小型化大口径激光强度时空分布特性测量系统

论文摘要

激光强度时空分布是指激光光斑强度空间分布随时间的变化,在目标跟踪检测、激光光束质量诊断和激光大气传输测量等方面具有重要意义,在激光测距、激光通信等领域广泛应用。CCD成像法在测量激光强度分布方面具有高分辨率的突出优势,尤其是随着CCD技术的不断发展,动态范围越来越高,噪声处理技术越来越好,因而CCD成像法在激光参数测量中具有良好的发展前景。CCD成像法分漫反射和漫透射,漫反射在国内外都有相关报道,但由于漫反射是表面散射,对散射屏表面要求极高,且使用中不便于集成,因而实际使用起来非常不便。目前国内外均无使用漫透射成像法来测量激光参数的报道。本设计采用CCD漫透射成像法来测量激光强度时空分布,设计了一套“小型化大口径激光强度时空分布特性测量系统”。介绍了系统测量原理;对散射屏的散射特性进行了理论和实验研究;重点详细介绍了该测量系统的光学系统设计,包括视场的确定、光路布局、反射镜设计、镜头参数(光圈、焦距)的选择、相机成像景深的控制、背景光抑制等;详细分析了光斑畸变(形状畸变和强度畸变)产生的原因,提出了结合CCD像元合并的“网格法”来校正光斑的这种畸变,并通过实验得到验证;介绍了数据处理软件和激光强度时空分布参数计算方法;完成了测量系统的机械设计;进行了全系统的标定和调试;给出了该系统测量532nmDPL激光的测量结果,并验证了结果的正确性;最后分析了该测量系统测量激光分布参数以及激光功率的不确定度;讨论了该方法需要进一步研究的内容。该设计提供了一种测量激光参数的新方法,实现了在小空间范围内对大光斑激光进行功率和强度分布的同时测量,具有强度分布测量分辨率高、功率测量准确的优点,对于解决实际工程问题具有重要意义。该设计成果已经应用于科研生产,为大型科研实验提供了宝贵的实验数据,发挥了重要作用。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 引言
• 第二章 散射理论
• 2.1 散射
• 2.2 漫反射
• 2.3 漫透射
• 2.4 散斑
• 2.5 散射屏角谱特性
• 2.5.1 余弦辐射体
• 2.5.2 漫透射屏角谱特性
• 2.5.3 入射角度影响
• 2.6 小结
• 第三章 测量系统总体设计
• 3.1 系统系统组成
• 3.2 测量原理
• 3.2.1 测量原理
• 3.2.2 测量可行性
• 3.3 测量系统主要功能
• 3.4 主要技术指标
• 第四章 光学系统设计
• 4.1 光路
• 4.2 CCD 数字相机
• 4.3 镜头
• 4.3.1 焦距
• 4.3.2 镜头尺寸规格
• 4.3.3 光圈
• 4.3.4 焦（景）深
• 4.4 滤光片
• 4.5 衰减片
• 4.6 反射镜
• 4.7 杂光抑制
• 第五章 光斑形状畸变及校正
• 5.1 形状畸变分析
• 5.2 几何畸变校正
• 5.2.1 几何畸变校正方法
• 5.2.2 网格法
• 5.2.3 形状校正结果
• 第六章 光斑强度分布畸变及校正
• 6.1 散射屏对光强分布的影响
• 6.1.1 材料对光的反射
• 6.1.2 材料对光的吸收
• 6.1.3 介质对光的散射
• 6.2 像面照度
• 6.2.1 轴上像点的光照度
• 6.2.2 轴外像点的光照度
• 6.3 其他因素
• 6.3.1 渐晕
• 6.3.2 杂光
• 6.4 像面照度综合因素
• 6.5 强度畸变校准
• 6.5.1 校准思路
• 6.5.2 校正方法
• 6.5.3 强度校正结果
• 第七章 数据采集处理系统
• 7.1 数据采集处理系统
• 7.2 PC104 嵌入式工控机
• 7.3 光斑形状畸变校正软件
• 7.4 数据采集处理软件
• 7.5 光斑参数计算
• 7.5.1 激光强度时空分布
• 7.5.2 光斑参数计算
• 第八章 系统性能及实验结果
• 8.1 线性、动态范围
• 8.2 实验结果
• 第九章 测量不确定度分析
• 9.1 强度时空分布测量不确定度
• 9.1.1 测量不确定度的主要来源
• 9.1.2 分量不确定度分析
• 9.1.3 相对合成标准不确定度
• 9.2 质心位置测量不确定度
• n 的测量不确定度'>9.2.1 x_n的测量不确定度
• n 的测量不确定度'>9.2.2 p_n的测量不确定度
• 9.2.3 质心位置测量不确定度
• 9.3 质心抖动测量不确定度
• 9.4 激光功率测量不确定度分析
• 9.4.1 功率测量不确定度来源
• 9.4.2 非线性相对标准不确定度
• 9.4.3 衰减倍数相对标准不确定度
• 9.4.4 积分ADU 响应相对标准不确定度
• 9.4.5 功率测量合成相对标准不确定度
• 第十章 结论
• 致谢
• 参考文献
• 在学期间的研究成果