CN107632310A - 基于微弱光偏振测量的空间小目标材质判别装置与方法 - Google Patents
基于微弱光偏振测量的空间小目标材质判别装置与方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种基于微弱光偏振测量的空间小目标材质判别装置与方法，属于光电探测技术领域。本发明通过采用微弱光探测与偏振探测相结合的方式，通过微弱光探测技术实现远距离探测；通过偏振探测实现目标材质判别。因此本发明能够用于对空间小目标的监测、预警等方面，弥补单纯微波探测手段分辨能力不足、单纯光学探测手段获取信息单一的缺陷。
Description
技术领域
本发明涉及光电探测技术领域，具体涉及一种基于微弱光偏振测量的空间小目标材质判别装置与方法。
背景技术
不同的目标材质具有不同的退偏振特性，因此可以根据偏振激光照射目标后回波的偏振特性判别目标材质。目前对于空间小目标(空间碎片等)缺乏有效的观测手段，地球静止轨道(GEO)上1cm～30cm、低地球轨道(LEO)上1cm～10cm之间的空间小目标具有很高的相对运动速度，能够严重改变航天器的表面性能、运行姿态和轨道，甚至造成航天器毁灭性破坏、威胁到航天员的生命安全。但这些空间目标的尺寸太小无法被地面设施跟踪测量，无法对其进行探测、定轨，所以无法进行有效的规避机动，是极其危险的。普通的空间测量手段即使能探测到这类小目标，也多是探测单一信息，难以获得包括目标距离、速度、材质等多维信息，难以对目标归类、判断目标来源。
为解决目前空间小目标监测应用中目标材质判别难题，需要设计一种基于微弱光偏振测量的空间小目标材质判别装置与方法，目的在于：1.探测常规光学手段不易探测到的小目标；2.对小目标进行多维信息探测，实现判别功能。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是：如何解决空间小目标监测困难、难以获得材质信息从而判断目标来源的问题。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于微弱光偏振测量的空间小目标材质判别装置，所述装置由发送端的同步控制模块、脉冲激光器、线偏振片、半波片、发射光学***；以及接收端的接收光学***、光通量控制器、四组盖革探测器、分光器、半波片、检偏器、同步信号处理***组成；
在发送端，所述同步控制模块用于控制脉冲激光器发射出线偏振光窄脉冲激光，还用于产生一组伪随机码序列来控制线偏振片及半波片进行偏转从而对线偏振光窄脉冲激光的偏振态进行编码，每种偏振态相隔45度，从而形成0度、45度、90度、135度四种偏振态为基本码元的激光脉冲，通过发射光学***形成窄波束照射目标；
经过目标反射后的微弱偏振光信号是由四种偏振方向的激光脉冲组成的回波序列，在接收端，所述接收光学***用于探测所述回波序列，接收过程中，所述光通量控制器用于在回波序列强度大于预设阈值时控制光强，以防止四组盖革探测器被损坏，该阈值根据所选择的盖革探测器的参数确定；所述分光器用于将一束回波序列分成四束，分别进入一路盖革探测器，以探测每一种偏振度对应的回波强度；光路中的检偏器、半波片用于组合使用以使得四路盖革探测器接收的偏振方向不同，分别为水平，垂直，对角和反对角四个偏振方向，从而起到每一路探测一种偏振方向的选择作用；所述四组盖革探测器用于对回波序列进行四个偏振度的强度统计，得到回波序列的编码；所述同步信号处理***用于对四个偏振度的强度进行数据处理，得到目标的表面材质类型信息，具体是由强度信息得到入射的窄波束的偏振态信息，从而根据偏振态信息得到目标的表面材质类型信息。
优选地，所述同步信号处理***还用于经飞行时间测量得到目标的距离，经过对距离的微分得到速度信息。
优选地，所述同步信号处理***用于根据以下公式由强度信息得到入射的窄波束的偏振态信息：
其中，S0～S3是光的水平，垂直，对角和反对角这四个偏振分量，K0～K3为盖革探测器输出的四路强度信号，M为接收光学***接收到的总光子数，Nsn为盖革探测器接收到的光子计数数目，a为形成的矩阵元，是仪器矩阵，由接收端中玻璃材料的仪器的参数确定，含玻璃材料的仪器包括接收光学***、分光器和检偏器。
本发明还提供了一种利用所述的装置进行基于微弱光偏振测量的空间小目标材质判别的方法，包括以下步骤：
在发送端，所述同步控制模块控制脉冲激光器发射出线偏振光窄脉冲激光，还产生一组伪随机码序列来控制线偏振片及半波片进行偏转从而对线偏振光窄脉冲激光的偏振态进行编码，每种偏振态相隔45度，从而形成0度、45度、90度、135度四种偏振态为基本码元的激光脉冲，通过发射光学***形成窄波束照射目标；
经过目标反射后的微弱偏振光信号是由四种偏振方向的激光脉冲组成的回波序列，在接收端，所述接收光学***探测所述回波序列，接收过程中，所述光通量控制器在回波序列强度大于预设阈值时控制光强，以防止四组盖革探测器被损坏，该阈值根据所选择的盖革探测器的参数确定；所述分光器将一束回波序列分成四束，分别进入一路盖革探测器，以探测每一种偏振度对应的回波强度；光路中的检偏器、半波片用于组合使用以使得四路盖革探测器接收的偏振方向不同，分别为水平，垂直，对角和反对角四个偏振方向，从而起到每一路探测一种偏振方向的选择作用；所述四组盖革探测器对回波序列进行四个偏振度的强度统计，得到回波序列的编码；所述同步信号处理***对四个偏振度的强度进行数据处理，得到目标的表面材质类型信息，具体是由强度信息得到入射的窄波束的偏振态信息，从而根据偏振态信息得到目标的表面材质类型信息。
(三)有益效果
本发明通过采用微弱光探测与偏振探测相结合的方式，通过微弱光探测技术实现远距离探测；通过偏振探测实现目标材质判别。因此本发明能够用于对空间小目标的监测、预警等方面，弥补单纯微波探测手段分辨能力不足、单纯光学探测手段获取信息单一的缺陷。
附图说明
图1为本发明的探测装置的组成及原理图。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
如图1所示，本发明的基于微弱光偏振测量的空间小目标材质判别装置由发送端的同步控制模块、脉冲激光器、线偏振片、半波片、发射光学***；以及接收端的接收光学***、光通量控制器、四组盖革探测器(Gm-APD 1至Gm-APD 4)、分光器、半波片、检偏器、同步信号处理***组成。还可以采用分光器与两个横向位移分光器组合完成分光的功能。
再次参考图1，本发明的基于微弱光偏振测量的空间小目标材质判别装置各模块的作用及装置的工作原理为：
在发送端，由同步控制模块控制脉冲激光器发射出线偏振光窄脉冲激光，同步控制模块还产生一组伪随机码序列来控制线偏振片及半波片进行偏转从而对线偏振光窄脉冲激光的偏振态进行编码，每种偏振态(或称偏振度、偏转方向)相隔45度，从而形成0度、45度、90度、135度四种偏振态为基本码元的激光脉冲，通过发射光学***形成窄波束照射目标。
在接收端，经过目标反射后的微弱偏振光信号是由四种偏振方向的激光脉冲组成的回波序列，该回波序列由接收光学***进行高精度探测，以提高装置的探测概率和精度；接收过程中，光通量控制器在回波序列强度大于预设阈值时控制光强，以防止四组盖革探测器被损坏，该阈值根据所选择的盖革探测器的参数确定；然后，分光器将一束回波序列分成四束，分别进入一路盖革探测器(每路有一组盖革探测器)，以便能够探测到每一种偏振度对应的回波强度。光路中的检偏器、半波片组合使用以保证四路盖革探测器接收的偏振方向不同，分别为水平，垂直，对角和反对角四个偏振方向，从而起到每一路探测一种偏振方向的选择作用。四组盖革探测器对回波序列进行四个偏振度的强度统计，得到回波序列的编码，并由同步信号处理***对四个偏振度的强度进行数据处理，得到目标的表面材质类型信息，具体是利用以下的公式(4)由强度信息得到入射的窄波束的偏振态信息，从而根据偏振态信息得到目标的表面材质类型信息。同步信号处理***还经过飞行时间测量(TOF，time of flight)得到目标的距离，经过对距离的微分得到速度信息。
大量粒子的有规律的极化现象表现出为偏振性质。面向小目标探测应用背景，由于目标尺寸较小，散射截面较小，常规探测方式不易发现目标，无法完成探测任务。基于量子理论的探测方式，将探测方程进行二次量子化，经过计算可以提高目标的散射面积。
光子量子化后会在传输过程以及与物质相互作用上产生很多不同于经典理论的现象和结论，进行量子化之后的电场可以表示为：
其中：r为空间位置矢量；t为时间；i为虚数单位；e为电场标量；V为势能；h为普朗克常量；ω为光子频率；表示光子的波矢量；s表示光子的偏振，s＝H,V,D,A，即：水平，垂直，对角和反对角偏振；表示偏振光子的产生算符。如果用量子力学中的海森堡矩阵表示不同量子偏振光子的场算符为
上述公式将场量子化后，经过装置中的线偏振片及半波片将光波极化并编码，得到偏振态编码信号，由发射光学***照向目标，在探测过程中，信号光与介质(空间中稀薄空气等)作用可用算符表示为产生算符和湮灭算符，使偏振光场经历下述过程：
其中，ψ为波函数、d2为二阶微分、k为波矢量，τ＝τdτeτaτroτp是光在传输信道中的损耗系数，τe是光的传输效率，τd是盖革探测器的接收效率，τro是盖革探测器在接收光子过程中的损耗系数，τd是单向大气传输效率，τp是光子在传输信道中传输时因指向性误差而引起的损耗系数，j＝x,y，表示光在二维平面下标，指的是光子在光源平面上的横向坐标。
经过目标反射后的微弱偏振光信号由接收光学***接收，得到盖革探测器的探测信号强度和入射的窄波束的偏振态之间的表达式
其中，S0～S3是光的水平，垂直，对角和反对角这四个偏振分量，K0～K3为盖革探测器输出的四路强度信号，M为接收光学***接收到的总光子数，Nsn为盖革探测器接收到的光子计数数目，a为形成的矩阵元(是仪器矩阵，由接收端中玻璃材料的仪器(包括接收光学***、分光器、检偏器)参数确定)。根据得到的S0～S3是光的四个偏振分量，根据S0～S3就可以确定目标的表面材质类型信息。以上的公式(1)到(3)证明了公式(4)的有效性。
通过上述分析，由于小目标回波信号较为微弱，采用微弱光进行探测能够将传统探测方式无法分辨的微弱信号的偏振态提取出来，有助于发现小目标。同时因为激光是较易获得、控制的光源，具有良好的偏振特性。将激光与微弱光偏振探测相结合，探测回波强度较弱、粒子数较少的准单光子，恰好体现微弱偏振特性。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种基于微弱光偏振测量的空间小目标材质判别装置，其特征在于，所述装置由发送端的同步控制模块、脉冲激光器、线偏振片、半波片、发射光学***；以及接收端的接收光学***、光通量控制器、四组盖革探测器、分光器、半波片、检偏器、同步信号处理***组成；
在发送端，所述同步控制模块用于控制脉冲激光器发射出线偏振光窄脉冲激光，还用于产生一组伪随机码序列来控制线偏振片及半波片进行偏转从而对线偏振光窄脉冲激光的偏振态进行编码，每种偏振态相隔45度，从而形成0度、45度、90度、135度四种偏振态为基本码元的激光脉冲，通过发射光学***形成窄波束照射目标；
经过目标反射后的微弱偏振光信号是由四种偏振方向的激光脉冲组成的回波序列，在接收端，所述接收光学***用于探测所述回波序列，接收过程中，所述光通量控制器用于在回波序列强度大于预设阈值时控制光强，以防止四组盖革探测器被损坏，该阈值根据所选择的盖革探测器的参数确定；所述分光器用于将一束回波序列分成四束，分别进入一路盖革探测器，以探测每一种偏振度对应的回波强度；光路中的检偏器、半波片用于组合使用以使得四路盖革探测器接收的偏振方向不同，分别为水平，垂直，对角和反对角四个偏振方向，从而起到每一路探测一种偏振方向的选择作用；所述四组盖革探测器用于对回波序列进行四个偏振度的强度统计，得到回波序列的编码；所述同步信号处理***用于对四个偏振度的强度进行数据处理，得到目标的表面材质类型信息，具体是由强度信息得到入射的窄波束的偏振态信息，从而根据偏振态信息得到目标的表面材质类型信息。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述同步信号处理***还用于经飞行时间测量得到目标的距离，经过对距离的微分得到速度信息。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述同步信号处理***用于根据以下公式由强度信息得到入射的窄波束的偏振态信息：
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其中，S0～S3是光的水平，垂直，对角和反对角这四个偏振分量，K0～K3为盖革探测器输出的四路强度信号，M为接收光学***接收到的总光子数，Nsn为盖革探测器接收到的光子计数数目，a为形成的矩阵元，是仪器矩阵，由接收端中玻璃材料的仪器的参数确定，含玻璃材料的仪器包括接收光学***、分光器和检偏器。
4.一种利用权利要求1或2或3所述的装置进行基于微弱光偏振测量的空间小目标材质判别的方法，其特征在于，包括以下步骤：
在发送端，所述同步控制模块控制脉冲激光器发射出线偏振光窄脉冲激光，还产生一组伪随机码序列来控制线偏振片及半波片进行偏转从而对线偏振光窄脉冲激光的偏振态进行编码，每种偏振态相隔45度，从而形成0度、45度、90度、135度四种偏振态为基本码元的激光脉冲，通过发射光学***形成窄波束照射目标；
经过目标反射后的微弱偏振光信号是由四种偏振方向的激光脉冲组成的回波序列，在接收端，所述接收光学***探测所述回波序列，接收过程中，所述光通量控制器在回波序列强度大于预设阈值时控制光强，以防止四组盖革探测器被损坏，该阈值根据所选择的盖革探测器的参数确定；所述分光器将一束回波序列分成四束，分别进入一路盖革探测器，以探测每一种偏振度对应的回波强度；光路中的检偏器、半波片用于组合使用以使得四路盖革探测器接收的偏振方向不同，分别为水平，垂直，对角和反对角四个偏振方向，从而起到每一路探测一种偏振方向的选择作用；所述四组盖革探测器对回波序列进行四个偏振度的强度统计，得到回波序列的编码；所述同步信号处理***对四个偏振度的强度进行数据处理，得到目标的表面材质类型信息，具体是由强度信息得到入射的窄波束的偏振态信息，从而根据偏振态信息得到目标的表面材质类型信息。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述同步信号处理***还经飞行时间测量得到目标的距离，经过对距离的微分得到速度信息。
6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述同步信号处理***根据以下公式由强度信息得到入射的窄波束的偏振态信息：
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其中，S0～S3是光的水平，垂直，对角和反对角这四个偏振分量，K0～K3为盖革探测器输出的四路强度信号，M为接收光学***接收到的总光子数，Nsn为盖革探测器接收到的光子计数数目，a为形成的矩阵元，是仪器矩阵，由接收端中玻璃材料的仪器的参数确定，含玻璃材料的仪器包括接收光学***、分光器和检偏器。
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