CN111736162B - 一种针对复杂目标的激光照明回波探测装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种针对复杂目标的激光照明回波探测装置及方法，该装置包括初始光源、空间光调制器、半反半透镜、扩束单元、光场探测单元以及控制单元；该方法包括入射光束调制、照明光斑的调整、回波信号的探测、数据处理以及入射光束调制的优化。本发明提供的装置结构简单，且能够根据不同目标的特性获得最优的激光照明方案，同时本发明的装置具有光场调制和探测能力，给激光照明技术理论研究提供了灵活有效的研究平台；本发明提供的方法可快速获得照明***极为关心的目标距离、回波辐射强度以及辐射方向分布特性等参数，为研究照明***中各种因素对照明效果的影响提供试验数据支持。

Description

一种针对复杂目标的激光照明回波探测装置及方法
技术领域
本发明涉及激光照明技术领域，尤其是一种针对复杂目标的激光照明回波探测装置及方法。
背景技术
激光照明是高能激光武器***、大型天文望远镜等***的重要组成部分之一，在可见度较低或者复杂光照条件下，激光照明***能够照亮目标，提高探测到的目标回波强度和信噪比，为高能激光主发射***提供较为精确的目标方位和形貌信息。另外，被激光照亮的目标自身可作为大气湍流矫正***的信标源，显著改善成像质量，提高跟瞄效率。
在实际应用中，激光照明是一个十分复杂的***工程，照明效果与多种因素密切相关。其中，目标多为结构复杂的几何体，而目标特定位置的材质与几何结构可直接影响回波的强度与辐射方向，从而影响回波探测器接收到的回波强度，最终影响探测跟踪***对目标的探测概率，而现有技术中还没有能够根据不同目标的特性实现最优照明效果的技术方案。
此外，受限于试验条件、试验成本等客观因素，目前国内对于激光照明技术中一些具体科学问题的研究仍然不够充分，还没有一种能够快速、便捷地获得目标距离、回波辐射强度与方向特性等与照明效果密切相关的关键参数的技术。而如果通过真实的外场试验研究以上这些问题，不仅成本和费效比令人难以接受，后续的关键技术攻关也将十分困难。
发明内容
本发明提供一种针对复杂目标的激光照明回波探测装置及方法，用于克服现有技术中不能根据不同目标的特性实现最优照明效果以及不能快速、便捷地获得照明技术中的关键参数等缺陷。
为实现上述目的，本发明提出一种针对复杂目标的激光照明回波探测装置，所述激光照明回波探测装置包括初始光源、空间光调制器、半反半透镜、扩束单元、光场探测单元以及控制单元；
所述初始光源用于提供入射光束；
所述空间光调制器接收所述入射光束并对所述入射光束进行强度分布调制，得到具有设定局域强度分布模式的出射光束；
所述扩束单元接收从所述半反半透镜透过的所述出射光束，并对所述出射光束进行扩束，获得覆盖整个目标模型的照明光斑；
所述扩束单元接收所述照明光斑照射所述目标模型后产生的回波信号，并将所述回波信号射出；
所述半反半透镜将所述回波信号反射进入所述光场探测单元；
所述光场探测单元对所述回波信号进行探测，并将所述探测获得的数据实时传送至所述控制单元；
所述控制单元利用光场解码算法对所述探测获得的数据进行解码，获得目标距离、回波辐射强度以及辐射方向分布特性；同时，所述控制单元根据所述回波辐射强度以及所述辐射方向分布特性实时控制所述空间光调制器对所述入射光束的强度分布调制。
为实现上述目的，本发明还提出一种针对复杂目标的激光照明回波探测方法，所述激光照明回波探测方法包括：
利用空间光调制器接收初始光源提供的入射光束，并利用所述空间光调制器对所述入射光束进行强度分布调制，得到具有设定局域强度分布模式的出射光束；
利用扩束单元对所述出射光束进行扩束，获得覆盖整个目标模型的照明光斑；
利用扩束单元接收所述照明光斑照射所述目标模型后产生的回波信号，并将所述回波信号射出；
利用半反半透镜将所述回波信号反射进入光场探测单元；
利用所述光场探测单元对所述回波信号进行探测，获得探测数据；
利用控制单元对所述探测数据进行解码，获得目标距离、回波辐射强度以及辐射方向分布特性；
根据所述回波辐射强度以及所述辐射方向分布特性，判断所述目标模型的总回波辐射强度是否达到最大，若达到，则输出目标距离、所述空间光调制器的调制相位分布、出射光束的光强分布、所述目标模型的姿态、所述回波辐射强度以及所述辐射方向分布特性；否则通过所述控制单元调整所述空间光调制器的调制相位，直至获得的所述目标模型的总回波辐射强度达到最大。
与现有技术相比，本发明的有益效果有：
1、本发明提供的针对复杂目标的激光照明回波探测装置，首先利用空间光调制器对入射光束进行强度分布调制，获得具有设定局域强度分布模式的出射光束；再利用扩束单元对出射光束进行扩束，获得能够覆盖整个目标模型的照明光斑；接着利用光场探测单元对目标模型反射和散射的回波信号进行探测，并将探测获得的数据实时传送至控制单元；最后通过控制单元对探测获得的数据进行解码，获得目标距离、回波辐射强度以及辐射方向分布特性，同时控制单元将根据该回波辐射强度以及辐射方向分布特性实时控制空间光调制器对入射光束的强度分布调制，以使目标模型的总回波辐射强度达到最大。本发明提供的装置结构简单，且能够根据不同目标的特性获得最优的激光照明方案，同时本发明的装置具有光场调制和探测能力，给激光照明技术理论研究提供了灵活有效的研究平台。
2、本发明提供的针对复杂目标的激光照明回波探测方法，首先利用光场探测装置实时接收目标模型反射和散射回波信号并对回波信号进行探测；然后利用控制单元对所述探测数据进行数据处理，获得目标距离、回波辐射强度以及辐射方向分布特性，并根据回波辐射强度以及辐射方向分布特性判断所述目标模型的总回波辐射强度是否达到最大，若达到，则输出目标距离、所述空间光调制器的调制相位分布、出射光束的光强分布、所述目标模型的姿态、所述回波辐射强度以及所述辐射方向分布特性；否则通过控制单元调整空间光调制器的调制相位，直至获得的目标模型的总回波辐射强度达到最大。本发明提供的探测方法可快速获得照明***极为关心的目标距离、回波辐射强度以及辐射方向分布特性等参数，为研究照明***中各种因素对照明效果的影响提供试验数据支持。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明提供的针对复杂目标的激光照明回波探测装置的结构图；
图2为本发明实施例中聚焦型光场相机的结构图；
图3为本发明提供的针对复杂目标的激光照明回波探测方法流程图。
附图标号说明：1：初始光源；2：起偏器；3：空间光调制器；4：半反半透镜；5：扩束单元；51：次镜；52：主镜；6：目标模型；7：光场探测单元；71：主透镜；72：微透镜阵列；73：窗口；74：成像靶面；8：控制单元。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
本发明提出一种针对复杂目标的激光照明回波探测装置，如图1所示，该装置包括初始光源1、空间光调制器3、半反半透镜4、扩束单元5、光场探测单元7以及控制单元8；
初始光源1用于提供入射光束；
空间光调制器3接收入射光束并对入射光束进行强度分布调制，得到具有设定局域强度分布模式（经过空间光调制器调制后，照明光强由均匀分布变为设定的特定光强分布）的出射光束；通过空间光调制器3可实现照明光斑强度分布的控制；
扩束单元5接收从半反半透镜4透过的出射光束，并对出射光束进行扩束，获得覆盖整个目标模型6的照明光斑；
扩束单元5接收照明光斑照射目标模型6后产生的回波信号，并将回波信号射出（回波信号经扩束单元5后入射至半反半透镜4）；
半反半透镜4将回波信号反射进入光场探测单元7；
光场探测单元7对回波信号进行探测，并将探测获得的数据（探测获得的数据为回波信号经过光场探测单元7后获得的各个像素值）实时传送至控制单元8；
控制单元8利用光场解码算法对探测获得的数据进行解码，获得目标距离、回波辐射强度以及辐射方向分布特性；同时，控制单元8根据回波辐射强度以及辐射方向分布特性实时控制空间光调制器3对入射光束的强度分布调制。
目标距离是指目标模型6与光场探测单元7之间的距离。
回波辐射强度是指目标模型的总回波辐射强度
Figure 837485DEST_PATH_IMAGE001
。
辐射方向分布特性是指目标模型6反射和散射的回波信号在各个方向上光线的数量。
空间光调制器3根据预先输入的调制相位对入射光束进行强度分布调制，输出一束强度分布不均匀的出射光束，该出射光束的光强分布遵循预先设定的光强分布规律。因此，通过该空间光调制器3可实现出射光束强度分布的控制，从而可以调整照明光斑在目标模型6不同部位的辐照强度，可用于研究照明回波与不同强度分布的照明光之间的关系。
本发明提供的针对复杂目标的激光照明回波探测装置，首先利用空间光调制器对入射光束进行强度分布调制，获得具有设定局域强度分布模式的出射光束；再利用扩束单元对出射光束进行扩束，获得能够覆盖整个目标模型的照明光斑；接着利用光场探测单元对目标模型反射和散射的回波信号进行探测，并将探测获得的数据实时传送至控制单元；最后通过控制单元对探测获得的数据进行解码，获得目标距离、回波辐射强度以及辐射方向分布特性，同时控制单元将根据该回波辐射强度以及辐射方向分布特性实时控制空间光调制器对入射光束的强度分布调制，以使目标模型的总回波辐射强度达到最大。本发明提供的装置结构简单，且能够根据不同目标的特性获得最优的激光照明方案，同时本发明的装置具有光场调制和探测能力，给激光照明技术理论研究提供了灵活有效的研究平台。
在其中一个实施例中，激光照明回波探测装置还包括起偏器2，起偏器2设置在初始光源1与空间光调制器3之间，用于从初始光源1射出的入射光束中获得偏振光并将该偏振光输入空间光调制器3中。
起偏器2用于从自然激光中获得偏振光。
在另一实施例中，扩束单元5包括同轴的次镜51和主镜52，次镜51的半径小于主镜52的半径，次镜51与主镜52之间的距离可调节；
出射光束经次镜51收集后进入扩束单元5，由主镜51射出并照射目标模型6。
初始光源1、空间光调制器3、半反半透镜4与扩束单元5组成本发明激光照明回波探测装置的照明***，扩束单元5作为该照明***的发射终端，能够提高该照明***的发射口径，控制照明光束在目标模型6处的聚焦状态和光斑尺寸。本发明中扩束单元5采用两级透镜***，包括次镜51与主镜52。照明光斑的大小由次镜焦距、主镜焦距、主镜与次镜之间的距离以及目标模型与主镜之间的距离共同决定；进一步地，主镜52与次镜51之间的距离可调，以满足不同照明光条件下的实验需求。
在下一个实施例中，光场探测单元7为聚焦型光场相机；
聚焦型光场相机如图2所示，包括主透镜71和微透镜阵列72，目标模型P通过窗口73在主透镜71下形成一次成像点P’（实质为目标模型产生的回波信号通过窗口73在目标模型），一次成像点P’通过微透镜阵列72并在微透镜阵列72的不同微透镜下在成像靶面74再次成像形成多个二次成像点P”；多个所述二次成像点的像素即为探测获得的数据。
聚焦型光场相机等效为二次成像***，目标模型的一次成像通过微透镜阵列72二次成像到红外传感器（即成像靶面74）上，相当于产生了一组“复眼”对同一个目标模型成像，以便探测出回波信号的光场信息。图2中，
Figure 447458DEST_PATH_IMAGE002
、
Figure 466141DEST_PATH_IMAGE003
分别为主透镜71的口径、焦距；
Figure 972209DEST_PATH_IMAGE004
、
Figure 516323DEST_PATH_IMAGE005
分别为微透镜阵列72中微透镜的口径、焦距；
Figure 398828DEST_PATH_IMAGE006
、
Figure 282470DEST_PATH_IMAGE007
分别为主透镜成像空间中的物距、像距；
Figure 225019DEST_PATH_IMAGE008
、
Figure 679265DEST_PATH_IMAGE009
分别为微透镜阵列的物距、像距；
Figure 99882DEST_PATH_IMAGE010
为主透镜到成像靶面的距离。
在某个实施例中，目标模型6安装在电动云台上，电动云台在控制单元8的控制下带动目标模型6旋转和移动。
通过电动云台可调节目标模型6的姿态、目标模型6与扩束单元5的距离。电动云台的运动控制参数由控制单元8根据程序预设或人工干预给出。进一步地，根据不同的研究背景，可以采用几种常见的典型目标模型，如飞机、无人机、卫星等，用于研究目标的几何结构、材质以及位姿对照明效果的影响。
在另一个实施例中，空间光调制器3与扩束单元5之间的距离大于
Figure 103610DEST_PATH_IMAGE011
，其中
Figure 279376DEST_PATH_IMAGE012
为入射光束的半径，
Figure 204607DEST_PATH_IMAGE013
为入射光束的波长。
空间光调制器3与扩束单元5之间的距离是指空间光调制器3与扩束单元5中次镜51之间的距离，控制该距离以满足照明光远场传输条件，从而获得所需的光强调制。
在某个实施例中，初始光源1为激光器。
照明光斑照射目标模型6后，会产生后向反射和散射的回波信号，该回波信号通过扩束单元5入射至半反半透镜4，经半反半透镜4反射后进入光场探测单元7。在实际应用中，目标距离、回波辐射强度以及辐射方向分布特性是照明***极为关心的三个参数。本发明采用聚焦型光场相机结构作为回波信号的光场探测单元并通过控制单元解算获得以上三个参数。不同于传统的点目标探测技术，聚焦型光场相机具有较大的视场，因而能够一次性得到视场内所有目标模型的距离值、辐射强度以及辐射强度的方向分布，从而大大减小回波探测装置的复杂度。
控制单元8不仅作为本发明激光照明回波探测装置人机交互的接口，同时也负责控制空间光调制器3和电动云台等设备的工作。另外，由于光场数据解码运算量巨大，光场解码也由控制单元8统完成。
在试验过程中，照明光（即入射光束）经调制后照射在目标模型6上，照明回波（即回波信号）由光场探测单元7收集，经控制单元8解算获得目标距离、回波辐射强度及辐射方向分布特性，通过不断调整照明光的光强分布，使得目标模型6在特定目标距离、特定辐射方向的照明回波辐射强度达到最强。
本发明还提出一种针对复杂目标的激光照明回波探测方法，如图3所示，包括：
101：利用空间光调制器接收初始光源提供的入射光束，并利用所述空间光调制器对所述入射光束进行强度分布调制，得到具有设定局域强度分布模式的出射光束；
102：利用扩束单元对所述出射光束进行扩束，获得覆盖整个目标模型的照明光斑；
103：利用扩束单元接收所述照明光斑照射所述目标模型后产生的回波信号，并将所述回波信号射出；
104：利用半反半透镜将所述回波信号反射进入光场探测单元；
105：利用所述光场探测单元对所述回波信号进行探测，获得探测数据；
光场探测单元对回波信号进行探测获得光强信息，根据这些光强信息可以解码出光场信息。
106：利用控制单元对所述探测数据进行解码，获得目标距离、回波辐射强度以及辐射方向分布特性；
目标距离是指目标模型与扩束单元之间的距离。
107：根据所述回波辐射强度以及所述辐射方向分布特性，判断所述目标模型的总回波辐射强度是否达到最大（总回波辐射强度随着出射光束光强分布的变化而不断改变，多次改变出射光束光强分布，获得多个总回波辐射强度，从中选择最大值），若达到，则输出目标距离、所述空间光调制器的调制相位分布、出射光束的光强分布（入射光束经过空间光调制器的相位调制，出射光束传播一定距离后，光强分布由均匀分布变为设定的特定分布形状）、所述目标模型的姿态、所述回波辐射强度以及所述辐射方向分布特性；否则通过所述控制单元调整所述空间光调制器的调制相位，直至获得的所述目标模型的总回波辐射强度达到最大。
本发明提供的针对复杂目标的激光照明回波探测方法，首先利用光场探测装置实时接收目标模型反射和散射回波信号并对回波信号进行探测；然后利用控制单元对所述探测数据进行数据处理，获得目标距离、回波辐射强度以及辐射方向分布特性，并根据回波辐射强度以及辐射方向分布特性判断所述目标模型的总回波辐射强度是否达到最大，若达到，则输出目标距离、所述空间光调制器的调制相位分布、出射光束的光强分布、所述目标模型的姿态、所述回波辐射强度以及所述辐射方向分布特性；否则通过控制单元调整空间光调制器的调制相位，直至获得的目标模型的总回波辐射强度达到最大。本发明提供的探测方法可快速获得照明***极为关心的目标距离、回波辐射强度以及辐射方向分布特性等参数，为研究照明***中各种因素对照明效果的影响提供试验数据支持。
在其中一个实施例中，对于步骤101，利用空间光调制器接收初始光源提供的入射光束，并利用所述空间光调制器对所述入射光束进行强度分布调制，得到具有设定局域强度分布模式的出射光束，包括：
001：利用起偏器从初始光源提供的入射光束获得偏振光并将所述偏振光输入空间光调制器中；
002：利用所述空间光调制器对所述偏振光进行强度分布调制，得到具有设定局域强度分布模式的出射光束。
在另一个实施例中，对于步骤102，利用扩束单元对所述出射光束进行扩束，获得覆盖整个目标模型的照明光斑，包括：
201：调整扩束单元以使从所述扩束单元射出的照明光斑覆盖整个目标模型；
调整扩束单元包括调整扩束单元中次镜焦距、主镜焦距、主镜与次镜之间的距离以及目标模型与主镜之间的距离等参数。
202：利用调整好的所述扩束单元对所述出射光束进行扩束，获得覆盖整个目标模型的照明光斑。
在下一个实施例中，光场探测单元为聚焦型光场相机，聚焦型光场相机包括主透镜和微透镜阵列，目标模型在主透镜下形成一次成像点，一次成像点通过微透镜阵列并在微透镜阵列的不同微透镜下再次成像形成多个二次成像点；多个所述二次成像点的像素即为探测获得的数据。
对于步骤104，利用控制单元对所述探测数据进行解码，获得目标距离、回波辐射强度以及辐射方向分布特性，包括：
利用控制单元内的光场解码算法对探测数据进行数据处理，光场解码算法用虚深度
Figure 209341DEST_PATH_IMAGE015
描述一次成像点P’与微透镜阵列之间的规范化距离：
Figure 536417DEST_PATH_IMAGE016
（1）
式中，
Figure 86347DEST_PATH_IMAGE017
为虚深度；
Figure 498874DEST_PATH_IMAGE018
为微透镜阵列的物距（即一次成像点到微透镜阵列的实际距离）；
Figure 589190DEST_PATH_IMAGE019
为微透镜阵列的像距；
目标模型P的一次成像点P’通过微透镜阵列，在不同的微透镜下再次成像为像点P i ”。一次成像点P’在微透镜阵列的投影区域为一个圆域，该圆域的中心为一次成像点P’在微透镜阵列面的投影点，该圆域的半径取决于一次成像点P’的虚深度
Figure 770772DEST_PATH_IMAGE020
，满足关系：
Figure 507915DEST_PATH_IMAGE021
（2）
式中，
Figure 407738DEST_PATH_IMAGE022
为一次成像点在微透镜阵列上的投影圆域的半径；
Figure 239428DEST_PATH_IMAGE023
为虚深度；
Figure 275517DEST_PATH_IMAGE024
为微透镜口径；
每个微透镜阵列中微透镜为一个独立的相机，则虚深度
Figure 432829DEST_PATH_IMAGE025
由双目视觉经典算法计算：
Figure 397112DEST_PATH_IMAGE026
（3）
式中，
Figure 501334DEST_PATH_IMAGE027
为虚深度；
Figure 188667DEST_PATH_IMAGE028
为一次成像点在微透镜阵列上的投影圆域中两个最远微透镜之间包含微透镜的数量；
Figure 985722DEST_PATH_IMAGE004
为微透镜口径；
Figure 860137DEST_PATH_IMAGE029
为两个最远微透镜中配准二次成像点间的欧氏距离；
由于微透镜口径
Figure 33629DEST_PATH_IMAGE030
是已知的，而一次成像点在微透镜阵列上的投影圆域的半径
Figure 575469DEST_PATH_IMAGE031
可通过聚焦型光场相机探测获得，则根据公式（2）可计算获得虚深度
Figure 543425DEST_PATH_IMAGE020
。
由于微透镜阵列的像距
Figure 718186DEST_PATH_IMAGE032
是已知的，则根据虚深度
Figure 164211DEST_PATH_IMAGE033
以及公式（1），即可得到一次成像点P’到微透镜阵列的实际距离
Figure 560557DEST_PATH_IMAGE034
。
设微透镜阵列到主透镜主面距离为
Figure 699414DEST_PATH_IMAGE035
，则目标模型距离光场探测单元的距离为：
Figure 814001DEST_PATH_IMAGE036
（4）
式中，
Figure 63716DEST_PATH_IMAGE037
为目标模型距离光场探测装置的距离；
Figure 626154DEST_PATH_IMAGE038
为光场探测装置的主透镜焦距；
Figure 935912DEST_PATH_IMAGE039
为光场探测单元的微透镜阵列的物距；
Figure 537795DEST_PATH_IMAGE009
为微透镜阵列的像距；
Figure 591202DEST_PATH_IMAGE040
为微透镜阵列到主透镜主面的距离；
进一步分析可知，目标模型P的一次像点P’与观测该一次像点P’的某个微透镜
Figure 696561DEST_PATH_IMAGE041
之间的相对位置关系决定一条由P’射向
Figure 177221DEST_PATH_IMAGE042
的光线
Figure 751553DEST_PATH_IMAGE043
（一条光线代表一个方向），而
Figure 608650DEST_PATH_IMAGE044
的子图像中二次成像点P i ”的强度则代表了入射光线（入射光线指入射到聚焦型光场相机内的光线）在
Figure 630833DEST_PATH_IMAGE045
方向的辐射强度，在聚焦型光场相机结构中，一次成像点P’发射的光线可由其投影圆域内的多个微透镜记录，找出一次成像点P’在这些微透镜下的二次成像点P i ”的位置就得到了回波强度在方向上的分布特性。将目标模型P的所有二次成像点P i ”的像素强度相加，则得到了光场探测单元视场内目标模型的总回波辐射强度为：
Figure 282394DEST_PATH_IMAGE046
（5）
式中，
Figure 858869DEST_PATH_IMAGE047
为光场探测单元视场内目标模型的总回波辐射强度；
Figure 786503DEST_PATH_IMAGE048
为二次成像点的像素强度；
Figure 335296DEST_PATH_IMAGE050
为一次成像点与微透镜阵列中某个微透镜连线的方向；
Figure 751234DEST_PATH_IMAGE051
为微透镜数量。
本实施例中，步骤104具体包括：
401：聚焦型光场相机的数据初始化；
数据初始化的目的在于对微透镜渐晕像差进行补偿，然后对初始化后的光场原始数据（原始数据即指原始图像）进行特征点标记，被标记的特征点为目标模型的几何结构特征点或纹理特征点，这些特征点对应了能够计算出回波信息的所有目标模型；
402：根据被标记的特征点，在所述特征点的局部域内进行特征点配准，找出同一目标模型的所有二次成像点及其对应的微透镜；
403：利用光场解码算法计算目标模型距离光场探测装置的距离；
根据公式（4）计算目标模型距离光场探测装置的距离
Figure 18267DEST_PATH_IMAGE052
；
404：记录同一目标模型在所有微透镜下的子图像像素强度，并将所有的子图像像素强度相加，得到该目标模型的总回波辐射强度；
405：根据目标模型的总回波辐射强度，采用有限域插值法，获得聚焦型光场相机的全视场深度图和目标模型的全局辐亮度分布图。
全局辐亮度分布图即指回波辐射强度以及目标模型的辐射方向分布特性。
实施例1
本实施例提供一种针对复杂目标的激光照明回波探测装置，包括激光器、起偏器2、空间光调制器3、半反半透镜4、扩束单元5、目标模型6、聚焦型光场相机以及控制单元8；
扩束单元5包括同轴的次镜51和主镜52，次镜51的半径小于主镜52的半径，次镜51与主镜52之间的距离可调节；
聚焦型光场相机包括主透镜71和微透镜阵列72。
空间光调制器3与扩束单元5中次镜51之间的距离远大于
Figure 482747DEST_PATH_IMAGE053
，其中
Figure 151625DEST_PATH_IMAGE054
为激光器提供的入射光束的半径，
Figure 426880DEST_PATH_IMAGE055
为入射光束波长。
激光器发射直径为2mm的窄束激光（即入射光束），波长为808nm，入射光束经起偏器2入射至空间光调制器3，空间光调制器3在控制单元8控制下对该入射光束进行调制，得到具有特定局域强度分布模式的出射光束，该出射光束传播5m后穿过半反半透镜4，由扩束单元5对该出射光束进行扩束，扩束后获得的照明光斑尺寸约为30cm，目标模型6尺寸为25cm，因此照明光斑能够覆盖目标模型6。目标模型6在电动云台控制下可做位移和旋转运动。目标模型6的反射和散射回波信号经扩束单元5的主镜52收集后，由次镜51出射，再经半反半透镜4反射后进入聚焦型光场相机，聚焦型光场相机对回波信号进行探测，并将探测获得的数据实时传送至控制单元8；
控制单元8利用光场解码算法对探测获得的数据进行解码，获得目标距离、回波辐射强度以及辐射方向分布特性；同时，控制单元8根据回波辐射强度以及辐射方向分布特性实时控制空间光调制器3对入射光束的强度分布调制。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种针对复杂目标的激光照明回波探测装置，其特征在于，所述激光照明回波探测装置包括初始光源、空间光调制器、半反半透镜、扩束单元、光场探测单元以及控制单元；
所述初始光源用于提供入射光束；
所述空间光调制器接收所述入射光束并对所述入射光束进行强度分布调制，得到具有设定局域强度分布模式的出射光束；
所述扩束单元接收从所述半反半透镜透过的所述出射光束，并对所述出射光束进行扩束，获得覆盖整个目标模型的照明光斑；
所述扩束单元接收所述照明光斑照射所述目标模型后产生的回波信号，并将所述回波信号射出；
所述半反半透镜将所述回波信号反射进入所述光场探测单元；
所述光场探测单元对所述回波信号进行探测，并将所述探测获得的数据实时传送至所述控制单元；
所述控制单元利用光场解码算法对所述探测获得的数据进行解码，获得目标距离、回波辐射强度以及辐射方向分布特性；同时，所述控制单元根据所述回波辐射强度以及所述辐射方向分布特性实时控制所述空间光调制器对所述入射光束的强度分布调制。
2.如权利要求1所述的针对复杂目标的激光照明回波探测装置，其特征在于，所述激光照明回波探测装置还包括起偏器，所述起偏器设置在所述初始光源与所述空间光调制器之间，用于从所述初始光源射出的入射光束中获得偏振光并将所述偏振光输入所述空间光调制器中。
3.如权利要求1所述的针对复杂目标的激光照明回波探测装置，其特征在于，所述扩束单元包括同轴的次镜和主镜，所述次镜的半径小于所述主镜的半径，所述次镜与所述主镜之间的距离可调节；
所述出射光束经所述次镜收集后进入所述扩束单元，由所述主镜射出并照射所述目标模型。
4.如权利要求1所述的针对复杂目标的激光照明回波探测装置，其特征在于，所述光场探测单元为聚焦型光场相机；
所述聚焦型光场相机包括主透镜和微透镜阵列，目标模型在所述主透镜下形成一次成像点，所述一次成像点通过所述微透镜阵列并在所述微透镜阵列的不同微透镜下再次成像形成多个二次成像点；多个所述二次成像点的像素即为探测获得的数据。
5.如权利要求1所述的针对复杂目标的激光照明回波探测装置，其特征在于，所述目标模型安装在电动云台上，所述电动云台在所述控制单元的控制下带动所述目标模型旋转和移动。
6.如权利要求1所述的针对复杂目标的激光照明回波探测装置，其特征在于，所述空间光调制器与所述扩束单元之间的距离大于
Figure 584117DEST_PATH_IMAGE001
，其中
Figure 920420DEST_PATH_IMAGE002
为所述入射光束的半径，
Figure 973827DEST_PATH_IMAGE003
为入射光束的波长。
7.一种针对复杂目标的激光照明回波探测方法，其特征在于，所述激光照明回波探测方法包括：
利用空间光调制器接收初始光源提供的入射光束，并利用所述空间光调制器对所述入射光束进行强度分布调制，得到具有设定局域强度分布模式的出射光束；
利用扩束单元对所述出射光束进行扩束，获得覆盖整个目标模型的照明光斑；
利用扩束单元接收所述照明光斑照射所述目标模型后产生的回波信号，并将所述回波信号射出；
利用半反半透镜将所述回波信号反射进入光场探测单元；
利用所述光场探测单元对所述回波信号进行探测，获得探测数据；
利用控制单元对所述探测数据进行解码，获得目标距离、回波辐射强度以及辐射方向分布特性；
根据所述回波辐射强度以及所述辐射方向分布特性，判断所述目标模型的总回波辐射强度是否达到最大，若达到，则输出目标距离、所述空间光调制器的调制相位分布、出射光束的光强分布、所述目标模型的姿态、所述回波辐射强度以及所述辐射方向分布特性；否则通过所述控制单元调整所述空间光调制器的调制相位，直至获得的所述目标模型的总回波辐射强度达到最大。
8.如权利要求7所述的针对复杂目标的激光照明回波探测方法，其特征在于，利用空间光调制器接收初始光源提供的入射光束，并利用所述空间光调制器对所述入射光束进行强度分布调制，得到具有设定局域强度分布模式的出射光束，包括：
利用起偏器从初始光源提供的入射光束获得偏振光并将所述偏振光输入空间光调制器中；
利用所述空间光调制器对所述偏振光进行强度分布调制，得到具有设定局域强度分布模式的出射光束。
9.如权利要求7所述的针对复杂目标的激光照明回波探测方法，其特征在于，利用扩束单元对所述出射光束进行扩束，获得覆盖整个目标模型的照明光斑，包括：
调整扩束单元以使从所述扩束单元射出的照明光斑覆盖整个目标模型；
利用调整好的所述扩束单元对所述出射光束进行扩束，获得覆盖整个目标模型的照明光斑。
10.如权利要求7所述的针对复杂目标的激光照明回波探测方法，其特征在于，所述光场探测单元为聚焦型光场相机；所述聚焦型光场相机包括主透镜和微透镜阵列，目标模型在所述主透镜下形成一次成像点，所述一次成像点通过所述微透镜阵列并在所述微透镜阵列的不同微透镜下再次成像形成多个二次成像点；多个所述二次成像点的像素即为探测获得的数据；
利用控制单元对所述探测数据进行解码，获得目标距离、回波辐射强度以及辐射方向分布特性，包括：
利用所述控制单元内的光场解码算法对所述探测数据进行数据处理，所述光场解码算法用虚深度描述所述一次成像点与所述微透镜阵列之间的规范化距离：
Figure 344766DEST_PATH_IMAGE004
（1）
式中，
Figure 825426DEST_PATH_IMAGE005
为虚深度；
Figure 196495DEST_PATH_IMAGE006
为微透镜阵列的物距；
Figure 53593DEST_PATH_IMAGE007
为微透镜阵列的像距；
所述一次成像点在所述微透镜阵列的投影区域为一个圆域，所述圆域的中心为所述一次成像点在所述微透镜阵列面的投影点，所述圆域的半径取决于所述一次成像点的虚深度，满足关系：
Figure 13458DEST_PATH_IMAGE008
（2）
式中，
Figure 665020DEST_PATH_IMAGE009
为一次成像点在微透镜阵列上的投影圆域的半径；
Figure 241494DEST_PATH_IMAGE010
为虚深度；
Figure 213867DEST_PATH_IMAGE011
为微透镜口径；
每个所述微透镜阵列中微透镜为一个独立的相机，则所述虚深度由双目视觉经典算法计算：
Figure 762660DEST_PATH_IMAGE012
（3）
式中，
Figure 381861DEST_PATH_IMAGE013
为虚深度；
Figure 648894DEST_PATH_IMAGE014
为一次成像点在微透镜阵列上的投影圆域中两个最远微透镜之间包含微透镜的数量；
Figure 113373DEST_PATH_IMAGE015
为微透镜口径；
Figure 516673DEST_PATH_IMAGE016
为两个最远微透镜中配准二次成像点间的欧氏距离；
所述目标模型距离所述光场探测单元的距离为：
Figure 57507DEST_PATH_IMAGE017
（4）
式中，
Figure 811836DEST_PATH_IMAGE018
为目标模型距离光场探测装置的距离；
Figure 876744DEST_PATH_IMAGE019
为光场探测装置的主透镜焦距；
Figure 931288DEST_PATH_IMAGE020
为光场探测单元的微透镜阵列的物距；
Figure 361132DEST_PATH_IMAGE021
为微透镜阵列的像距；
Figure 857884DEST_PATH_IMAGE022
为微透镜阵列到主透镜主面的距离；
所述光场探测单元视场内目标模型的总回波辐射强度为：
Figure 398587DEST_PATH_IMAGE023
（5）
式中，
Figure 369954DEST_PATH_IMAGE024
为光场探测单元视场内目标模型的总回波辐射强度；
Figure DEST_PATH_IMAGE025
为二次成像点的像素强度；
Figure 705121DEST_PATH_IMAGE026
为一次成像点与微透镜阵列中某个微透镜连线的方向；
Figure DEST_PATH_IMAGE027
为微透镜数量。
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