CN106443638A - 一种激光回波传输特性的分析方法、验证系统及验证方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种激光回波传输特性的分析方法、验证系统及验证方法。分析方法包括：将猫眼系统等效为一个薄透镜和一个反射镜，将高斯光束照射猫眼系统的传输过程等效为一个具有离焦量的4f系统；利用矩阵光学对4f系统进行分析，得到高斯光束照射猫眼系统的传输矩阵；根据传输矩阵、高斯光束的ABCD定律、q参数的变换规律以及高斯光束的输入参数得到反射光束的光斑半径；根据反射光束发散角与反射光束的光斑半径之间的关系得到反射光束发散角与离焦量之间的关系。本发明实施例通过采用上述技术方案，揭示了离焦量对猫眼回波发散角影响的规律，其分析结果与基于几何光学的分析结果相比更加准确，具有很高的应用价值以及研究价值。

Description

一种激光回波传输特性的分析方法、验证系统及验证方法

技术领域

本发明实施例涉及激光探测技术领域，尤其涉及一种激光回波传输特性的分析方法、验证系统及验证方法。

背景技术

平行光束或者激光束在光轴方向上照射焦平面成像系统时，能够产生按原路返回的准直回光，即所谓“猫眼效应”。通过探测光电设备的光学窗口能够实现对目标的快速准确定位，根据“猫眼”目标的回波功率大约是背景漫反射功率的10²～10³倍可实现对“猫眼”目标的探测，因此深入分析“猫眼”目标回波传输特性具有很高的研究价值。

目前，普遍采用几何光学对基于猫眼效应的激光回波传输特性进行研究，而实际上激光束有着自身的传播规律，几何光学只能是一种近似的方法，仅能够得到激光回波的宏观特性，分析结果与实际情况存在偏差，因此现有的激光回波传输特性的分析方案存在较大的局限性，分析结果不够准确。

发明内容

本发明实施例的目的是提供一种激光回波传输特性的分析方法、验证系统及验证方法，以解决现有的基于几何光学的激光回波传输特性分析方案的分析结果准确度低的问题。

第一方面，本发明实施例提供了一种激光回波传输特性的分析方法，包括：

将猫眼系统等效为一个薄透镜和一个反射镜，将高斯光束照射所述猫眼系统的传输过程等效为一个具有离焦量的4f系统；

利用矩阵光学对所述4f系统进行分析，得到高斯光束照射所述猫眼系统的传输矩阵；

根据所述传输矩阵、高斯光束的ABCD定律、q参数的变换规律以及高斯光束的输入参数得到反射光束的光斑半径；

根据反射光束发散角与反射光束的光斑半径之间的关系得到反射光束发散角与离焦量之间的关系。

第二方面，本发明实施例提供了一种激光回波传输特性的验证系统，用于对本发明实施例提供的激光回波传输特性的分析方法中得到的反射光束发散角与离焦量之间的关系进行验证，该验证系统包括：激光器、第一衰减片、分光镜、薄透镜、包含第一图像传感器的微动工作台、第二衰减片和第二图像传感器；

所述激光器用于发射高斯光束，高斯光束依次经过所述第一衰减片、所述分光镜后及所述薄透镜会聚至所述第一图像传感器；

所述微动工作台用于调整所述验证系统的离焦量；

所述第一图像传感器用于将接收到的高斯光束反射至所述薄透镜，反射的高斯光束依次经过所述薄透镜、所述分光镜和所述第二衰减片后照射到所述第二图像传感器上；

所述第二图像传感器用于接收经过所述第二衰减片的高斯光束，并采集光斑图像。

第三方面，本发明实施例提供了一种激光回波传输特性的验证方法，用于应用本发明实施例所述的激光回波传输特性的验证系统对本发明实施例所述的激光回波传输特性的分析方法中得到的反射光束发散角与离焦量之间的关系进行验证，该方法包括：

开启激光器；

通过移动微动工作台来调整激光回波传输特性的验证系统的离焦量；

对于每个设定离焦量，根据第二图像传感器采集到的光斑图像计算光斑半径，根据所述光斑半径计算当前设定离焦量下对应的反射光束发散角实验值；

对于每个设定离焦量，根据本发明实施例所述的激光回波传输特性的分析方法中得到的反射光束发散角与离焦量之间的关系以及激光回波传输特性的验证系统的系统参数计算当前设定离焦量下对应的反射光束发散角理论值；

将反射光束发散角实验值与反射光束发散角理论值进行比较，得到验证结果。

本发明实施例中提供的激光回波传输特性的分析方案，将猫眼系统等效为一个薄透镜和一个反射镜，并对高斯光束的传输过程进行分析，利用高斯光束特性以及相关规律揭示了反射光束发散角与离焦量之间的关系，即揭示了离焦量对猫眼回波发散角影响的规律，其分析结果与基于几何光学的分析结果相比更加准确，具有很高的应用价值以及研究价值。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种猫眼反光光线示意图；

图2为本发明实施例提供的一种光学系统回波光线示意图；

图3为本发明实施例提供的高斯光束示意图；

图4为本发明实施例一提供的一种激光回波传输特性的分析方法的流程示意图；

图5为本发明实施例一提供的一种高斯光束经过薄透镜的传播示意图；

图6为本发明实施例一提供的一种4f系统示意图；

图7为本发明实施例二提供的一种激光回波传输特性的验证系统的示意图；

图8为本发明实施例三提供的一种激光回波传输特性的验证方法的示意图；

图9为本发明实施例三提供的一种高斯光束传输示意图；

图10为本发明实施例三提供的一种反射光束发散角的理论值及实验值的对比示意图。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

在更加详细地讨论示例性实施例之前应当提到的是，一些示例性实施例被描述成作为流程图描绘的处理或方法。虽然流程图将各步骤描述成顺序的处理，但是其中的许多步骤可以被并行地、并发地或者同时实施。此外，各步骤的顺序可以被重新安排。当其操作完成时所述处理可以被终止，但是还可以具有未包括在附图中的附加步骤。所述处理可以对应于方法、函数、规程、子例程、子程序等等。

为了方便理解本发明实施例的技术方案以及相应的有益效果，首先对本发明实施例所涉及的相关内容进行介绍。

基于光电系统“猫眼效应”的激光主动探测技术，可以通过发射一束激光对目标光电系统和光学设备进行照射，接收猫眼回波来实现瞄准、探测、跟踪、识别和定位，获取关于目标的重要信息(如距离和速度等)。进一步与强激光结合，可以有效地干扰乃至摧毁敌方光电系统。这类应用“猫眼效应”的主动探测原理和技术的探测系统，在军事领域方面有非常光明的实用前景。

随着激光技术的迅速发展，光学技术、红外技术、广泛应用的高性能预警系统和防护系统以及光电侦察成为很多研究学者越来越重视的技术。光电对抗系统不仅可以非常准确迅速地侦察目标，而且还可以对发现的目标进行相当精确的攻击，因而逐渐地在早期预警、防护及侦察等应用中发挥出巨大的作用。目前，光电技术迅速发展成为最新兴起的技术，对于存在一定距离的光电设备如何实现精准且快速的定位是其最根本和最主要的任务，所以，如何有效地探测对方的光电系统且得到对方的光电系统的信息已经成为光电对抗系统领域中的研究热点。在光电对抗系统中，最重要的任务是如何快速准确的侦察到敌方光电武器装备隐藏的位置。目前，光电搜索系统、光电侦察系统、光电跟踪系统、光电制导系统以及光电火控系统在军事上的应用是非常普遍的，同时，这些系统在目标探测、目标识别、精准制导、精准瞄准以及飞行辅助和信息对抗等军事应用领域方面大量应用，主要起到两个重要作用：1.提高军队的战斗力；2.提供准确检测光电系统的新的方法。绝大多数光电设备都是通过有限口径且具有汇聚作用的光学系统把带有目标信息的光信号汇聚到光电传感器，这种光电传感器不仅要高灵敏度地将带有目标信息的光信号接收并转换成电信号，还要将所接收的一部分光信号如同猫的眼睛一样的反射出去。

当激光光束照射目标的光学窗口，并且进入光学系统的视场时，由于“猫眼效应”的特性，光学系统会将所汇聚的激光信号的一部分按照原来的光路反射回去，反射光在传输的过程中被光学系统准直后，会变得更加明亮。无论入射光以何种入射角度传输到“猫眼系统”，只要入射光能够传输到“猫眼系统”的光电传感器，反射光就会按照原路返回，并且通常反射的回波信号强度是目标漫反射回波强度的10²-10⁴倍，其中包含目标的各种信息，通过对反射光信号进行分析和处理，就可以识别目标类型，确定目标光电检测设备的位置。可见，利用主动发射激光对光电装备进行探测，并接收到探测信号是这类探测系统的最大的特点。此类探测系统不仅仅可以提供攻击武器的数据，而且还可以更多地应用于目标搜寻定位、防空反导、信息获取与监视等军事领域，随着科技的发展，这类探测系统的优势还体现在其信息化和智能性。

典型光电系统如望远镜、观瞄仪及成像探测器等，通过光学系统将探测目标所辐射、反射或者散射的光信号会聚到传感器或分划板，以实现目标探测，而焦平面处的传感器或分划板表面的反射率较背景高许多。由光路可逆原理，进入光电系统的光束会沿原路返回，且可以产生明亮的反射光，因而回波功率比较大，图1为本发明实施例提供的一种猫眼反光光线示意图，如图1所示，这种现象称为光电系统的“猫眼效应”。

图2为本发明实施例提供的一种光学系统回波光线示意图，图2示出了“猫眼效应”光学系统反射光的回波的光路图，激光光束通过光学会聚系统201后聚焦照射反射面202，部分光被反射并按原路经过光学会聚系统201后，可由一个光电探测系统接收。到达接收系统的反射光携带目标的各种信息，通过对回波的解析可以获得目标的信息，因此可以用于目标跟踪、定位、制导等。猫眼回波的质量直接决定了探测信息的质量，而猫眼回波的传输特性某种程度上决定了回波的质量，因此有必要研究“猫眼效应”的反射光的传输特性。

下面对高斯光束的传输特性进行相关介绍。

激光谐振腔发出的基模辐射场，其横截面的振幅分布符合高斯函数，因而称高斯光束，高斯光束是亥姆霍兹方程在缓变振幅近似下的一个特解即Z＝0处，在自由空间中以非均匀高斯球面波的形式传输，其传输方程为：

式中ω(z)为光斑半径，R(z)为等相位面曲率半径，r²＝x²+y²中r为高斯光束在xoy平面内的极坐标，x为高斯光束在xoy平面内的x轴坐标，y为高斯光束在xoy平面内的y轴坐标，Ψ为相位因子，z为z轴坐标，下角标为0的参数为高斯光束初始的参数。

图3为本发明实施例提供的高斯光束示意图。高斯光束在z为常数的面内，场振幅以高斯函数exp(-r²/ω²(z))的形式从中心向外平滑的减小，且在近轴形式下，高斯光束的等相位为球形，球面的曲率半径R(z)可由公式得出，高斯光束在其轴线附近可以看作是一种非均匀高斯球面波，且在传播过程中曲率中心一直在改变，其振幅在横截面内为高斯函数，强度集中在轴线及其附近，且等相位面保持为球面如图3。

现有技术中研究“猫眼效应”的反射光的传输特性，采用的是几何光学进行分析研究，然而几何光学存在局限性，运用几何光学法研究“猫眼效应”得到的只能是反射光宏观的规律特征，由上面的内容可知高斯光束是一种特殊的高斯球面波，在横截面上呈现出高斯型的振幅分布，且不同的横截面的曲率半径也不相同，在远场传输时会产生较大误差，基于几何光学的分析方法并不能描述其实际传输过程，分析结果不够准确。

基于“猫眼效应”的激光主动探测通过发射一束激光，然后对光电系统或光学观测设备扫描侦察，因为其可以像猫眼一样，反射光可以原路反射回来，因此其光学系统有非常强烈的反射光，可以用来区分漫射目标探测过程，按照激光回波的传播过程，激光将受到许多因素影响如激光参数、大气的传输特点和目标光学系统参数。从激光回波功率表达式可以看出，“猫眼效应”的目标发散角是影响回波功率是一个重要的因素。一是它可以表示出激光束在长距离传输时的光束的发散性，二是它与束腰的乘积是近参数，目前被许多学者研究，下面公式为应用国际标准化组织(International Organization forStandardization，ISO)统一规范的法则，其反应了传输光束聚焦的程度。

在上式中，光学系统口径D和激光光束的波长λ一经确定，最后结果主要取决于激光束远场发散角θ。减小高斯光束的发散角不仅可以使激光的能量继续传输，可以使激光光束传输时达到高度一致的方向性，同时降低了对激光光束的发射功率和光学设备的灵敏度等方面地要求，并且可以远距离的传输。因此，研究高斯光束发散角对激光回波传输特性研究有着十分重要的意义。

实施例一

图4为本发明实施例一提供的一种激光回波传输特性的分析方法的流程示意图，如图4所示，该方法包括：

步骤401、将猫眼系统等效为一个薄透镜和一个反射镜，将高斯光束照射所述猫眼系统的传输过程等效为一个具有离焦量的4f系统。

本实施例中的猫眼系统具体可理解为待探测的光电系统，也即激光主动探测的目标。本实施例中将“猫眼系统”等效为一个薄透镜和一个反射镜来研究高斯光束的传输特性。当通过薄透镜时，高斯光束并没有发生变化还是为高斯光束。图5为本发明实施例一提供的一种高斯光束经过薄透镜的传播示意图，由透过薄透镜传播的高斯光束q参数变换规律可知，已知入射高斯光束束腰半径为ω₀，束腰光斑面积为s，束腰位置到透镜的距离为l，透镜的焦距为f，R为入射方等相位面曲率半径，R′为入射方等相位面曲率半径，各参数相互关系如图5，当C面取在像方束腰处，可以得到：

进而推导可以求得像方的束腰半径和束腰位置：

当一束高斯光束近似平行于光轴方向入射共焦成像系统时会发生“猫眼效应”。把高斯光束照射具有离焦量的“猫眼系统”的传输过程展开并等效为一个具有离焦量的4f系统。高斯光束在照射到猫眼系统中的薄透镜后经过反射镜再次经过薄透镜，高斯光束照射具有离焦量的猫眼系统的传输过程可理解为依次通过两个相同的薄透镜的传输过程。

图6为本发明实施例一提供的一种4f系统示意图，如图6所示，高斯光束依次通过了透镜1和透镜2，透镜1和透镜2是完全相同的薄透镜，图6中的δ为离焦量。按照图6所示的4f系统图，把入射的高斯光束分为对焦(离焦量为0时)和离焦两种情况，分别研究不同情况下发散角的变化。

步骤402、利用矩阵光学对4f系统进行分析，得到高斯光束照射猫眼系统的传输矩阵。

示例性的，本步骤中利用矩阵光学对所述4f系统进行分析，得到高斯光束照射所述猫眼系统的传输矩阵为：

其中，M为传输矩阵，f为薄透镜的焦距，l₁为入射高斯光束的束腰位置到相应的透镜的距离，l₂为反射光束的束腰位置到相应的透镜的距离，δ为离焦量。

步骤403、根据传输矩阵、高斯光束的ABCD定律、q参数的变换规律以及高斯光束的输入参数得到反射光束的光斑半径。

示例性的，本步骤具体可包括：

根据所述传输矩阵、高斯光束的ABCD定律及q参数的变换规律得到：

其中，q_r为q参数，q_i为入射高斯光束的输入参数。

示例性的，可将传输矩阵M转化成的形式，得到A、B、C和D的表达式，再根据得到式(9)。

将代入式(9)，得到反射光束的光斑半径：

其中，w_r为反射光束的光斑半径，w_i为入射高斯光束的束腰半径，λ为激光波长，l＝l₁＝l₂。

步骤404、根据反射光束发散角与反射光束的光斑半径之间的关系得到反射光束发散角与离焦量之间的关系。

具体的，反射光束发散角与反射光束的光斑半径之间的关系由如下公式表示：

其中，θ_r为反射光束发散角。

高斯光束的横截面的曲率半径公式如下：

可见，高斯光束在传输过程时，当传输到束腰位置实为平面波。瑞利范围是指从高斯光束的束腰达到光束最小曲率半径位置的距离。在高斯光束的束腰到瑞利范围之间的距离被称为近场，需要满足条件：传输距离Z小于等于瑞利长度。而实际应用中所测量的发散角是指高斯光出传输很远距离后的发散角即远场发散角，根据现有知识可知：在10倍的瑞利长度以外的传输距离可视为远场，满足条件：传输距离Z大于等于10倍的瑞利长度。当传输距离为无穷远时，高斯光束发散角可以表示为高斯光束的光斑半径随传播距离的变化率即

由上式(14)可得到式(11)。

进一步的，根据反射光束发散角与反射光束的光斑半径之间的关系得到反射光束发散角与离焦量之间的关系由如下公式表示：

通过上述公式可以得出：发散角与束腰半径、离焦量、焦距、波长之间的关系，但是一旦激光器确定，即激光波长、束腰半径就为定值，当光电系统确定后，焦距也为定值，因此由上可知发散角直接由离焦量决定，也即得到了反射光束发散角与离焦量之间的关系。

本发明实施例一提供的激光回波传输特性的分析方法，将猫眼系统等效为一个薄透镜和一个反射镜，并对高斯光束的传输过程进行分析，利用高斯光束特性以及相关规律揭示了反射光束发散角与离焦量之间的关系，即揭示了离焦量对猫眼回波发散角影响的规律，其分析结果与基于几何光学的分析结果相比更加准确，具有很高的应用价值以及研究价值。

实施例二

图7为本发明实施例二提供的一种激光回波传输特性的验证系统的示意图，该系统用于对本发明实施例提供的激光回波传输特性的分析方法中得到的反射光束发散角与离焦量之间的关系进行验证，该系统包括：激光器701、第一衰减片702、分光镜703、薄透镜704、包含第一图像传感器706的微动工作台705、第二衰减片707和第二图像传感器708。

其中，激光器701用于发射高斯光束，高斯光束依次经过第一衰减片702、分光镜703后及薄透镜704会聚至第一图像传感器706。微动工作台705用于调整验证系统的离焦量。第一图像传感器706用于将接收到的高斯光束反射至薄透镜704，反射的高斯光束依次经过薄透镜704、分光镜703和第二衰减片707后照射到第二图像传感器708上。第二图像传感器708用于接收经过第二衰减片707的高斯光束，并采集光斑图像。

示例性的，本实施例中所述的图像传感器具体可为电荷耦合器件(Charge-coupled Device，CCD)图像传感器，又称CCD图像控制器。

本发明实施例二提供的激光回波传输特性的验证系统，将猫眼系统等效为一个薄透镜和一个反射镜(第一图像传感器起到反射镜的作用)，应用该系统可对本发明实施例提供的激光回波传输特性分析方法中得到的结论进行验证。

实施例三

图8为本实施例三提供的一种激光回波传输特性的验证方法的示意图，该方法用于应用本发明实施例所述的激光回波传输特性的验证系统对本发明实施例所述的激光回波传输特性的分析方法中得到的反射光束发散角与离焦量之间的关系进行验证。如图8所示，该方法包括如下步骤：

步骤801、开启激光器。

步骤802、通过移动微动工作台来调整激光回波传输特性的验证系统的离焦量。

步骤803、对于每个设定离焦量，根据第二图像传感器采集到的光斑图像计算光斑半径，根据所述光斑半径计算当前设定离焦量下对应的反射光束发散角实验值。

具体的，利用如下公式根据所述光斑半径计算当前设定离焦量下对应的反射光束发散角实验值：

其中，θ为反射光束发散角实验值，K为第一近场位置与第二近场位置的距离差，ω₁为第一近场位置的光斑半径，ω₂为第二近场位置的光斑半径。

由式(14)可知，只要知道激光束的腰斑半径，就可求出远场发散角。图9为本发明实施例三提供的一种高斯光束传输示意图，如图9所示，在光束近场处取Z₁和Z₂两个点，可得到：

由上两式分别解出Z₁和Z₂并相减可以得到一个常数。

设Z₁-Z₂＝K，经过一系列化简后可得到：

式中

如果在Z₁与Z₂处分别测量出ω₁和ω₂，进而式出高斯光束的远场发散角。但公式过于繁琐。在一般情况下，当Z₁与Z₂相距不远时有

略去这个比1小得多的因子，则为

因此高斯光束的远场发散角的表达式如下：

进一步简化后，可得到式(16)只要在近场Z₁与Z₂处分别测量出高斯光束的光斑尺寸ω₁和ω₂，由上式(22)或式(16)就算出高斯光束传输过程中的远场发散角。

在本步骤中，可根据光斑半径得到上述的光斑尺寸ω₁和ω₂，下表1为同一离焦量下的猫眼系统的光斑半径和发散角的对应关系。

表1“猫眼系统”的光斑半径和发散角

步骤804、对于每个设定离焦量，根据本发明实施例所述的激光回波传输特性的分析方法中得到的反射光束发散角与离焦量之间的关系以及激光回波传输特性的验证系统的系统参数计算当前设定离焦量下对应的反射光束发散角理论值。

示例性的，激光回波传输特性的验证系统的系统参数包括：激光器发射的激光波长、高斯光束的束腰半径、薄透镜的焦距和高斯光束的束腰位置到薄透镜的距离。

示例性的，可通过MATLAB仿真计算的方式得到每个设定离焦量下对应的反射光束发散角理论值。

步骤805、将反射光束发散角实验值与反射光束发散角理论值进行比较，得到验证结果。

下表2示出了不同离焦量的情况下的发散角的理论值和实验值。

表2不同离焦量的情况下的发散角

具体的，本步骤可包括：绘制设定离焦量与反射光束发散角实验值的第一对应关系曲线；绘制设定离焦量与反射光束发散角理论值的第二对应关系曲线；在同一坐标系内比较所述第一对应关系曲线和所述第二对应关系曲线，得到验证结果。

图10为本发明实施例三提供的一种反射光束发散角的理论值及实验值的对比示意图，图中共示出了三条曲线，最上面一条曲线表示离焦量与理论发散角的关系，中间一条曲线表示离焦量与X轴发散角的关系，最下面一条曲线表示离焦量与Y轴发散角的关系。其中，理论发散角即反射光束发散角理论值，X轴发散角和Y轴发散角为反射光束发散角实验值。如图10所示，理论值对应的曲线和实验值对应的曲线非常接近，可有力的验证本发明实施例提供的激光回波传输特性的分析方法的分析结果具有很高的准确度。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种激光回波传输特性的分析方法，其特征在于，包括：

将猫眼系统等效为一个薄透镜和一个反射镜，将高斯光束照射所述猫眼系统的传输过程等效为一个具有离焦量的4f系统；

利用矩阵光学对所述4f系统进行分析，得到高斯光束照射所述猫眼系统的传输矩阵；

根据所述传输矩阵、高斯光束的ABCD定律、q参数的变换规律以及高斯光束的输入参数得到反射光束的光斑半径；

根据反射光束发散角与反射光束的光斑半径之间的关系得到反射光束发散角与离焦量之间的关系。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，利用矩阵光学对所述4f系统进行分析，得到高斯光束照射所述猫眼系统的传输矩阵为：

$M=\left[\begin{array}{cc}1& f+l_2\\ 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ -\frac{1}{f}& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}1& 2f+2\mathrm{\δ}\\ 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ -\frac{1}{f}& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}1& f+l_1\\ 0& 1\end{array}\right]$

其中，M为传输矩阵，f为薄透镜的焦距，l₁为入射高斯光束的束腰位置到相应的透镜的距离，l₂为反射光束的束腰位置到相应的透镜的距离，δ为离焦量。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，根据所述传输矩阵、高斯光束的ABCD定律、q参数的变换规律以及高斯光束的输入参数得到反射光束的光斑半径，包括：

根据所述传输矩阵、高斯光束的ABCD定律及q参数的变换规律得到：

$q_r=\frac{q_i\left(\frac{2{\mathrm{\δl}}_2}{f^2}-1\right)+\left(\frac{2{\mathrm{\δl}}_1{l}_2}{f^2}-2\left(l_1+l_2\right)\right)}{q_i\frac{2\mathrm{\δ}}{f^2}+\left(\frac{2{\mathrm{\δl}}_1}{f^2}-1\right)}=\frac{(2{\mathrm{\δl}}_2-f^2)q_i+2{\mathrm{\δl}}_1{l}_2-(l_1+l_2)f^2}{2{\mathrm{\δq}}_i+2{\mathrm{\δl}}_1-f^2}$

其中，q_r为q参数，q_i为入射高斯光束的输入参数，f为薄透镜的焦距，l₁为入射高斯光束的束腰位置到相应的透镜的距离，l₂为反射光束的束腰位置到相应的透镜的距离，δ为离焦量；

将代入上式，得到反射光束的光斑半径：

$w_r^2=\frac{{\mathrm{\λ}}^2{w}_i^2\[{\mathrm{\π}}^2{w}_i^4(2\mathrm{\δ}l-f^2)+4{\mathrm{\λ}}^2{l}^2{(\mathrm{\δ}l-f^2)}^2\]}{{\mathrm{\π}}^2{w}_i^4{f}^8{\mathrm{\λ}}^2+4{(2\mathrm{\δ}l-f^2)}^2{\[{\mathrm{\λ}}^{2}l(\mathrm{\δ}l-f^2)+{\mathrm{\δ\π}}^2{w}_i^4\]}^2}$

其中，w_r为反射光束的光斑半径，w_i为入射高斯光束的束腰半径，λ为激光波长，l＝l₁＝l₂。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，反射光束发散角与反射光束的光斑半径之间的关系由如下公式表示：

${\mathrm{\θ}}_r=\frac{\mathrm{\λ}}{{\mathrm{\πw}}_r}$

其中，θ_r为反射光束发散角，λ为激光波长，w_r为反射光束的光斑半径。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，根据反射光束发散角与反射光束的光斑半径之间的关系得到反射光束发散角与离焦量之间的关系由如下公式表示：

${\mathrm{\θ}}_r=\frac{\mathrm{\λ}}{{\mathrm{\πw}}_r}=\sqrt{\frac{{\mathrm{\π}}^2{w}_i^4{f}^8{\mathrm{\λ}}^{2}4{(\mathrm{\δ}l-f^2)}^2{\[{\mathrm{\λ}}^{2}l(\mathrm{\δ}l-f^2)+{\mathrm{\δ\π}}^2{w}_j^4\]}^2}{{\mathrm{\π}}^2{w}_i^2{f}^4\[{\mathrm{\π}}^2{w}_i^4(2\mathrm{\δ}l-f^2)+4{\mathrm{\λ}}^2{l}^2{(\mathrm{\δ}l-f^2)}^2\]}}$

6.一种激光回波传输特性的验证系统，用于对如权利要求1-5任一项所述的激光回波传输特性的分析方法中得到的反射光束发散角与离焦量之间的关系进行验证，其特征在于，所述验证系统包括：激光器、第一衰减片、分光镜、薄透镜、包含第一图像传感器的微动工作台、第二衰减片和第二图像传感器；

所述激光器用于发射高斯光束，高斯光束依次经过所述第一衰减片、所述分光镜后及所述薄透镜会聚至所述第一图像传感器；

所述微动工作台用于调整所述验证系统的离焦量；

所述第一图像传感器用于将接收到的高斯光束反射至所述薄透镜，反射的高斯光束依次经过所述薄透镜、所述分光镜和所述第二衰减片后照射到所述第二图像传感器上；

所述第二图像传感器用于接收经过所述第二衰减片的高斯光束，并采集光斑图像。

7.一种激光回波传输特性的验证方法，用于应用如权利要求6所述的激光回波传输特性的验证系统对如权利要求1-5任一项所述的激光回波传输特性的分析方法中得到的反射光束发散角与离焦量之间的关系进行验证，其特征在于，包括：

开启激光器；

通过移动微动工作台来调整激光回波传输特性的验证系统的离焦量；

对于每个设定离焦量，根据第二图像传感器采集到的光斑图像计算光斑半径，根据所述光斑半径计算当前设定离焦量下对应的反射光束发散角实验值；

对于每个设定离焦量，根据如权利要求1-5任一项所述的激光回波传输特性的分析方法中得到的反射光束发散角与离焦量之间的关系以及激光回波传输特性的验证系统的系统参数计算当前设定离焦量下对应的反射光束发散角理论值；

将反射光束发散角实验值与反射光束发散角理论值进行比较，得到验证结果。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，根据所述光斑半径计算当前设定离焦量下对应的反射光束发散角实验值，包括：

利用如下公式根据所述光斑半径计算当前设定离焦量下对应的反射光束发散角实验值：

$\mathrm{\θ}=\frac{\mathrm{\λ}\sqrt{K^2+4}}{\mathrm{\π}({\mathrm{\ω}}_1+{\mathrm{\ω}}_2)}$

其中，θ为反射光束发散角实验值，K为第一近场位置与第二近场位置的距离差，ω₁为第一近场位置的光斑半径，ω₂为第二近场位置的光斑半径。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，激光回波传输特性的验证系统的系统参数包括：

激光器发射的激光波长、高斯光束的束腰半径、薄透镜的焦距和高斯光束的束腰位置到薄透镜的距离。

10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，将反射光束发散角实验值与反射光束发散角理论值进行比较，得到验证结果，包括：

绘制设定离焦量与反射光束发散角实验值的第一对应关系曲线；

绘制设定离焦量与反射光束发散角理论值的第二对应关系曲线；

在同一坐标系内比较所述第一对应关系曲线和所述第二对应关系曲线，得到验证结果。