激光差分扫描探测方法及***
技术领域
本发明属于光学技术领域,尤其涉及激光差分扫描探测方法及***。
背景技术
在强后向散射介质中,相对于介质的强后向散射,要探测的远距离目标的激光回波信号通常都很微弱,有的甚至淹没在介质的后向散射中,直接检测的探测效能非常低,针对该问题目前已有多种解决方案:例如王江安教授等人提出了利用线偏振激光发射,利用介质和目标对激光的退偏效应不同,通过检测与发射激光偏振方向垂直的偏振方向的回波信号来提取出感兴趣的目标回波信号,但这样的探测将绝大部分激光能量将被检偏器滤掉,激光能量利用率较低;又例如利用探测后向散射光空间谱强度分布来从复杂后向散射噪声中提取目标的有用回波信号,但这样一个激光发射要对应一个面阵探测器,折合到每个面元上的发射功率更小,且算法复杂。
事实上针对强后向散射介质中的激光目标探测,差分探测是一种行之有效的探测方式。差分探测是用两束相对能量保持恒定(为了保证探测精度和灵敏度,两束探测光的能量最好能够始终相等)的探测光探测不同的两个目标区域,当目标出现在某一目标区域中,同时又不出现在另一目标区域中时,探测到的激光回波信号会出现明显的差异。而差分放大的特性就是当两路信号相等时,输出为0电平;而当两路信号差异明显时,差异越大,放大倍数越高。
为了保证探测灵敏度较高,进行差分探测所要解决的首要问题是两束探测光的能量应基本相等,其实现的方式有以下两种:第一种是使用两个功率稳定性非常高的发射激光器,采用这种方式,激光器的功率稳定性对探测灵敏度的影响较大,实现高灵敏度的远程探测很难;第二种是将一束激光分束成能量相等的两束探测光,采用该种方式只要激光的输出空间分布保持较好的对称性,功率稳定性对探测灵敏度的影响不大,因此可以有效地降低对发射激光器的功率稳定性要求,提高差分探测灵敏度。
在实际应用中只靠载体的运动进行搜索速度太慢,必须具备扫描搜索功能,但是在光学上扫描搜索就意味着探测光束要产生偏转,在此情况下始终保持两束差分光路的能量基本均衡是非常困难的,所有现有研究和专利都没有涉及或暗示着通过何种技术手段来实现扫描差分探测。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种激光差分扫描探测方法,本发明还要提供一种激光差分扫描探测***。
为解决上述技术问题,本发明激光差分扫描探测方法包括:
收发同步扫描步骤,用于对激光发射光束和两束激光回波光束进行同步扫描;
分光步骤,用于将激光发射光束由一束光分为能量基本相等的两束光,即将激光发射光束分为大小相等的两束;
激光回波光束接收处理步骤,用于接收经过所述收发同步扫描步骤处理的两束目标区域回波光束,并将该两个光信号分别转变为电信号;
差分放大处理步骤,用于对所述两个电信号进行差分放大处理,并从中提取有用的目标信息;
所述收发同步扫描步骤如果在所述分光步骤之前,则所述分光步骤采用的分光光学元件中,离所述收发同步扫描步骤采用的扫描光学元件最近的光学元件,位于所述收发同步扫描步骤采用的扫描光学元件的出瞳处;所述收发同步扫描步骤如果在所述分光步骤之后,则所述收发同步扫描步骤应保证分光之后的两束发射激光在扫描过程中能量不变。
为解决上述技术问题,本发明激光差分扫描探测***包括:
激光器,用作激光光源;
收发同步扫描光学分***,用于对激光发射光束和接收的两束激光回波光束进行同步扫描;
分光光学分***,用于将激光发射光束由一束光分为能量基本相等的两束光,即将激光发射光束分为大小相等的两束发射光束;
激光回波光束接收处理分***,用于接收经过所述收发同步扫描光学分***处理的两束目标区域回波光束,并将该两个光信号分别转变为电信号;
差分放大处理分***,用于对所述两个电信号进行差分放大处理,并从中提取有用的目标信息;
在激光发射光束的光路中,如果所述收发同步扫描光学分***在所述分光光学分***之前,则所述分光光学分***中,离所述收发同步扫描光学分***最近的光学元件,位于所述收发同步扫描光学分***的出瞳处;在激光发射光束的光路中,如果所述收发同步扫描光学分***在所述分光光学分***之后,则所述收发同步扫描光学分***应保证分光之后的两束激光发射光束在扫描过程中能量不变。
所述收发同步扫描光学分***可以为包括双面扫描镜和倒一倍转向望远镜,其中所述双面扫描镜的两个反射面分别用于对发射光束和接收光束进行扫描,所述倒一倍转向望远镜用于使所述双面扫描镜的两个反射面的扫描同步。
所述双面扫描镜具体可以为双面行扫描振镜。
相应地,所述分光光学分***可以为反射分光棱镜,其位于所述倒一倍转向望远镜的出瞳处,其分光方向可以平行于激光发射光束的扫描方向,也可以垂直于所述激光发射光束的扫描方向。
所述分光光学分***还可以为包括一个平面反射镜和一个透射分光棱镜,所述平面反射镜位于所述倒一倍转向望远镜的出瞳处,所述透射分光棱镜位于所述平面反射镜的反射光路中。
所述收发同步扫描光学分***还可以为一个收发扫描反射式转鼓,该收发扫描反射式转鼓的两个反射面分别用于对发射和接收光束进行扫描,相应地,所述分光光学分***置于所述激光器和所述收发扫描反射式转鼓之间,即该分光光学分***置于所述激光器和所述收发扫描反射式转鼓之间的激光发射光束光路中。该分光光学分***将激光器的发射光束由一束光分为垂直于扫描方向的能量基本相等的两束光,然后收发扫描反射式转鼓对该两束激光发射光束和该两束激光发射光束的回波光束进行同步扫描。
所述分光光学分***具体可以为一个透射分光棱镜。
所述激光回波光束接收处理分***可以为包括两个小视场接收分***。
在本发明中,离开激光差分探测***之前的激光均定义为发射激光。
本发明技术方案有效地解决了在激光扫描探测中如何将一束激光分为能量基本相等的两束激光的问题,从而实现了激光差分扫描探测,这对于激光探测技术在强后向介质中的应用开拓了一种新的有效途径。本发明激光差分扫描探测***结构简单,可靠性高,只要激光发射光束能够保持较好的对称性,对发射激光器的功率稳定性及其输出模式要求不高,结构上容易实现两束探测光的光程对称,保证差分探测的灵敏度。
附图说明
图1是本发明激光差分扫描探测***的一种实施例;
图2是本发明激光差分扫描探测***的另一种实施例;
图3是本发明激光差分扫描探测***的又一种实施例;
图4是本发明激光差分扫描探测***的再一种实施例。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例一、使用反射分光棱镜实现扫描差分探测,其差分探测分光方向与扫描方向相同:
如图1所示,双面行扫描振镜(2)的两个反射面分别扫描激光器(6)的出射光束和两束差分接收回波光束,倒一倍转向望远镜(7)使二者扫描同步。由于激光器(6)的出射光束投射在双面行扫描振镜(2)的点是固定的(也就是倒一倍转向望远镜的入瞳),经过倒一倍转向望远镜成像在其像平面上的像点(也就是倒一倍转向望远镜的出瞳)也是固定的,这样位于倒一倍转向望远镜的出瞳处的反射分光棱镜(8)始终能将扫描光束平均地分为两束能量基本相等的探测光束,这两束扫描光束的回波光束经双面行扫描振镜(2)同步扫描后其光束方向是固定的,所以可以用两个小视场接收分***(1,3)分别接收。再对接收到的两个信号进行差分放大就能高灵敏度地提取出所需的目标反射信息。在该实施例中反射分光棱镜(8)的分光方向平行于扫描方向,如果分束角等于扫描角,就能得到二倍于扫描角的扫描视场。
实施例二、使用反射分光棱镜实现扫描差分探测,其差分探测分光方向与扫描方向垂直:
如图2所示,如图1所示,双面行扫描振镜(2)的两个反射面分别扫描激光器(6)的出射光束和两束差分接收回波光束,倒一倍转向望远镜(7)使二者扫描同步。由于激光器(6)的出射光束投射在双面行扫描振镜(2)的点是固定的(也就是倒一倍转向望远镜的入瞳),经过倒一倍转向望远镜成像在其像平面上的像点(也就是倒一倍转向望远镜的出瞳)也是固定的,这样位于倒一倍转向望远镜的出瞳处的反射分光棱镜(8)始终能将扫描光束平均地分为两束能量基本相同的探测光束。这两束扫描光束的回波光束经双面行扫描振镜(2)同步扫描后其光束方向是固定的,所以可以用两个小视场接收分***(1,3)分别接收,再对接收到的两个信号进行差分放大就能高灵敏度地提取出所需的目标反射信息。在该实施例中反射分光棱镜(8)的分光方向垂直于扫描方向。这样每扫描一行,就能得到二行成像信息,其行扫描视场等于扫描角。
实施例三、使用透射分光棱镜实现扫描差分探测,其差分探测分光方向与扫描方向垂直:
如图3所示,双面行扫描振镜(2)的两个反射面分别扫描激光器(6)的出射光束和两束差分接收回波光束,倒一倍转向望远镜(7)使二者扫描同步。在倒一倍转向望远镜的像平面处即该倒一倍转向望远镜的出瞳处放置平面反射镜(9),透射分光棱镜(10)位于平面反射镜(9)的反射光路中,其棱边位于该扫描光束的中心,因而能将该扫描光束均分为两束探测光;这两束扫描光束的回波光束经双面行扫描振镜(2)同步扫描后其光束方向是固定的,所以可以用两个小视场接收分***(1,3)分别接收,再对接收到的两个信号进行差分放大就能高灵敏度地提取出所需的目标反射信息。这样每扫描一行,就能得到二行成像信息,其行扫描视场等于扫描角。在该实施例中反射分光棱镜(8)的分光方向是垂直于扫描方向的。
实施例四、使用透射分光棱镜和收发扫描反射式转鼓实现扫描差分探测,该透射分光棱镜的差分探测分光方向与扫描方向垂直:
利用收发扫描反射式转鼓的两个反射面分别对激光发射光束和两束差分接收回波光束进行扫描,而在激光器与收发扫描反射式转鼓之间,利用透射分光棱镜将激光发射光束由一束光分为垂直于扫描方向的两束能量基本相等的光,这样被收发扫描反射式转鼓扫描的激光发射光束实际上是两束光。这两束扫描光束的回波光束经收发扫描反射式转鼓扫描后其光束方向是固定的,所以可以用两个小视场接收分***分别接收,再对接收到的两个信号进行差分放大就能高灵敏度地提取出所需的目标反射信息。
以上所述的具体实施例,对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明,所应注意的是,以上所述仅为本发明的具体实施例而已,本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样,倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求记载的技术方案及其等同技术的范围之内,则本发明也意图包含这些改动和变型在内。