超高精度超高稳定度离轴四反光学系统设计

这是一篇关于光学设计,离轴四反系统,望远镜,无焦,空间引力波探测的论文, 主要内容为在爱因斯坦广义相对论中,引力波已经被预测。广义相对论预测:大质量物体移动时会导致时空结构扭曲,产生以光速向外传播的涟漪,这些涟漪被称为引力波,引力波探测技术已成为现代天文学和物理学的重要组成部分,有望在许多不同领域产生深远的影响。引力波产生于太空中物体关系的变化,且预测容易受到爱因斯坦广义相对论的管辖。空间引力波探测提供了观察、测试广义相对论并进一步改进相对论的机会。引力波的发现开辟了引力波天文学研究的新纪元,是人类观测宇宙的一个新窗口。空间引力波探测器可以探测到0.1m Hz～1Hz的低频引力波信号,可以与地面探测器的探测频段互为补充,实现更宽波段范围的引力波探测。空间引力波探测器通常由一对发射和接收的激光干涉仪组成,它们用来测量空间中的引力波。当引力波经过时,它会影响到激光的传播路径和相位,从而产生干涉信号。通过分析这些信号,我们可以检测到引力波的存在和性质。星载望远镜是空间引力波探测卫星的关键载荷,是探测过程中激光收发系统的核心部件,其性能与稳定性直接影响引力波探测任务的成败。与传统望远镜不同,引力波探测试验中,光学波前倾斜项对引力波探测精度的影响不可忽略;低阶像差也会带入较大的位移测量噪声。作为长基线干涉仪,发射光束属于高斯光束,经过数十万公里传输,衍射引起的波前曲率误差直接影响远场能量分布,进而引入星间对准误差。在相距十几万到几百万公里水平的干涉臂长下,实现1m Hz～0.1Hz频段引力波信号的探测,且测量精度达到皮米量级,这就要求作为光学终端的望远镜,必须有超高波前质量、超高光程稳定性、超高杂光抑制能力和超稳力热适应性,才能确保测量精度。针对空间引力波探测需求,本文设计了一款超高精度超高稳定度的离轴四反无焦光学系统。作为探测激光束的收发装置,望远镜光学系统采用离轴四反射光学结构,主反射镜M1和次反射镜M2形成一次像面,再通过三镜M3和四镜M4形成无焦光路,在一次像面处放置光阑,可以有效抑制杂散光,提高测量精度。望远镜光学元件均采用超低膨胀系数的微晶玻璃,有效提升整个系统的力热稳定性。由于干涉臂长在百万公里量级,为保证接收信号强度,光学系统应具备大口径、大倍率的特点,本文所设计光学系统,入瞳设置为300mm,出瞳大小为5mm,望远镜放大倍率达到60倍。系统视场有两个,一个是200μrad的捕获视场,一个是20μrad的科学视场,捕获视场是在轨卫星互相捕获所需要的视场,科学视场为望远镜的工作视场,考虑到在轨卫星的指向稳定性,在此视场内能够更好的完成引力波测量任务。根据光学系统基本参数,首先设计同轴四反系统,在同轴系统的基础上,通过孔径离轴的方式得到需要的离轴结构。系统优化过程中控制好镜子之间的距离以及出瞳位置,以便与其后端的干涉装置相承接。星间激光干涉测量系统中,光束的角度倾斜会对测量结果造成干扰,产生抖动光程耦合噪声(Tilt-ToLength TTL),它是引力波探测的重要噪声来源。此外,如果望远镜科学视场内的光程一致性较差,当发射端望远镜与接收端望远镜的光轴产生微量偏移,光学系统的非对称波前误差也会引入TTL,因此科学视场内的RMS波前误差和TTL抑制水平是评价望远镜光学系统的关键指标。设计过程中将孔径光阑设置在出瞳位置,降低主光线在光瞳上的弥散和分离度,减少光程OPL随视场的变化率。孔径光阑位于出瞳位置处(后端光学平台的入瞳)还有利于限制进入后端的杂散光,严格控制M4出射主光线与光轴的平行度,降低耦合TTL误差。通过优化一次像面倾角和M3自由曲面的项数匹配,使系统具备更优的TTL误差和波前RMS综合光学性能指标。经过优化得到合理的光学系统结构,科学视场(±20μrad)内,望远镜抖动光程耦合噪声(Tilt-To-Length TTL)小于0.06pm/nrad,科学视场各边缘(X,Y方向±20urad)的RMS波前像差小于0.002λ,对准视场(±200μrad)内成像质量达到衍射极限。最后对望远镜光学系统进行了公差分析和热稳定性分析,公差分析结果满足设计、加工、装配要求。温度影响分析结果显示:均匀温度场导致的热膨胀虽改变光学间隔,但不同视场的光程差变化量很小,即δTTL很小。TTL主要受影响于温度梯度导致的面形改变。综上所述,星载望远镜光学系统设计通过对设计需求、设计原则、约束条件、技术指标的解析和细化,经过多次优化迭代,同时开展了性能、公差、温度影响分析,该设计结果能够满足引力波探测星载望远镜的技术指标和功能要求。

大气风场探测多普勒非对称空间外差干涉仪系统研究

这是一篇关于中高层大气风场,多普勒效应,多普勒非对称空间外差干涉仪系统,信噪比,光学设计的论文, 主要内容为随着航天航空技术的飞速发展和大气环境科学的广泛应用,中高层大气风场信息对我们的空间活动和科学技术有着至关重要的作用。为获取中高层大气风场信息,国内外研究人员不断升级探测手段研制出各种探测系统。多普勒非对称空间外差(Doppler Asymmetric Spatial Heterodyne,DASH)干涉技术作为近几年新兴的中高层大气风场探测技术之一,目前在国内的研究并不深入,理论体系还不完善。地基式多普勒非对称空间外差干涉仪系统是研究的第一步,也是最基础和最亟需解决的问题。本文从中高层大气的研究意义出发,开展了多普勒非对称空间外差干涉仪系统设计和实验验证这两个方面的相关研究,本论文的主要工作分为以下几方面:1、首先对中高层大气风场的探测目的进行阐述。由于中高层大气风场探测方式分为主动测风、被动测风、地基观测以及星载观测,而本文主要针对被动测风技术进行叙述,所以通过对法布里-珀罗干涉仪等设备测量原理以及优缺点的讨论,发现DASH干涉仪在它们的结构基础上,可以避免它们的不足,实现对中高层大气更经济有效的探测。另外,对DASH干涉仪的国内外发展现状进行了概括。2、主要针对DASH干涉仪系统测风的探测机理进行阐述,分析了气辉特点及反应机制,阐述三种典型气辉的成分与特性,指出气辉作为目标光源的选择原则。光的多普勒效应作为被动测风技术的基础理论,是DASH干涉仪系统测风工作的基础和前提条件,文中指出光的多普勒效应的一般公式。介绍DASH系统的基本结构与基础原理,并阐述针对干涉图相位反演基本原理。3、阐述了DASH干涉仪的系统设计过程。首先对干涉模块进行了最优光程差设计、热补偿设计以及视场扩展设计。同时对风速测量过程中产生的各种热漂移引起的风速测量误差进行分析、计算和校正。其次,针对系统前、后组光学系统进行设计与仿真,仿真计算表明,前、后组光学系统的设计结果都满足探测结果。在此基础上,对DASH干涉仪系统的信噪比与集光率等关键指标参数进行计算。最后,针对系统的外界影响因素进行分析,主要探讨了系统信噪比对风速测量精度影响以及杂散光对风速测量精度影响。4、根据上述设计结果,搭建实验平台,通过实验对设计结果进行验证。介绍了实验中需要的光学元件和有源元件,阐述了风速模拟装置的工作原理,并对风速模拟装置进行误差分析。通过进行室内实验平台搭建,验证以氪灯为探测目标,进行室内探测的可行性,为进行风速模拟验证奠定基础。经过风速模拟实验,在无温控系统条件下,风速测量结果在合理范围内。在室内实验的基础上,对DASH干涉仪进行一体化胶合,以夜气辉为探测目标进行室外地基观测实验,并成功获取相应的干涉条纹,验证了DASH干涉仪系统设计结果合理,系统信噪比及光通量达到探测要求,证明了DASH干涉仪地基探测的可行性。最后通过室内两组实验,在干涉模块温度相差0.2℃的情况下,对应的平均风速值相差10.8m/s,综合其他器件产生的风速测量误差,实验结果与热补偿设计中偏置量导致的误差结果相符合。同时证明了在具备温控系统情况下,系统风速测量误差可以控制在一定精度范围内。

大气风场探测多普勒非对称空间外差干涉仪系统研究

这是一篇关于中高层大气风场,多普勒效应,多普勒非对称空间外差干涉仪系统,信噪比,光学设计的论文, 主要内容为随着航天航空技术的飞速发展和大气环境科学的广泛应用,中高层大气风场信息对我们的空间活动和科学技术有着至关重要的作用。为获取中高层大气风场信息,国内外研究人员不断升级探测手段研制出各种探测系统。多普勒非对称空间外差(Doppler Asymmetric Spatial Heterodyne,DASH)干涉技术作为近几年新兴的中高层大气风场探测技术之一,目前在国内的研究并不深入,理论体系还不完善。地基式多普勒非对称空间外差干涉仪系统是研究的第一步,也是最基础和最亟需解决的问题。本文从中高层大气的研究意义出发,开展了多普勒非对称空间外差干涉仪系统设计和实验验证这两个方面的相关研究,本论文的主要工作分为以下几方面:1、首先对中高层大气风场的探测目的进行阐述。由于中高层大气风场探测方式分为主动测风、被动测风、地基观测以及星载观测,而本文主要针对被动测风技术进行叙述,所以通过对法布里-珀罗干涉仪等设备测量原理以及优缺点的讨论,发现DASH干涉仪在它们的结构基础上,可以避免它们的不足,实现对中高层大气更经济有效的探测。另外,对DASH干涉仪的国内外发展现状进行了概括。2、主要针对DASH干涉仪系统测风的探测机理进行阐述,分析了气辉特点及反应机制,阐述三种典型气辉的成分与特性,指出气辉作为目标光源的选择原则。光的多普勒效应作为被动测风技术的基础理论,是DASH干涉仪系统测风工作的基础和前提条件,文中指出光的多普勒效应的一般公式。介绍DASH系统的基本结构与基础原理,并阐述针对干涉图相位反演基本原理。3、阐述了DASH干涉仪的系统设计过程。首先对干涉模块进行了最优光程差设计、热补偿设计以及视场扩展设计。同时对风速测量过程中产生的各种热漂移引起的风速测量误差进行分析、计算和校正。其次,针对系统前、后组光学系统进行设计与仿真,仿真计算表明,前、后组光学系统的设计结果都满足探测结果。在此基础上,对DASH干涉仪系统的信噪比与集光率等关键指标参数进行计算。最后,针对系统的外界影响因素进行分析,主要探讨了系统信噪比对风速测量精度影响以及杂散光对风速测量精度影响。4、根据上述设计结果,搭建实验平台,通过实验对设计结果进行验证。介绍了实验中需要的光学元件和有源元件,阐述了风速模拟装置的工作原理,并对风速模拟装置进行误差分析。通过进行室内实验平台搭建,验证以氪灯为探测目标,进行室内探测的可行性,为进行风速模拟验证奠定基础。经过风速模拟实验,在无温控系统条件下,风速测量结果在合理范围内。在室内实验的基础上,对DASH干涉仪进行一体化胶合,以夜气辉为探测目标进行室外地基观测实验,并成功获取相应的干涉条纹,验证了DASH干涉仪系统设计结果合理,系统信噪比及光通量达到探测要求,证明了DASH干涉仪地基探测的可行性。最后通过室内两组实验,在干涉模块温度相差0.2℃的情况下,对应的平均风速值相差10.8m/s,综合其他器件产生的风速测量误差,实验结果与热补偿设计中偏置量导致的误差结果相符合。同时证明了在具备温控系统情况下,系统风速测量误差可以控制在一定精度范围内。

大气风场探测多普勒非对称空间外差干涉仪系统研究

这是一篇关于中高层大气风场,多普勒效应,多普勒非对称空间外差干涉仪系统,信噪比,光学设计的论文, 主要内容为随着航天航空技术的飞速发展和大气环境科学的广泛应用,中高层大气风场信息对我们的空间活动和科学技术有着至关重要的作用。为获取中高层大气风场信息,国内外研究人员不断升级探测手段研制出各种探测系统。多普勒非对称空间外差(Doppler Asymmetric Spatial Heterodyne,DASH)干涉技术作为近几年新兴的中高层大气风场探测技术之一,目前在国内的研究并不深入,理论体系还不完善。地基式多普勒非对称空间外差干涉仪系统是研究的第一步,也是最基础和最亟需解决的问题。本文从中高层大气的研究意义出发,开展了多普勒非对称空间外差干涉仪系统设计和实验验证这两个方面的相关研究,本论文的主要工作分为以下几方面:1、首先对中高层大气风场的探测目的进行阐述。由于中高层大气风场探测方式分为主动测风、被动测风、地基观测以及星载观测,而本文主要针对被动测风技术进行叙述,所以通过对法布里-珀罗干涉仪等设备测量原理以及优缺点的讨论,发现DASH干涉仪在它们的结构基础上,可以避免它们的不足,实现对中高层大气更经济有效的探测。另外,对DASH干涉仪的国内外发展现状进行了概括。2、主要针对DASH干涉仪系统测风的探测机理进行阐述,分析了气辉特点及反应机制,阐述三种典型气辉的成分与特性,指出气辉作为目标光源的选择原则。光的多普勒效应作为被动测风技术的基础理论,是DASH干涉仪系统测风工作的基础和前提条件,文中指出光的多普勒效应的一般公式。介绍DASH系统的基本结构与基础原理,并阐述针对干涉图相位反演基本原理。3、阐述了DASH干涉仪的系统设计过程。首先对干涉模块进行了最优光程差设计、热补偿设计以及视场扩展设计。同时对风速测量过程中产生的各种热漂移引起的风速测量误差进行分析、计算和校正。其次,针对系统前、后组光学系统进行设计与仿真,仿真计算表明,前、后组光学系统的设计结果都满足探测结果。在此基础上,对DASH干涉仪系统的信噪比与集光率等关键指标参数进行计算。最后,针对系统的外界影响因素进行分析,主要探讨了系统信噪比对风速测量精度影响以及杂散光对风速测量精度影响。4、根据上述设计结果,搭建实验平台,通过实验对设计结果进行验证。介绍了实验中需要的光学元件和有源元件,阐述了风速模拟装置的工作原理,并对风速模拟装置进行误差分析。通过进行室内实验平台搭建,验证以氪灯为探测目标,进行室内探测的可行性,为进行风速模拟验证奠定基础。经过风速模拟实验,在无温控系统条件下,风速测量结果在合理范围内。在室内实验的基础上,对DASH干涉仪进行一体化胶合,以夜气辉为探测目标进行室外地基观测实验,并成功获取相应的干涉条纹,验证了DASH干涉仪系统设计结果合理,系统信噪比及光通量达到探测要求,证明了DASH干涉仪地基探测的可行性。最后通过室内两组实验,在干涉模块温度相差0.2℃的情况下,对应的平均风速值相差10.8m/s,综合其他器件产生的风速测量误差,实验结果与热补偿设计中偏置量导致的误差结果相符合。同时证明了在具备温控系统情况下,系统风速测量误差可以控制在一定精度范围内。

基于深度学习的偏振光学系统自动优化设计研究

这是一篇关于光学设计,深度学习,自动优化,偏振像差,光线追迹的论文, 主要内容为光学设计是一个光学系统参数和结构参数非线性关系的优化过程,传统的光学优化算法存在阻尼因子影响大、收敛性较差等问题。近年来,深度学习飞速发展,具有学习能力强、准确率高等优势,并且能快速求解非线性问题。利用深度学习的非线性求解能力有望解决光学系统设计优化难题。另外,近年来,新兴的偏振探测技术成为研究热点,偏振探测精度要求越来越高,亟需在光学设计阶段对偏振像差进行有效控制,传统的设计方法难以快速精准调控光学系统的偏振像差分布。因此,本文提出一种基于深度学习的偏振光学系统自动优化设计方法,利用深度学习求解偏振像差与光学系统结构间的非线性关系,实现偏振光学系统的自动优化设计,提升光学系统偏振像差的优化效果,解决光学设计中偏振像差调控难题。首先,针对光学系统的非线性优化问题,构建了光学系统自动优化设计的神经网络模型;根据训练需求,基于8组公开镜头库的参考镜头生成了监督训练和无监督训练数据;构建了转化模型,该转换模型能将网络输出的厚度参数转换为光学系统中实际可用的厚度;设计了监督训练损失函数;推导了求解系统曲率的通用表达式,从理论上验证了无监督训练中光线追迹算法的可行性和正确性;设计了无监督损失函数,结合监督训练和无监督训练过程,实现了透射式光学系统的自动优化设计。然后,针对光学系统中的偏振像差优化问题,研究了偏振光线追迹过程,通过穆勒矩阵的求解,确定了光学系统结构对于偏振度的影响;设计了基于偏振光线追迹的无监督损失函数;提出了偏振光学系统设计的预训练方法,通过改变样本数据大小、迭代次数、学习率等训练参数优化训练了网络模型,完成了偏振光学系统的自动优化设计。最后,开展了交叉训练实验,对比分析了深度学习设计结果和参考镜头的点斑大小。利用网络模型生成了100万组光学镜头,在归一化焦距下,以点斑大小不超过0.01um时为设计评价标准,设计成功率优于96.4%,该成功率说明了网络模型的泛化能力,同时,验证了网络模型偏振光学系统设计的能力;通过对比分析深度学习设计结果和参考镜头的偏振度变化量,生成的系统偏振度变化量比参考镜头降低至少4%。在保证系统成像质量的前提下,有效控制了光学系统偏振效应,验证了基于深度学习的偏振光学系统自动优化设计方法的可行性。本文提出的深度学习光学设计方法为未来复杂光学系统提供了新的解决思路,同时也为提升偏振光学系统等特殊光学系统设计精度提供了有效途径。可用于空间目标探测、多维度光学遥感、高精度偏振放生导航、光刻物镜等高精度光学系统的优化设计,为新一代智能光学系统设计提供了理论基础。

矩形大口径近红外激光光束质量评价光机系统设计

这是一篇关于激光器,光束质量,自适应光学,光学设计,机械结构设计的论文, 主要内容为自激光器诞生以来,在军事、航天、社会等多领域越来越受关注。激光光束质量是评价激光器性能的重要指标之一,自适应光学技术对激光光束质量提高和改善起着关键作用,光束质量改善程度的准确评价对激光技术发展有着十分重要的意义。板条状增益介质的结构特性使激光器输出光束呈矩形状,需要实现对矩形口径激光束的多参数测量与评价,包括波前、光束质量和均匀度等。同时,由于固体板条激光器功率提升,导致其输出口径不断增大,使得激光光束质量评价系统的设计难度不断增加,难点在于满足共轭成像、无热化、小体积的需求下,实现大口径、多参数的测量与评价。基于上述问题,本文针对矩形大口径近红外激光光束质量评价系统开展研究,主要工作如下:(1)对现有光束质量评价系统及方法进行总结和分析,研究分析固体板条激光器输出光束的特性,为方案制定提供支撑。通过分析典型的望远光学系统,结合开普勒系统共轭成像原理,确定采用大倍率光束压缩的技术方法,结合非球面技术,满足大口径、小体积设计要求;进一步采用共口径、多通道分光的探测方案,实现多参数的测量。(2)对光学系统的技术指标进行设计与分析,结合像差理论及摄远成像理论,分析、计算、确定各探测单元的初始结构参数。利用光学设计软件对初始结构参数进行优化,并进行无热化设计,获得矩形大口径近红外激光光束质量评价光学系统模型,对其成像质量进行优化与分析。最后采用蒙特卡罗法进行公差分析,分析加工和装调误差对系统像质的影响。(3)对评价系统的主框架和各子单元进行机械结构设计。采用有限元分析的方法,分析计算光学系统和机械结构因重力和温度产生的形变对光学系统像质的影响。仿真结构表明:重力载荷下,系统形变较小,成像质量几乎不受影响。重力和温度综合载荷下,系统的波像差PV值优于0.23λ,满足工程应用要求。(4)对矩形大口径近红外激光光束质量评价系统测试平台进行搭建,验证评价系统设计方案的可行性与稳定性。实验结果表明,系统在20±10℃温度范围内具有良好的稳定性,系统波前像差的PV值、RMS值,光束质量β因子和均匀性最大变动量分别为:PV=0.022μm、RMS=0.012μm,Δβ=0.058倍衍射极限,9)=0.098。符合光电仪器紧凑型、轻量化的发展趋势,对光束质量评价系统多参数探测、轻小型化设计具有一定的借鉴意义。

大气风场探测多普勒非对称空间外差干涉仪系统研究

这是一篇关于中高层大气风场,多普勒效应,多普勒非对称空间外差干涉仪系统,信噪比,光学设计的论文, 主要内容为随着航天航空技术的飞速发展和大气环境科学的广泛应用,中高层大气风场信息对我们的空间活动和科学技术有着至关重要的作用。为获取中高层大气风场信息,国内外研究人员不断升级探测手段研制出各种探测系统。多普勒非对称空间外差(Doppler Asymmetric Spatial Heterodyne,DASH)干涉技术作为近几年新兴的中高层大气风场探测技术之一,目前在国内的研究并不深入,理论体系还不完善。地基式多普勒非对称空间外差干涉仪系统是研究的第一步,也是最基础和最亟需解决的问题。本文从中高层大气的研究意义出发,开展了多普勒非对称空间外差干涉仪系统设计和实验验证这两个方面的相关研究,本论文的主要工作分为以下几方面:1、首先对中高层大气风场的探测目的进行阐述。由于中高层大气风场探测方式分为主动测风、被动测风、地基观测以及星载观测,而本文主要针对被动测风技术进行叙述,所以通过对法布里-珀罗干涉仪等设备测量原理以及优缺点的讨论,发现DASH干涉仪在它们的结构基础上,可以避免它们的不足,实现对中高层大气更经济有效的探测。另外,对DASH干涉仪的国内外发展现状进行了概括。2、主要针对DASH干涉仪系统测风的探测机理进行阐述,分析了气辉特点及反应机制,阐述三种典型气辉的成分与特性,指出气辉作为目标光源的选择原则。光的多普勒效应作为被动测风技术的基础理论,是DASH干涉仪系统测风工作的基础和前提条件,文中指出光的多普勒效应的一般公式。介绍DASH系统的基本结构与基础原理,并阐述针对干涉图相位反演基本原理。3、阐述了DASH干涉仪的系统设计过程。首先对干涉模块进行了最优光程差设计、热补偿设计以及视场扩展设计。同时对风速测量过程中产生的各种热漂移引起的风速测量误差进行分析、计算和校正。其次,针对系统前、后组光学系统进行设计与仿真,仿真计算表明,前、后组光学系统的设计结果都满足探测结果。在此基础上,对DASH干涉仪系统的信噪比与集光率等关键指标参数进行计算。最后,针对系统的外界影响因素进行分析,主要探讨了系统信噪比对风速测量精度影响以及杂散光对风速测量精度影响。4、根据上述设计结果,搭建实验平台,通过实验对设计结果进行验证。介绍了实验中需要的光学元件和有源元件,阐述了风速模拟装置的工作原理,并对风速模拟装置进行误差分析。通过进行室内实验平台搭建,验证以氪灯为探测目标,进行室内探测的可行性,为进行风速模拟验证奠定基础。经过风速模拟实验,在无温控系统条件下,风速测量结果在合理范围内。在室内实验的基础上,对DASH干涉仪进行一体化胶合,以夜气辉为探测目标进行室外地基观测实验,并成功获取相应的干涉条纹,验证了DASH干涉仪系统设计结果合理,系统信噪比及光通量达到探测要求,证明了DASH干涉仪地基探测的可行性。最后通过室内两组实验,在干涉模块温度相差0.2℃的情况下,对应的平均风速值相差10.8m/s,综合其他器件产生的风速测量误差,实验结果与热补偿设计中偏置量导致的误差结果相符合。同时证明了在具备温控系统情况下,系统风速测量误差可以控制在一定精度范围内。

LIBS远程检测系统的自聚焦模块设计与实现

这是一篇关于重金属,激光诱导击穿光谱,远程检测,光学设计,自聚焦控制的论文, 主要内容为近些年来,随着我国工业的迅猛发展,土壤重金属问题日益凸显,其对人体健康、经济发展、自然环境等造成了极大的危害。但现有的土壤检测体系时效性差、资源消耗巨大,为了及时检测一些重金属污染事件以及能够顺利开展土壤治理的工作,非常有必要建立一套实时、在线、快速的土壤重金属污染智能监控体系。在该监控体系里,为了实现实时在线检测,并减少人力物力的消耗,采用了远程检测的方法。激光诱导击穿光谱技术(Laser induced breakdown spectroscopy,LIBS)因其可原位、远程、多元素联测等特点,在土壤检测领域中得到了越来越广泛的应用。本文面向土壤重金属检测的需求,基于LIBS远程检测原理,设计了一种自聚焦LIBS系统,包括硬件控制、光学结构、自聚焦运动控制程序的设计和研发,然后根据对土壤Cr元素定量分析的结果验证了自聚焦结构的性能。主要开展了以下工作:(1)以变焦光学系统为主体,完成了激光器、激光测距仪、伺服电机、电子尺、光谱仪、树莓派以及电源等设备的机械集成设计,同时完成了集成设备的整体控制电路和通信连接设计。(2)以卡塞格林-施密特望远镜为基础完成了LIBS远程检测系统的自聚焦结构设计和搭建,该结构是一个激光聚焦和信号光收集同轴的变焦光学结构,且优化了整个光学系统的能量阈值极限、工作效率、球差、色差等参数,使得等离子体的成像质量更好,且能量损失率为35%。(3)以树莓派为主控系统,串口通信为基础,基于RS485数据传输协议,通过Python语言完成了自聚焦运动控制程序的开发,可变焦距离为1～5m,变焦精度能够达到1cm。该程序可通过改变自聚焦结构中副镜的位置来实现变焦,在自动聚焦过程中,副镜分为高功率和低功率两种运动模式,移动误差小于100μm,变焦响应时间小于2s。(4)完成了设备的初步测试,根据测试结果该设备搭配无人机使用最优工作距离为2～4米,通过自动聚焦进行了土壤Cr元素含量的测量,验证了设备检测的准确性和稳定性。