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申请/专利权人：中国人民解放军国防科技大学

摘要：本发明公开了一种用于中远距离激光多普勒测速仪的光束变换系统设计方法，包括：建立高斯光束通过离焦式光束变换系统的过程模型，依次得到光学系统的离焦量矩阵；基于像差理论建立光学系统入射面和设计的目标工作距离处之间电磁场分布的衍射传输模型；基于衍射传输模型得到具有不同球差特性透镜组成的变换系统在目标工作距离处的光强分布，再将其转化为对应的光斑半径，以测速仪系统设计所需在工作距离处的光斑大小作为限制条件，得到满足光学系统设计要求的透镜组合。本发明应用于激光多普勒速度测量技术领域，在衍射传输模型中引入了像差项，能够更准确的反应高斯光束经过光束变换系统后的光强分布，为系统的设计提供更贴近实际的理论依据。

主权项：1.一种用于中远距离激光多普勒测速仪的光束变换系统设计方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，基于高斯光束的传输矩阵理论，建立高斯光束通过离焦式光束变换系统的过程模型；步骤2，将激光多普勒测速仪系统设计的目标工作距离，以及离焦式光学系统的凹透镜焦距值向量、凸透镜焦距值向量代入过程模型，得到离焦式光学系统的离焦量矩阵；步骤3，基于衍射理论与像差理论，建立离焦式光学系统入射面和设计的目标工作距离处之间电磁场分布的衍射传输模型，为： 式中，Er,L离焦式光学系统在设计的目标工作距离处电磁场分布，i表示虚数单位，k表示波数，E0r0表示入射面上高斯光束的电磁场分布，r0表示高斯光束入射面的径向变量，r表示工作距离处极坐标下的径向变量，为零阶的贝塞尔函数；C4是离焦式光学系统的球差系数，具体为： 式中，n0是透镜材料的折射率，f为透镜的焦距，p是光束的入射因子与光束入射进透镜的方式有关，q为透镜的面型因子，S为该入射方式下的像距，R1和R2分别为透镜前后表面的曲率半径；A、B、C、D是离焦式光学系统矩阵中的矩阵元具体为： d＝f2+f1+Δ式中，d为离焦式光学系统中凹透镜后表面到凸透镜前表面的距离；步骤4，基于离焦式光学系统的离焦量矩阵、凹透镜焦距值向量、凸透镜焦距值向量，得到凹透镜与凸透镜在不同焦距组合时，对应的透镜矩阵元以及离焦式光学系统总的球差系数；步骤5，将各组对应的透镜矩阵元与球差系数分别代入衍射传输模型，得到相对应的经离焦式光学系统变换后的电磁场分布，进而得到具有不同球差特性的透镜组成的变换系统在目标工作距离处的光强分布；步骤6，将工作距离处的光强分布转化为对应的光斑半径，以测速仪系统设计所需在工作距离处的光斑大小作为限制条件，得到满足光学系统设计要求的透镜组合，具体为：以凹透镜和凸透镜焦距为自变量，将工作距离处的测量光束光斑半径与凹、凸透镜焦距之间的关系进行三维曲面图形化表达，并将平面ω＝const与三维曲面图相交，位于两者交线上的点所对应的凹透镜和凸透镜焦距值，即为满足光学系统设计要求的透镜组合。

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