(tǒng)”，只要入射光能夠傳輸?shù)健柏堁巯到y(tǒng)”的光電傳感器，反射光就會按照原路返回，并且通常反射的回波信號強(qiáng)度是目標(biāo)漫反射回波強(qiáng)度的10²-10⁴倍，其中包含目標(biāo)的各種信息，通過對反射光信號進(jìn)行分析和處理，就可以識別目標(biāo)類型，確定目標(biāo)光電檢測設(shè)備的位置?？梢?，利用主動發(fā)射激光對光電裝備進(jìn)行探測，并接收到探測信號是這類探測系統(tǒng)的最大的特點(diǎn)。此類探測系統(tǒng)不僅僅可以提供攻擊武器的數(shù)據(jù)，而且還可以更多地應(yīng)用于目標(biāo)搜尋定位、防空反導(dǎo)、信息獲取與監(jiān)視等軍事領(lǐng)域，隨著科技的發(fā)展，這類探測系統(tǒng)的優(yōu)勢還體現(xiàn)在其信息化和智能性。

典型光電系統(tǒng)如望遠(yuǎn)鏡、觀瞄儀及成像探測器等，通過光學(xué)系統(tǒng)將探測目標(biāo)所輻射、反射或者散射的光信號會聚到傳感器或分劃板，以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)探測，而焦平面處的傳感器或分劃板表面的反射率較背景高許多。由光路可逆原理，進(jìn)入光電系統(tǒng)的光束會沿原路返回，且可以產(chǎn)生明亮的反射光，因而回波功率比較大，圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種貓眼反光光線示意圖，如圖1所示，這種現(xiàn)象稱為光電系統(tǒng)的“貓眼效應(yīng)”。

圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種光學(xué)系統(tǒng)回波光線示意圖，圖2示出了“貓眼效應(yīng)”光學(xué)系統(tǒng)反射光的回波的光路圖，激光光束通過光學(xué)會聚系統(tǒng)201后聚焦照射反射面202，部分光被反射并按原路經(jīng)過光學(xué)會聚系統(tǒng)201后，可由一個光電探測系統(tǒng)接收。到達(dá)接收系統(tǒng)的反射光攜帶目標(biāo)的各種信息，通過對回波的解析可以獲得目標(biāo)的信息，因此可以用于目標(biāo)跟蹤、定位、制導(dǎo)等。貓眼回波的質(zhì)量直接決定了探測信息的質(zhì)量，而貓眼回波的傳輸特性某種程度上決定了回波的質(zhì)量，因此有必要研究“貓眼效應(yīng)”的反射光的傳輸特性。

下面對高斯光束的傳輸特性進(jìn)行相關(guān)介紹。

激光諧振腔發(fā)出的基模輻射場，其橫截面的振幅分布符合高斯函數(shù)，因而稱高斯光束，高斯光束是亥姆霍茲方程在緩變振幅近似下的一個特解即Z＝0處，在自由空間中以非均勻高斯球面波的形式傳輸，其傳輸方程為：

式中ω(z)為光斑半徑，R(z)為等相位面曲率半徑，r²＝x²+y²中r為高斯光束在xoy平面內(nèi)的極坐標(biāo)，x為高斯光束在xoy平面內(nèi)的x軸坐標(biāo)，y為高斯光束在xoy平面內(nèi)的y軸坐標(biāo)，Ψ為相位因子，z為z軸坐標(biāo)，下角標(biāo)為0的參數(shù)為高斯光束初始的參數(shù)。

圖3為本發(fā)明實(shí)施例提供的高斯光束示意圖。高斯光束在z為常數(shù)的面內(nèi)，場振幅以高斯函數(shù)exp(-r²/ω²(z))的形式從中心向外平滑的減小，且在近軸形式下，高斯光束的等相位為球形，球面的曲率半徑R(z)可由公式得出，高斯光束在其軸線附近可以看作是一種非均勻高斯球面波，且在傳播過程中曲率中心一直在改變，其振幅在橫截面內(nèi)為高斯函數(shù)，強(qiáng)度集中在軸線及其附近，且等相位面保持為球面如圖3。

現(xiàn)有技術(shù)中研究“貓眼效應(yīng)”的反射光的傳輸特性，采用的是幾何光學(xué)進(jìn)行分析研究，然而幾何光學(xué)存在局限性，運(yùn)用幾何光學(xué)法研究“貓眼效應(yīng)”得到的只能是反射光宏觀的規(guī)律特征，由上面的內(nèi)容可知高斯光束是一種特殊的高斯球面波，在橫截面上呈現(xiàn)出高斯型的振幅分布，且不同的橫截面的曲率半徑也不相同，在遠(yuǎn)場傳輸時會產(chǎn)生較大誤差，基于幾何光學(xué)的分析方法并不能描述其實(shí)際傳輸過程，分析結(jié)果不夠準(zhǔn)確。

基于“貓眼效應(yīng)”的激光主動探測通過發(fā)射一束激光，然后對光電系統(tǒng)或光學(xué)觀測設(shè)備掃描偵察，因?yàn)槠淇梢韵褙堁垡粯樱瓷涔饪梢栽贩瓷浠貋?，因此其光學(xué)系統(tǒng)有非常強(qiáng)烈的反射光，可以用來區(qū)分漫射目標(biāo)探測過程，按照激光回波的傳播過程，激光將受到許多因素影響如激光參數(shù)、大氣的傳輸特點(diǎn)和目標(biāo)光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)。從激光回波功率表達(dá)式可以看出，“貓眼效應(yīng)”的目標(biāo)發(fā)散角是影響回波功率是一個重要的因素。一是它可以表示出激光束在長距離傳輸時的光束的發(fā)散性，二是它與束腰的乘積是近參數(shù)，目前被許多學(xué)者研究，下面公式為應(yīng)用國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(International Organization for Standardization，ISO)統(tǒng)一規(guī)范的法則，其反應(yīng)了傳輸光束聚焦的程度。

在上式中，光學(xué)系統(tǒng)口徑D和激光光束的波長λ一經(jīng)確定，最后結(jié)果主要取決于激光束遠(yuǎn)場發(fā)散角θ。減小高斯光束的發(fā)散角不僅可以使激光的能量繼續(xù)傳輸，可以使激光光束傳輸時達(dá)到高度一致的方向性，同時降低了對激光光束的發(fā)射功率和光學(xué)設(shè)備的靈敏度等方面地要求，并且可以遠(yuǎn)距離的傳輸。因此，研究高斯光束發(fā)散角對激光回波傳輸特性研究有著十分重要的意義。

實(shí)施例一

圖4為本發(fā)明實(shí)施例一提供的一種激光回波傳輸特性的分析方法的流程示意圖，如圖4所示，該方法包括：

步驟401、將貓眼系統(tǒng)等效為一個薄透鏡和一個反射鏡，將高斯光束照射所述貓眼系統(tǒng)的傳輸過程等效為一個具有離焦量的4f系統(tǒng)。

本實(shí)施例中的貓眼系統(tǒng)具體可理解為待探測的光電系統(tǒng)，也即激光主動探測的目標(biāo)。本實(shí)施例中將“貓眼系統(tǒng)”等效為一個薄透鏡和一個反射鏡來研究高斯光束的傳輸特性。當(dāng)通過薄透鏡時，高斯光束并沒有發(fā)生變化還是為高斯光束。圖5為本發(fā)明實(shí)施例一提供的一種高斯光束經(jīng)過薄透鏡的傳播示意圖，由透過薄透鏡傳播的高斯光束q參數(shù)變換規(guī)律可知，已知入射高斯光束束腰半徑為ω₀，束腰光斑面積為s，束腰位置到透鏡的距離為l，透鏡的焦距為f，R為入射方等相位面曲率半徑，R′為入射方等相位面曲率半徑，各參數(shù)相互關(guān)系如圖5，當(dāng)C面取在像方束腰處，可以得到：

進(jìn)而推導(dǎo)可以求得像方的束腰半徑和束腰位置：

當(dāng)一束高斯光束近似平行于光軸方向入射共焦成像系統(tǒng)時會發(fā)生“貓眼效應(yīng)”。把高斯光束照射具有離焦量的“貓眼系統(tǒng)”的傳輸過程展開并等效為一個具有離焦量的4f系統(tǒng)。高斯光束在照射到貓眼系統(tǒng)中的薄透鏡后經(jīng)過反射鏡再次經(jīng)過薄透鏡，高斯光束照射具有離焦量的貓眼系統(tǒng)的傳輸過程可理解為依次通過兩個相同的薄透鏡的傳輸過程。

圖6為本發(fā)明實(shí)施例一提供的一種4f系統(tǒng)示意圖，如圖6所示，高斯光束依次通過了透鏡1和透鏡2，透鏡1和透鏡2是完全相同的薄透鏡，圖6中的δ為離焦量。按照圖6所示的4f系統(tǒng)圖，把入射的高斯光束分為對焦(離焦量為0時)和離焦兩種情況，分別研究不同情況下發(fā)散角的變化。

步驟402、利用矩陣光學(xué)對4f系統(tǒng)進(jìn)行分析，得到高斯光束照射貓眼系統(tǒng)的傳輸矩陣。

示例性的，本步驟中利用矩陣光學(xué)對所述4f系統(tǒng)進(jìn)行分析，得到高斯光束照射所述貓眼系統(tǒng)的傳輸矩陣為：

其中，M為傳輸矩陣，f為薄透鏡的焦距，l₁為入射高斯光束的束腰位置到相應(yīng)的透鏡的距離，l₂為反射光束的束腰位置到相應(yīng)的透鏡的距離，δ為離焦量。

步驟403、根據(jù)傳輸矩陣、高斯光束的ABCD定律、q參數(shù)的變換規(guī)律以及高斯光束的輸入?yún)?shù)得到反射光束的光斑半徑。

示例性的，本步驟具體可包括：

根據(jù)所述傳輸矩陣、高斯光束的ABCD定律及q參數(shù)的變換規(guī)律得到：

其中，q_r為q參數(shù)，q_i為入射高斯光束的輸入?yún)?shù)。

示例性的，可將傳輸矩陣M轉(zhuǎn)化成的形式，得到A、B、C和D的表達(dá)式，再根據(jù)得到式(9)。

將代入式(9)，得到反射光束的光斑半徑：

其中，w_r為反射光束的光斑半徑，w_i為入射高斯光束的束腰半徑，λ為激光波長，l＝l₁＝l₂。

步驟404、根據(jù)反射光束發(fā)散角與反射光束的光斑半徑之間的關(guān)系得到反射光束發(fā)散角與離焦量之間的關(guān)系。

具體的，反射光束發(fā)散角與反射光束的光斑半徑之間的關(guān)系由如下公式表示：

其中，θ_r為反射光束發(fā)散角。

高斯光束的橫截面的曲率半徑公式如下：

可見，高斯光束在傳輸過程時，當(dāng)傳輸?shù)绞恢脤?shí)為平面波。瑞利范圍是指從高斯光束的束腰達(dá)到光束最小曲率半徑位置的距離。在高斯光束的束腰到瑞利范圍之間的距離被稱為近場，需要滿足條件：傳輸距離Z小于等于瑞利長度。而實(shí)際應(yīng)用中所測量的發(fā)散角是指高斯光出傳輸很遠(yuǎn)距離后的發(fā)散角即遠(yuǎn)場發(fā)散角，根據(jù)現(xiàn)有知識可知：在10倍的瑞利長度以外的傳輸距離可視為遠(yuǎn)場，滿足條件：傳輸距離Z大于等于10倍的瑞利長度。當(dāng)傳輸距離為無窮遠(yuǎn)時，高斯光束發(fā)散角可以表示為高斯光束的光斑半徑隨傳播距離的變化率即

由上式(14)可得到式(11)。

進(jìn)一步的，根據(jù)反射光束發(fā)散角與反射光束的光斑半徑之間的關(guān)系得到反射光束發(fā)散角與離焦量之間的關(guān)系由如下公式表示：

通過上述公式可以得出：發(fā)散角與束腰半徑、離焦量、焦距、波長之間的關(guān)系，但是一旦激光器確定，即激光波長、束腰半徑就為定值，當(dāng)光電系統(tǒng)確定后，焦距也為定值，因此由上可知發(fā)散角直接由離焦量決定，也即得到了反射光束發(fā)散角與離焦量之間的關(guān)系。

本發(fā)明實(shí)施例一提供的激光回波傳輸特性的分析方法，將貓眼系統(tǒng)等效為一個薄透鏡和一個反射鏡，并對高斯光束的傳輸過程進(jìn)行分析，利用高斯光束特性以及相關(guān)規(guī)律揭示了反射光束發(fā)散角與離焦量之間的關(guān)系，即揭示了離焦量對貓眼回波發(fā)散角影響的規(guī)律，其分析結(jié)果與基于幾何光學(xué)的分析結(jié)果相比更加準(zhǔn)確，具有很高的應(yīng)用價值以及研究價值。

實(shí)施例二

圖7為本發(fā)明實(shí)施例二提供的一種激光回波傳輸特性的驗(yàn)證系統(tǒng)的示意圖，該系統(tǒng)用于對本發(fā)明實(shí)施例提供的激光回波傳輸特性的分析方法中得到的反射光束發(fā)散角與離焦量之間的關(guān)系進(jìn)行驗(yàn)證，該系統(tǒng)包括：激光器701、第一衰減片702、分光鏡703、薄透鏡704、包含第一圖像傳感器706的微動工作臺705、第二衰減片707和第二圖像傳感器708。

其中，激光器701用于發(fā)射高斯光束，高斯光束依次經(jīng)過第一衰減片702、分光鏡703后及薄透鏡704會聚至第一圖像傳感器706。微動工作臺705用于調(diào)整驗(yàn)證系統(tǒng)的離焦量。第一圖像傳感器706用于將接收到的高斯光束反射至薄透鏡704，反射的高斯光束依次經(jīng)過薄透鏡704、分光鏡703和第二衰減片707后照射到第二圖像傳感器708上。第二圖像傳感器708用于接收經(jīng)過第二衰減片707的高斯光束，并采集光斑圖像。

示例性的，本實(shí)施例中所述的圖像傳感器具體可為電荷耦合器件(Charge-coupled Device，CCD)圖像傳感器，又稱CCD圖像控制器。

本發(fā)明實(shí)施例二提供的激光回波傳輸特性的驗(yàn)證系統(tǒng)，將貓眼系統(tǒng)等效為一個薄透鏡和一個反射鏡(第一圖像傳感器起到反射鏡的作用)，應(yīng)用該系統(tǒng)可對本發(fā)明實(shí)施例提供的激光回波傳輸特性分析方法中得到的結(jié)論進(jìn)行驗(yàn)證。

實(shí)施例三

圖8為本實(shí)施例三提供的一種激光回波傳輸特性的驗(yàn)證方法的示意圖，該方法用于應(yīng)用本發(fā)明實(shí)施例所述的激光回波傳輸特性的驗(yàn)證系統(tǒng)對本發(fā)明實(shí)施例所述的激光回波傳輸特性的分析方法中得到的反射光束發(fā)散角與離焦量之間的關(guān)系進(jìn)行驗(yàn)證。如圖8所示，該方法包括如下步驟：

步驟801、開啟激光器。

步驟802、通過移動微動工作臺來調(diào)整激光回波傳輸特性的驗(yàn)證系統(tǒng)的離焦量。

步驟803、對于每個設(shè)定離焦量，根據(jù)第二圖像傳感器采集到的光斑圖像計算光斑半徑，根據(jù)所述光斑半徑計算當(dāng)前設(shè)定離焦量下對應(yīng)的反射光束發(fā)散角實(shí)驗(yàn)值。

具體的，利用如下公式根據(jù)所述光斑半徑計算當(dāng)前設(shè)定離焦量下對應(yīng)的反射光束發(fā)散角實(shí)驗(yàn)值：

其中，θ為反射光束發(fā)散角實(shí)驗(yàn)值，K為第一近場位置與第二近場位置的距離差，ω₁為第一近場位置的光斑半徑，ω₂為第二近場位置的光斑半徑。

由式(14)可知，只要知道激光束的腰斑半徑，就可求出遠(yuǎn)場發(fā)散角。圖9為本發(fā)明實(shí)施例三提供的一種高斯光束傳輸示意圖，如圖9所示，在光束近場處取Z₁和Z₂兩個點(diǎn)，可得到：

由上兩式分別解出Z₁和Z₂并相減可以得到一個常數(shù)。

設(shè)Z₁-Z₂＝K，經(jīng)過一系列化簡后可得到：

式中

如果在Z₁與Z₂處分別測量出ω₁和ω₂，進(jìn)而式出高斯光束的遠(yuǎn)場發(fā)散角。但公式過于繁瑣。在一般情況下，當(dāng)Z₁與Z₂相距不遠(yuǎn)時有

略去這個比1小得多的因子，則為

因此高斯光束的遠(yuǎn)場發(fā)散角的表達(dá)式如下：

進(jìn)一步簡化后，可得到式(16)只要在近場Z₁與Z₂處分別測量出高斯光束的光斑尺寸ω₁和ω₂，由上式(22)或式(16)就算出高斯光束傳輸過程中的遠(yuǎn)場發(fā)散角。

在本步驟中，可根據(jù)光斑半徑得到上述的光斑尺寸ω₁和ω₂，下表1為同一離焦量下的貓眼系統(tǒng)的光斑半徑和發(fā)散角的對應(yīng)關(guān)系。

表1“貓眼系統(tǒng)”的光斑半徑和發(fā)散角

步驟804、對于每個設(shè)定離焦量，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例所述的激光回波傳輸特性的分析方法中得到的反射光束發(fā)散角與離焦量之間的關(guān)系以及激光回波傳輸特性的驗(yàn)證系統(tǒng)的系統(tǒng)參數(shù)計算當(dāng)前設(shè)定離焦量下對應(yīng)的反射光束發(fā)散角理論值。

示例性的，激光回波傳輸特性的驗(yàn)證系統(tǒng)的系統(tǒng)參數(shù)包括：激光器發(fā)射的激光波長、高斯光束的束腰半徑、薄透鏡的焦距和高斯光束的束腰位置到薄透鏡的距離。

示例性的，可通過MATLAB仿真計算的方式得到每個設(shè)定離焦量下對應(yīng)的反射光束發(fā)散角理論值。

步驟805、將反射光束發(fā)散角實(shí)驗(yàn)值與反射光束發(fā)散角理論值進(jìn)行比較，得到驗(yàn)證結(jié)果。

下表2示出了不同離焦量的情況下的發(fā)散角的理論值和實(shí)驗(yàn)值。

表2不同離焦量的情況下的發(fā)散角

具體的，本步驟可包括：繪制設(shè)定離焦量與反射光束發(fā)散角實(shí)驗(yàn)值的第一對應(yīng)關(guān)系曲線；繪制設(shè)定離焦量與反射光束發(fā)散角理論值的第二對應(yīng)關(guān)系曲線；在同一坐標(biāo)系內(nèi)比較所述第一對應(yīng)關(guān)系曲線和所述第二對應(yīng)關(guān)系曲線，得到驗(yàn)證結(jié)果。

圖10為本發(fā)明實(shí)施例三提供的一種反射光束發(fā)散角的理論值及實(shí)驗(yàn)值的對比示意圖，圖中共示出了三條曲線，最上面一條曲線表示離焦量與理論發(fā)散角的關(guān)系，中間一條曲線表示離焦量與X軸發(fā)散角的關(guān)系，最下面一條曲線表示離焦量與Y軸發(fā)散角的關(guān)系。其中，理論發(fā)散角即反射光束發(fā)散角理論值，X軸發(fā)散角和Y軸發(fā)散角為反射光束發(fā)散角實(shí)驗(yàn)值。如圖10所示，理論值對應(yīng)的曲線和實(shí)驗(yàn)值對應(yīng)的曲線非常接近，可有力的驗(yàn)證本發(fā)明實(shí)施例提供的激光回波傳輸特性的分析方法的分析結(jié)果具有很高的準(zhǔn)確度。

注意，上述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例及所運(yùn)用技術(shù)原理。本領(lǐng)域技術(shù)人員會理解，本發(fā)明不限于這里所述的特定實(shí)施例，對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說能夠進(jìn)行各種明顯的變化、重新調(diào)整和替代而不會脫離本發(fā)明的保護(hù)范圍。因此，雖然通過以上實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了較為詳細(xì)的說明，但是本發(fā)明不僅僅限于以上實(shí)施例，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的情況下，還可以包括更多其他等效實(shí)施例，而本發(fā)明的范圍由所附的權(quán)利要求范圍決定。