CN114966739A - 基于光纤激光相控阵的目标探测成像***及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于光纤激光相控阵的目标探测成像***及方法，包括光纤激光相控阵列光源，用于产生强度分布可高速变化的阵列光纤激光，所述阵列光纤激光由多路相位可控的光纤激光组成；分光单元将阵列光纤激光分为发射光和参考光；发射光学***将发射光投射到目标表面；参考光学***采集参考光的强度分布；接收光学***接收来自目标反射的回光并采集其强度分布；计算控制***对阵列光纤激光中的各路光纤激光实施相位控制，使其强度分布高速变化，同时基于参考光的强度分布和回光强度分布，重构目标图像。本发明具有发射功率高、刷新速率快、可便捷控制照明光场的视场等特点，能显著提高目标探测距离和关联成像速度。

Description

基于光纤激光相控阵的目标探测成像***及方法
技术领域
本发明涉及光学探测成像技术领域，具体是一种基于光纤激光相控阵的目标探测成像***。
背景技术
关联成像是一种基于光场高阶关联(强度关联)进行物体成像的新型主动成像技术，其基本原理是将具有强度涨落的光场分成两束，一束经自由传播后由相机记录获取光场强度分布，称为参考臂光，另一束称为物臂光，照射在物体后的散射光或透射光由一个没有空间分辨能力的点探测器收集，物臂光和参考臂光按同一时序信号进行多次符合测量，然后基于关联算法进行物体的二维或三维图像重构。关联成像是一种非定域的成像方式，通常也被称为“鬼”成像。
相比传统成像，关联成像由于其特殊的成像机制而具备诸多优势。首先，关联成像采取点探测器收集回光，与阵列探测器相比，点探测器灵敏度更高，可实现弱光条件下成像，此外在红外、X光等非可见光波段，点探测器相比普通面阵探测器成本低廉；其次，关联成像需要多次采样，采取统计平均的方式进行图像重构，因此可抑制与光源统计无关的噪声；最后，关联成像基于算法重构图像，可结合压缩感知、深度学习等先进算法进行图像优化，提高成像质量。
由于其抗噪性能强、探测器灵敏度高等特点，关联成像在远距离目标探测领域具有重要应用潜力。在大气环境中对目标进行远距离探测成像时，增加探测距离、提高成像速度、提高成像质量是三个主要研究方向。关联成像的抗噪特性可有效克服大气湍流对成像质量的影响，而高灵敏度特性有利于在弱光条件下进行成像，可有效增加探测距离。
然而，在具体应用过程中，关联成像技术也面临着一些技术问题。当前，关联成像***获得强度涨落光场的方法通常包含激光加旋转毛玻璃、空间光调制器或数字微镜阵列。旋转毛玻璃通过毛玻璃的不同位置散射激光可获得变化的散斑场，变化频率取决于旋转电机的转速，因此变化散斑场的调制频率较低；空间光调制器可通过振幅和相位调制获得强度分布可控的光场，但其调制速率也较低(通常几十Hz)；数字微镜阵列通过二元振幅调制获得强度分布可控的光场，其最高调制速率也只有几十kHz。为了进一步提高调制频率，LED阵列近年也广泛用于关联成像技术中产生快速变化的强度涨落光场，其最高调制速率可达到MHz量级，然而受限于LED阵列散热问题，其发射功率较低，当前无法应用于远距离目标探测领域。
综上，为进一步扩展关联成像技术在远距离目标探测领域的应用，研发一种具有高发射功率、高调制速率的光源成为该技术领域发展的一个重要研究方向。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷，本发明提出了一种基于光纤激光相控阵的目标探测成像***及方法。
为实现上述技术目的，本发明提出的技术方案为：
一方面，本发明提供一种基于光纤激光相控阵的目标探测成像***，包括：
光纤激光相控阵列光源，用于产生强度分布可高速变化的干涉散斑场，所述干涉散斑场由多路相位可控的光纤激光组成；
分光单元，将干涉散斑场分为发射光和参考光；
发射光学单元，将发射光投射到目标表面；
参考光学单元，采集参考光的强度分布；
接收光学单元，接收来自目标反射的回光并记录回光强度分布；
计算控制单元，用于对阵列光纤激光中的各路光纤激光实施相位控制，使其强度分布高速变化，同时基于参考光的强度分布和回光强度分布，重构目标图像。
另一方面，利用上述基于光纤激光相控阵的目标探测成像***，本发明提供一种基于光纤激光相控阵的目标探测成像方法，具体为：
光纤激光相控阵列光源的各分路光纤光源干涉形成散斑场，通过计算控制单元实施相控控制来刷新干涉散斑场的空间分布；
干涉散斑场通过分光单元进行分光，一路作为参考光进入参考光学单元来记录干涉散斑场的空间强度分布，一路作为反射光进入发射单元将干涉散斑场投影到目标物体上；
目标物体产生的回光由接收光学单元接收并将记录的回光强度分布传送至计算控制单元；
计算控制单元运行重构算法，基于参考光学单元记录的干涉散斑场的空间强度分布和接收光学单元记录的回光强度分布来进行目标物体图像重构。重构算法可以是强度关联算法、差分关联算法或者归一化关联算法。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、本发明提供了基于光纤激光相控阵进行关联成像的方法，与现有的基于转动毛玻璃、空间光相位调制器、数字微镜阵列的关联成像***相比，本发明提供的成像***具有发射功率高、调制频率快的特点，可应用与远距离目标探测，实现远距离目标快速成像；
2、本发明中光纤激光相控阵可采用高带宽相位调制器，实现MHz甚至GHz的相位调制频率，实现干涉光场形态快速变化，同时通过每路光纤链路中的光纤放大器对激光功率进行放大，可实现百瓦级以上高发射功率输出，提高探测距离；
3、本发明中光纤激光相控阵的干涉光场可通过相位控制实现视场的便捷转换，可实现运动目标的跟踪，可通过回光反馈来设置最佳的散斑形态，实现高质量成像。
综上，本发明提供的基于光纤激光相控阵的主动关联成像***在远距离目标探测领域具有重大应用价值。
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是本发明一实施例的架构图；
图2是本发明一实施例的光路结构图；
图3为本发明一实施例的流程图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面将以附图及详细叙述来清楚说明本发明所揭示内容的精神，任何所属技术领域技术人员在了解本发明内容的实施例后，当可由本发明内容所教示的技术，加以改变及修饰，其并不脱离本发明内容的精神与范围。本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
在一实施例中，参照图1，提供一种基于光纤激光相控阵的目标探测成像***，包括：
光纤激光相控阵列光源100，用于产生强度分布可高速变化的干涉散斑场，所述干涉散斑场由多路相位可控的光纤激光组成；；
分光单元200，将干涉散斑场分为发射光和参考光；
发射光学单元300，将发射光投射到目标表面；
参考光学单元400，采集参考光的强度分布；
接收光学单元500，接收来自目标反射的回光并记录回光强度分布；
计算控制单元600，用于对阵列光纤激光中的各路光纤激光实施相位控制，使其强度分布高速变化，同时基于参考光的强度分布和回光强度分布，重构目标图像。
本发明相较于现有的基于转动毛玻璃和空间光相位调制器的关联成像***，本发明的关联成像***具有发射功率高、调制频率快等特点，能够显著提高关联成像的探测距离和成像速度；同时具备单臂计算关联成像的潜力。
参照图2，一实施例中提供的基于光纤激光相控阵的目标探测成像***，包括光纤激光相控阵列光源、分光单元、发射光学单元、参考光学单元、接收光学单元和计算控制单元。
所述光纤激光相控阵列光源包括单频光纤激光种子源1、光纤激光预放大器2、分束器3、相位调制器阵列5、光纤放大器阵列6、光纤准直镜阵列7和光束扩束镜阵列8，单频光纤激光种子源1首先注入到光纤激光预放大器2中进行功率放大，放大后的光纤激光经过分束器3分束，分束后的每一路光纤激光分别对应相位调制器阵列5中的一路相位调制器，每一路相位调制器控制单路光纤激光的相位变化，相位调制后的每一路光纤激光经光纤放大器阵列6中对应的一路光纤放大器进行功率再放大，放大后的每一路光纤激光经光纤准直镜阵列7中对应的一路准直镜准直输出，再经过光束扩束镜阵列8中对应的一路光束扩束镜扩束来减小发散角。单频光纤激光种子源1可以采用近红外光纤激光器种子源，光纤放大器阵列6采用近红外光纤放大器阵列。
所述分光单元包括聚光透镜9、场镜10、第一反射镜11、分光镜12，所述聚光透镜9将光纤激光相控阵列光源输出的多路光纤激光汇聚干涉形成干涉散斑场，场镜10将激光束腰成像于第一反射镜11上，经第一反射镜11反射到分光镜12，分光镜12将入射进来的干涉散斑场分为透射光和反射光，其透过率约为1％，透射光作为参考光进入参考光学单元，反射光作为发射光进入发射光学单元。
所述参考光学单元包括依次设置的第二反射镜13、参考透镜14、衰减片15和CCD相机16，参考光经反射镜13反射到参考透镜14上，参考透镜14用于将参考光成像到CCD相机16中，所述衰减片用于调整进入CCD相机16的光场强度大小，保护CCD相机16光感面。CCD相机16采集参考光的强度分布。
所述发射光学单元包括发射透镜17，发射光经发射透镜17投影到目标物体18上，目标物体18的反射光被接收光学单元接收。
所述接收光学单元接收来自目标物体18反射的回光并记录回光强度分布。所述接收光学单元沿光路方向依次设置有接收透镜19、第三反射镜20、准直透镜21、滤光片22、第一成像透镜23、光阑24、第二成像透镜25和单像素探测器26。所述接收透镜19接收从目标物体18反射的回光，该回光经第三反射镜20、准直透镜21、滤光片22、第一成像透镜23、光阑24、第二成像透镜25后成像到单像素探测器26上，实现目标反射回光强度分布的采集。其中滤光片22用于消除杂散光的影响，光阑24用于调整视场大小和信号大小，提高信噪比。第一成像透镜23、第二成像透镜25将接收镜组的入瞳成像到单像素探测器上实现信号采集。
所述计算控制单元包含计算机28、相位控制单元4和数据采集单元27，计算机28结合相位控制单元4用于给光纤激光相控阵列光源中相位调制器阵列5中各相位调制器施加相位调制信号，计算机28结合数据采集单元27用于收集回光强度信号和参考光的强度分布，并将其转化为电信号和数字信号进行数据分析，进行目标物体图像重构。
在一实施例的所述光纤激光相控阵光源中，单频光纤激光种子源1产生的1064nm单频激光经过光纤预放大器2进行功率放大后获得足够的种子功率，再经过光纤分束器3进入各分路光纤。计算机28结合相位控制单元4对相位调制器阵列5中各相位调制器施加设定的电压信号，从而对各路分光纤激光进行相位控制。相位调制器阵列5中的相位调制器采用LiNbO3电光相位调制器，调制带宽可达到MHz量级甚至GHz量级。相位调制后的每一路光纤激光经光纤放大器阵列6中对应的一路光纤放大器进行功率再放大。具体地，光纤放大器可以采用掺镱光纤放大器，光纤放大器根据探测距离的需要进行相应的功率放大。放大后再经过准直镜阵列7准直输出，再通过扩束镜阵列8增加光斑尺寸、减小发散角，扩束后的光场经过聚焦透镜8在焦平面上产生干涉散斑场。经过准直镜输出的光束可以看作高斯光束，光纤激光相控阵光源输出端输出的每一路光纤激光可以相应表示为：
Figure BDA0003662711870000071
其中an和(xn,yn)分别是第n路光纤激光在输出平面(x-y平面)的幅度和中心坐标，w0为光束束腰，φn,p表示相位调制器施加在第n路光纤激光上的第p个调制周期的相位，φin为第n路光纤激光的初始相位，其变化为低速时变的，当调制速率较高时可以视为常数。
当观测区域位于远场时，满足夫琅禾费衍射条件时，根据夫琅禾费近似理论，观察平面(ξ-η平面)光场强度分布为x-y平面上光场强度分布的傅里叶变换。在ξ-η平面上，第p个调制周期内的散斑场可表示为：
Figure BDA0003662711870000072
其中k为空间波数，D为观测距离，因此第p个散斑场的强度分布可表示为：
Figure BDA0003662711870000073
Figure BDA0003662711870000074
其中IEN(ξ，η)为光场强度包络，I(ξ，η，p)的其余部分与光纤激光的阵列排布和每路光纤激光施加的相位密切相关。
在发射光学单元中，场镜10位于聚焦透镜9的焦平面位置，其作用是将焦平面处的干涉散斑场成像到发射镜17上，反射镜11的作用是改变光路方向，减小光学***的尺寸，在干涉散斑场进入发射镜17之前，***分光镜12将散斑场的强度分布信息进行分光，分光比为99:1，占主要能量成分的反射光进入发射光学单元进行远距离目标物体照明，透射光进入参考光学单元。
在参考光学单元中，参考透镜14将干涉散斑场成像到CCD相机16中，参考透镜14的放大倍率应根据散斑大小和CCD相机像素尺寸进行匹配设计，在参考透镜14的成像光路中引入衰减片15调节进入CCD相机16中的干涉散斑场光场强度，用于保护CCD相机的感光面。
发射光学单元中的发射镜17将干涉散斑场成像到目标物体18上，目标物体18反射回光经过接收透镜19进入接收光学单元。在接收光学单元中，反射镜20用于调整光路方向，回光经过准直透镜21准直后通过滤波片22滤除1064nm之外的杂散光，准直透镜21用于减小回光进入滤波片22的角度，增强滤波效果，提高成像信噪比，滤波后的回光经过由第一成像透镜23和第二成像透镜25组成成像透镜组后被单像素光电探测器26记录强度大小，在第一成像透镜23和第二成像透镜25中间***视场光阑24用于调整接收***的信号大小和视场大小，还可以屏蔽回光视场中的杂散强光点，提高成像质量。单像素探测器26可以是光电倍增管或雪崩光敏二极管。
计算机28和数据采集单元27采集参考光学单元记录的干涉散斑场的空间强度分布和接收光学单元记录的目标物体反射回的回光强度分布，并据此重构出目标物体18的图像。
本发明一实施例中提供一种基于上述成像***的成像方法，参照图3，具体流程为：
(S1)光纤激光相控阵阵列光源的各分路光纤光源在远场干涉形成散斑场I(ξ，η，p)，通过计算控制单元实施相控控制来刷新干涉散斑场的空间分布；
(S2)干涉散斑场通过分光单元进行分光，一路作为参考光进入参考光学单元来记录干涉散斑场的空间强度分布I(ξ，η，p)，一路作为反射光进入发射单元将干涉散斑场投影到目标物体上；
(S3)目标物体产生的回光T(p)由接收光学单元收集并由单像素光电探测器转化为电学信号传送至计算控制单元；
(S4)计算控制单元构建重构算法，基于参考光学单元记录的干涉散斑场的空间强度分布和接收光学单元记录的回光强度分布来进行目标物体图像重构。
在本实施例步骤(S3)中，目标物体产生的回光T(p)为干涉散斑场I(ξ，η，p)与目标物体反射率函数W(ξ，η)的内积，满足下列公式：
Figure BDA0003662711870000091
其中N和M分别为远场观察平面ξ方向和η方向的像素数。
在本实施例步骤(S4)中，采用强度关联算法对目标物体进行重构，总共进行K次采样，重构物体图像满足：
Figure BDA0003662711870000092
其中
Figure BDA0003662711870000093
为用不同强度分布的干涉散斑场进行K次采样时单像素光电探测器采集到的回光强度分布的均值。
结合上述实例可看出，本发明提供的基于激光相控阵的关联成像光学***具有发射功率高、调制频率快的特点，能够实现远距离目标的快速关联成像的效果，同时通过精确相位控制还具备单臂计算关联成像的潜力，为实现远距离目标探测成像提供一种新型可靠的技术途径。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种基于光纤激光相控阵的目标探测成像***，其特征在于，包括：
光纤激光相控阵列光源，用于产生强度分布可高速变化的干涉散斑场，所述干涉散斑场由多路相位可控的光纤激光组成；
分光单元，将干涉散斑场分为发射光和参考光；
发射光学单元，将发射光投射到目标表面；
参考光学单元，采集参考光的强度分布；
接收光学单元，接收来自目标反射的回光并记录回光强度分布；
计算控制单元，用于对阵列光纤激光中的各路光纤激光实施相位控制，使其强度分布高速变化，同时基于参考光的强度分布和回光强度分布，重构目标图像。
2.根据权利要求1所述的基于光纤激光相控阵的目标探测成像***，其特征在于，所述光纤激光相控阵列光源包括单频光纤激光种子源、光纤激光预放大器、分束器、相位调制器阵列、光纤放大器阵列、光纤准直镜阵列和光束扩束镜阵列，单频光纤激光种子源首先注入到光纤激光预放大器中进行功率放大，放大后的光纤激光经过分束器分束，分束后的每一路光纤激光分别对应相位调制器阵列中的一路相位调制器，每一路相位调制器控制单路光纤激光的相位变化，相位调制后的每一路光纤激光经光纤放大器阵列中对应的一路光纤放大器进行功率再放大，放大后的每一路光纤激光经光纤准直镜阵列中对应的一路准直镜准直输出，再经过光束扩束镜阵列中对应的一路光束扩束镜扩束来减小发散角。
3.根据权利要求2所述的基于光纤激光相控阵的目标探测成像***，其特征在于，所述相位调制器阵列中的一路相位调制器的控制信号由计算控制单元生成并通过相位控制单元施加给每路相位调制器。
4.根据权利要求2所述的基于光纤激光相控阵的目标探测成像***，其特征在于，所述的光纤准直镜阵列中的光纤准直镜按照一定规律在垂直于光路的平面内进行排布，经光纤准直镜阵列后每路光纤激光出射光线的光轴相互平行。
5.根据权利要求1或2或3或4所述的基于光纤激光相控阵的目标探测成像***，其特征在于，所述分光单元包括聚光透镜、场镜、第一反射镜、分光镜，所述聚光透镜将光纤激光相控阵列光源输出的多路光纤激光汇聚干涉形成干涉散斑场，场镜将激光束腰成像于第一反射镜上，经第一反射镜反射到分光镜，分光镜将入射进来的干涉散斑场分为透射光和反射光，透射光作为参考光进入参考光学单元，反射光作为发射光进入发射光学单元。
6.根据权利要求5所述的基于光纤激光相控阵的目标探测成像***，其特征在于，所述参考光学单元包括依次设置的第二反射镜、参考透镜、衰减片和CCD相机，参考光经反射镜反射到参考透镜上，参考透镜用于将参考光成像到CCD相机中，所述衰减片用于调整进入CCD相机的光场强度大小；CCD相机采集参考光的强度分布。
7.根据权利要求5所述的基于光纤激光相控阵的目标探测成像***，其特征在于，所述发射光学单元包括发射透镜，发射光经发射透镜投影到目标物体上，目标物体的反射光被接收光学单元接收。
8.根据权利要求6或7所述的基于光纤激光相控阵的目标探测成像***，其特征在于，所述接收光学单元沿光路方向依次设置有接收透镜、第三反射镜、准直透镜、滤光片、第一成像透镜、光阑、第二成像透镜和单像素探测器；所述接收透镜接收从目标物体反射的回光，该回光经第三反射镜、准直透镜、滤光片、第一成像透镜、光阑、第二成像透镜后成像到单像素探测器上，实现目标反射回光强度分布的采集。
9.根据权利要求1或2或3或4或6或7所述的基于光纤激光相控阵的目标探测成像***，其特征在于，所述计算控制单元包括计算机、相位控制单元和数据采集单元，计算机结合相位控制单元用于给光纤激光相控阵列光源中相位调制器阵列中各相位调制器施加相位调制信号，计算机结合数据采集单元用于收集回光强度信号和参考光的强度分布，并将其转化为电信号和数字信号进行数据分析，进行目标物体图像重构。
10.利用如权利要求1或2或3或4或6或7所述基于光纤激光相控阵的目标探测成像***的目标探测成像方法，其特征在于，包括：
光纤激光相控阵列光源的各分路光纤光源干涉形成散斑场，通过计算控制单元实施相控控制来刷新干涉散斑场的空间分布；
干涉散斑场通过分光单元进行分光，一路作为参考光进入参考光学单元来记录干涉散斑场的空间强度分布，一路作为反射光进入发射单元将干涉散斑场投影到目标物体上；
目标物体产生的回光由接收光学单元接收并将记录的回光强度分布传送至计算控制单元；
计算控制单元运行重构算法，基于参考光学单元记录的干涉散斑场的空间强度分布和接收光学单元记录的回光强度分布来进行目标物体图像重构。
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CN116626703A (zh) * 2023-07-21 2023-08-22 中国人民解放军国防科技大学 基于费马螺旋激光阵列的单像素成像方法及装置
CN116626703B (zh) * 2023-07-21 2023-09-19 中国人民解放军国防科技大学 基于费马螺旋激光阵列的单像素成像方法及装置

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