CN212364593U - 抑制大气湍流效应的复合散斑场相干成像装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及抑制大气湍流效应的复合散斑场相干成像装置，目的是解决现有技术中存在的散斑回波信息不随时间变化导致不能动态地传输目标空间谱信息、分束后的激光频率漂移且矫正效果不足以及不能获得目标的深度信息的问题。本实用新型提供了一种抑制大气湍流效应的复合散斑场相干成像装置。采用同源激光束组剪切和声光移频调制相结合的方式照明目标,使其表面形成有一定剪切量且随时间变化的相干复合散斑场，该发射方式将传统空间域的散斑干涉转换为时间域相干的散斑干涉,提升了目标回波信号的远程传输效率。采取激光主动照明成像方式，可全天时对目标进行探测，实时获取目标的二维和深度信息，还可完成对运动目标的信息采集与图像重构。
Description
技术领域
本实用新型涉及抑制大气湍流效应的复合散斑场相干成像装置。
背景技术
现有抑制大气湍流效应的复合散斑场相干成像，多采用的是对散斑场空间信息进行采集和对干涉信息进行图像处理，没有加入时间域的调制，散斑回波信息不随时间变化，较动态的散斑回波来说，对远程成像条件要求较为苛刻，不能动态地传输目标空间谱信息。对于多光束发射***中的频率漂移现象，往往采用的激光稳频技术，是针对分束前光源的频率稳定校正，而对于分束后的光束所受干扰后产生的独立随机频率漂移，校正效果不足，影响着远程信号的干涉和目标频谱的传输。而且现有技术没有加入双波长或者多波长多次发射装置，不能获得目标的深度信息。
实用新型内容
本实用新型的目的是解决现有技术中存在的散斑回波信息不随时间变化导致不能动态地传输目标空间谱信息、分束后的激光频率漂移且矫正效果不足以及不能获得目标的深度信息的问题，而提供了抑制大气湍流效应的复合散斑场相干成像装置。
本实用新型所采用的技术方案是，本实用新型提供了一种抑制大气湍流效应的复合散斑场相干成像装置，其特殊之处在于，包括激光发射***、信号回收***和计算机；
所述激光发射***发出的激光经目标反射后，由信号回收***接收，再由计算机进行存储及处理；
所述激光发射***包括调制器、激光源、分束器、频移器、准直器以及L型剪切台；
所述调制器将激光源发出的激光调制成两个或者多个波长的激光；
所述激光源发射激光；
所述分束器、频移器、准直器以及L型剪切台沿激光发射方向依次设置；
所述分束器、频移器、准直器均位于密封壳体内，L型剪切台设置于密封壳体一端；
所述L型剪切台用于固定三个同源光束的剪切量；
所述信号回收***为多个探测器组成的N*N探测器阵列，其中N≥4。
进一步地，所述探测器包括菲涅尔镜和设置在菲涅尔镜下方的雪崩二极管；
所述雪崩二极管与计算机电连接；
所述频移器和准直器之间的光路上还设置有光纤安装台。
本实用新型的有益效果是：
1、本实用新型采用同源激光束组剪切和声光移频调制相结合的方式照明目标,使其表面形成有一定剪切量且随时间变化的相干复合散斑场，该发射方式将传统空间域的散斑干涉转换为时间域相干的散斑干涉,提升了目标回波信号的远程传输效率。采取激光主动照明成像方式，可全天时对目标进行探测，实时获取目标的二维和深度信息，还可完成对运动目标的信息采集与图像重构。
2、本实用新型突破传统成像概念，采用分布式的能量探测器阵列构成超大等效口径，突破传统望远镜口径对成像分辨率的限制，透过大气湍流对远距离暗弱目标高分辨率成像，无需大口径光学成像透镜便可获得对远程暗小目标的高分辨率图像,采用区域拍频叠加技术有效抑制了多光束组中各光束分路由于各种因素引起的随机漂移，使得多光束相干场更有效的提取和传输远程目标空间谱信息。
3、本实用新型采用多波长照射目标，得到不同波长下的目标回波波前信息，对信息进行差分处理，可在获取目标二维图像的同时，得到物体的三维深度信息。
4、本实用新型实现了在模拟中等湍流下的高分辨率成像。验证了复合散斑场在湍流环境下的成像能力，为后期的地基大型望远成像***实现奠定了技术基础。
5、本实用新型在接收端无需高成本的光学***，使用低成本的工业用菲涅尔镜进行回波散射信号接收，对光学***面型要求较低。使用菲涅尔镜在保证信号接收的同时，更是大大的降低了复合散斑场望远成像中主镜的成本，有利于工程化。
附图说明
图1是本实用新型抑制大气湍流效应的复合散斑场相干成像装置的结构示意图；
图2是本实用新型中三光束L型位置剪切及散斑示意图；
图3是本实用新型中各探测器信号之间的迭代运算示意图；
图4是本实用新型中复合散斑场某一点携带目标信息的时域信号图；
图5是图4的傅里叶变换图；
图6是本实用新型中目标深度信息重构算法技术路线图。
图中，1.1-激光源，1.2-调制器，2-分束器，3-频移器，3.1-声光晶体射频驱动，3.2-声光调制器，5-光纤安装台，6-准直器，7-L型剪切台，8-壳体，9-目标，11-探测器，11.1-菲涅尔镜，11.2-雪崩二极管，12-计算机。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行详细说明。
本实用新型抑制大气湍流效应的复合散斑场相干成像装置，如图1所示，包括了激光发射***、信号回收***和计算机12；
激光发射***包括调制器1.2、激光源1.1、分束器2、频移器3、光纤安装台5、准直器6以及L型剪切台7；
激光源1.1：采用光纤激光器，波长1064nm，输出激光为高功率、窄线宽、单模保偏激光，易于在目标表面生成干涉信息，且输出功率可调；
调制器1.2：负责完成激光源微小波长调制，保证***双波长输出，以完成目标深度信息重构；
分束器2、频移器3、准直器6以及L型剪切台7沿激光发射方向依次设置；
分束器2：主要将输出激光平均分成3束，同时保持光的偏振性；
频移器3包括声光晶体射频驱动3.1和声光调制器3.2；
声光晶体射频驱动3.1：为声光调制晶体提供射频驱动以使得光束发生布拉格衍射，出射光为一级布拉格衍射光束；
声光调制器3.2：基于声光调制晶体的声光作用，可以对激光的频率和功率进行调制，保证干涉光束之间的拍频量精度以及保证各输出激光功率相同；
光纤安装台5：在光纤输入至准直器前产生固定作用，同时设定三光束之间的横向剪切量；
准直器6：使光束准直输出，光束集中并且均匀地照射被测目标；
三光束经过剪切、调制、准直后照射目标以产生干涉性较好的散斑场；
目标9：实验室的目标可以采用透射式目标，进行上行链路的实验验证；也可以采用反射式目标，进行全链路傅里叶望远镜成像实验；
三光束照射目标9后，分别在目标返回表面形成散斑场，由于散斑场均是经过频率调制且相互横向剪切的，叠加后产生新的复合散斑场，传输至信号回收***。
信号回收***为多个探测器组成的N*N探测器阵列11，其中N≥4。探测器11包括菲涅尔镜11.1和设置在菲涅尔镜11.1下方的雪崩二极管11.2；雪崩二极管11.2与计算机12电连接。
菲涅尔镜11.1：一种平面汇聚镜，只是将能量进行汇聚，制造工艺简单，容易制成大面积的汇聚镜，并且制造成本低，是该成像***接收主镜的有效解决方案。
雪崩二极管11.2：选用1064nm波长量子效率最高和响应率最好的InGaAs-APD；
计算机12：完成对探测器阵列中每个探测器时域信号的迭代运算，从回波光场中计算出目标的波前信息，重构目标图像。
分束器2、频移器3、准直器6以及L型剪切台7沿激光发射方向依次设置；分束器2、频移器3、准直器6均位于密封壳体8内，L型剪切台7设置于密封壳体一端；L型剪切台用于固定三个同源光束的剪切量；
其中，激光发射***主要分为A和B两部分：A部分完成激光源波长的切换与光束调制，B部分完成光束的剪切与准直输出。利用调制器调节激光源到设定波长，经分束器分束后利用频移器使光束两两间产生频差，再引入L型剪切台后光束准直输出。
剪切光束成像(SBI)最根本的优势在于它是一种振幅干涉测量法，场相位和幅值测量的灵敏度与目标的傅里叶模量(不是功率谱)成正比，具有平方根因子优势，不受湍流扰动和快速运动目标多普勒频移的影响，无需自适应光学和成像透镜就能获得远程目标接近衍射极限的图像。
图1中的复合散斑场是将三光束散斑组进行横向剪切与拍频动态调制，将远程光场的空间域干涉，转换为时间序列的信号组干涉，以提升远程暗弱目标空间特性的提取与接收。横向剪切是指发射平面三光束呈L型布局，其位移剪切关系如图2所示，其中O光为参考光，X和Y光分别为水平和竖直方向的剪切光，X光与O光的距离为横向剪切量Sx，Y光与O光的距离为纵向剪切量Sy。
光束的频率调制采用声光移频方案实现，将三束光调制成具有微小频率差的光，且三光束两两间频差不相同。图2中，参考O光的频率为v0，X方向剪切光束的频率为v0+vx，Y方向剪切光束的频率为v0+vy。这样，在空间上同样形成一个相互干涉的合成散斑场；时间域上，叠加的散斑场的同一位置呈现出三个频率的正弦叠加信号，这三个频率即为三光束引入的拍频，如图4、图5所示。利用拍频信息可将回波散斑场信息解调重构目标图像。
由目标返回的复合散斑场带有目标的空间分布信息，空间频率的多少与散斑场的特性有关。以4*4的探测器阵列为例对复合散斑场I(x,y,t)进行的信号采集，探测器之间的信号迭代如图3所示，随着阵列范围的扩大，参与迭代的回波信号增多，此时，相邻较近的探测器迭代出目标低频信息，相距较远的探测器迭代出目标高频信息。
对于目标的深度信息获取，利用两组不同波长进行相干光照明目标的模拟分析，同二维成像一样每组包含三个相同基频但有微小频移的照明激光束。每次发射一组照明激光束，各组依次发射。随着激光发射组的波长变化，每个探测真元探测到的随机复振幅随着相位发生改变，相位与目标散射区域的深度成比例。目标图像中每个元素的相对相位信息随着不同的距离成比例地改变，利用恢复出来的相对相位信息(相位差)即可以计算出目标的深度图像。三维成像数据处理流程如图6所示。
二维成像过程只需要单次测量，就可通过探测器阵列获得足够的信息，通过算法的迭代快速重构图像。对于目标的三维信息，可快速调整激光的波长多次测量(本实用新型中采用2种波长、测量两次)便可得到目标的深度信息，完成目标三维图像重构。
本实用新型抑制大气湍流效应的复合散斑场相干成像装置的二维成像步骤如下：
步骤1)产生设定波长的激光，并分成同源三光束；
步骤2)利用声光频移器，使同源三光束两两间产生微小频差，且同源三光束两两间频差不相同；
步骤3)同源三光束在发射平面呈L型布局，其中O光为参考光，X光为水平方向剪切光，Y光为竖直方向剪切光，X光与O光的距离为横向剪切量Sx，Y光与O光的距离为纵向剪切量Sy；横向剪切量Sx和纵向剪切量Sy剪切量相等，且与探测器阵列中探测器的间距对应；
步骤4)同源三光束准直后输出至目标；
步骤5)由目标返回时空间上相互干涉的复合散斑场回波数据，被N*N探测器阵列接收，其中N≥4；N*N探测器阵列包括多个探测器，每个探测器包括菲涅尔镜和设置在菲涅尔镜下方的雪崩二极管；
步骤6)N*N探测器阵列中相邻较近的探测器迭代出目标低频信号，相距较远的探测器迭代出目标高频信号，计算出低频信号和高频信号的相位差或相位梯度，利用波前重建算法整合出波前，对波前进行迭代运算得到目标的空间谱，再经过傅里叶逆变换，即可产生一幅目标空间分布强度图像。
这种成像方式突破传统成像概念，能够突破望远镜口径对成像分辨率的限制，透过大气湍流对远距离暗弱目标高分辨率成像，无需大口径光学成像透镜便可获得对远程暗小目标的高分辨率图像；成像实时性高，其发射光束组无需对目标进行点阵扫描，利用复合散斑场携带的目标信息即可同时获得目标的二维与深度信息。
如图1所示，用三束具有微小频移的同源激光以L型横向剪切方式照射目标。由目标返回的光场即复合散斑场：集成了被测目标空间横向剪切与拍频时域调制的复合信息。通过有效处理散斑场回波数据及优化图像重构算法完成二维图像重构，通过双波长调谐完成目标深度信息获取。激光发射过程中经过选择频移量使三光束间形成拍频，每对光产生的干涉条纹移动扫描目标表面，剪切量对应着接收阵列中探测器的间距。用一个高速探测器接收每个探测器上的拍频信号，计算出拍频信号的相位，它对应于返回波前的空间相位差。再利用波前重建算法“整合”相位差或相位梯度，产生对返回光波前的一个估计。然后，对波前进行傅里叶变换，计算平方模量产生一幅快照图像。将一系列这样的快照图像进行平均(减少散斑噪声)，即可得到一幅质量较好的二维图像。
本实用新型抑制大气湍流效应的复合散斑场相干成像装置的三维成像步骤如下：
步骤1)依次产生至少两组不同设定波长的激光，并将每组激光分成同源三光束；
步骤2)利用声光频移器，使每一组的同源三光束两两间产生微小频差，且同源三光束两两间频差不相同；
步骤3)使同源三光束在发射平面呈L型布局，其中O光为参考光，X光为水平方向剪切光，Y光为竖直方向剪切光，X光与O光的距离为横向剪切量Sx，Y光与O光的距离为纵向剪切量Sy；横向剪切量Sx和纵向剪切量Sy剪切量相等，且与探测器阵列中探测器的间距对应；该步骤采取了多光束横向剪切与时间域调制结合的方式，将传统的散斑空间域干涉转换为时间域干涉，有效提升了成像***对目标空间谱的提取和传输。
步骤4)每组同源三光束准直后分别输出至位于p1处以及移动至p2处的目标；
步骤5)由目标返回时空间上相互干涉的复合散斑场回波数据，被N*N探测器阵列接收，其中N≥4；探测器阵列最远端的探测器距离可视为成像***的等效口径；该等效口径决定了成像***的分辨率，该***探测器阵列是离散布局、采用低成本光学***接收回波能量、可扩展性强，可根据需要扩大接收阵列规模显著提升被测目标的分辨率。
步骤6)N*N探测器阵列中相邻较近的探测器迭代出目标低频信号，相距较远的探测器迭代出目标高频信号，计算出低频信号和高频信号的相位，利用波前重建算法整合出波前相位差或相位梯度，产生对返回光波前的一个估计，对波前进行傅里叶变换，即可产生一幅目标快照图像；再计算不同组波长间的波前相位差，得到目标的深度信息，由目标快照图像和深度信息，重构三维图像。
该方法在重构算法方面采取了区域拍频叠加的方法来抑制多光束随机频率漂移，更好地补充了原有成像***仅仅针对分束前光源频率校正的不足。
Claims (2)
1.抑制大气湍流效应的复合散斑场相干成像装置，其特征在于，包括激光发射***、信号回收***和计算机(12)；
所述激光发射***发出的激光经目标(9)反射后，由信号回收***接收，再由计算机(12)进行存储及处理；
所述激光发射***包括调制器(1.2)、激光源(1.1)、分束器(2)、频移器(3)、准直器(6)以及L型剪切台(7)；
所述调制器(1.2)将激光源(1.1)发出的激光调制成两个或者多个波长的激光；
所述激光源(1.1)发射激光；
所述分束器(2)、频移器(3)、准直器(6)以及L型剪切台(7)沿激光发射方向依次设置；
所述分束器(2)、频移器(3)、准直器(6)均位于密封壳体(8)内，L型剪切台(7)设置于密封壳体(8)一端；
所述L型剪切台(7)用于固定三个同源光束的剪切量；
所述信号回收***为多个探测器(11)组成的N*N探测器阵列，其中N≥4。
2.根据权利要求1所述的抑制大气湍流效应的复合散斑场相干成像装置，其特征在于，所述探测器(11)包括菲涅尔镜(11.1)和设置在菲涅尔镜(11.1)下方的雪崩二极管(11.2)；
所述雪崩二极管(11.2)与计算机(12)电连接；
所述频移器(3)和准直器(6)之间的光路上还设置有光纤安装台(5)。
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| GR01 | Patent grant | ||
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