CN104568174A - 一种基于阵列探测器的光场匹配外差探测装置及方法 - Google Patents

Abstract

该发明公开了一种基于阵列探测器的光场匹配外差探测装置及方法，属于激光外差探测领域，特别是能够利用阵列探测器进行信号光与本振光的光场匹配校正的连续外差探测，能够提高外差探测的信号信噪比。通过阵列探测器接收光信号，然后对阵列探测器各单元的接收信号进行加权叠加，最后输出叠加后的总的中频信号。在目标探测过程中，首先单独接收目标反射回来的信号光，再单独接收本振光，在根据探测到的信号光和本振光的光场分布，计算出阵列探测器中各探测单元的加权系数，然后同时接收信号光和本振光，各探测单元输出的探测信号按照计算出的加权系数进行加权叠加，最后输出叠加的组合信号。从而具有提高外差探测信噪比、操作简便的效果。

Description

一种基于阵列探测器的光场匹配外差探测装置及方法

技术领域

本发明属于激光外差探测领域，特别是能够利用阵列探测器进行信号光与本振光的光场匹配校正的连续外差探测，能够提高外差探测的信号信噪比。

背景技术

激光外差探测具备众多优点，但这种技术的性能却受到各种因素的限制。大气湍流、接收系统像差、信号光与本振光之间的夹角等因素都将造成外差探测信噪比下降，这些因素都可以描述为信号光与本振光场的不匹配。

2012年公布的一份研究文献中(董洪舟，敖明武，杨若夫等.基于阵列探测器的空间失配角匹配外差探测研究[J]激光与光电子学进展，2012，49，081202)，提出了一种用阵列探测器，结合数字电位器进行空间失配角的匹配外差探测技术，如附图3所示。若信号光与本振光经准直后入射到探测器上，探测器各单元输出的电流由控制模块控制数字增益放大模块进行调节后输出，所有单元的电流再经等相位求和模块后的输出即为中频电流信号。数字增益放大模块可以通过数字可变电阻实现可编程控制，即控制模块发送控制指令给各单元的数字可变电阻，可变电阻接收到指令后根据各自的指令实现电阻微调变化，从而实现电流增益的变化。当阵列探测器需要探测某一合作目标时，只需通过增益控制模块发送对应的指令，设置各个数字增益放大模块的放大系数，使得有效量子效率匹配这一角度即可。而当增益控制模块发出一系列控制指令时，就实现了阵列探测器的扫描式探测。但这种探测体制存在较大的缺陷，它仅能对空间失配角进行外差探测，又因为是不断变换有效量子效率函数进行扫描式的探测，探测时间过长。而且当在探测中存在光学系统像差、大气湍流等因素时，这种探测体制没有增强信噪比的作用。

发明内容

本发明的目的是针对背景技术的不足，设计了一种基于阵列探测器的光场匹配外差探测装置及方法，该装置通过阵列探测器接收光信号，然后对各探测器单元接收的信号，按本发明描述的方法进行加权叠加，从而达到提高外差探测信噪比、操作简便的目的。

本发明的技术方案包括一种基于阵列探测器的光场匹配外差探测装置，该装置报包括：激光器(1)、第一分束片(2)、第二分束片(4)、发射接收光学组件(5)、第三分束片(7)、反光镜(6)、透镜(11)、阵列探测器(8)、信号处理及控制系统(9)，其特征在于激光器(1)出射激光通过第一分束片(2)分为两束激光，其中一束依次穿过第二分束片(4)、发射接收光学组件(5)照射到探测目标上，另一束依次穿过第三分束片(7)、透镜(11)照射到阵列探测器(8)上；从探测目标上返回的激光首先穿过发射接收光学组件(5)，依次由第二分束片(4)的反射和反光镜(6)的反射达到第三分束镜(7)，经过第三分束镜(7)的反射与穿过第三分束镜(7)的本振光一起照射到阵列探测器(8)；阵列探测器(8)将探测到的信号传输给信号处理及控制系统(9)处理；在第一分束片(2)与第二分束片(4)之间设置第一激光通断开关(3)，在第一分束片(2)与第三分束片(7)之间设置第二激光通断开关(10)，两激光通断开关由信号处理及控制系统(9)控制其通断。

一种基于阵列探测器的光场匹配外差探测方法，该方法包括：

步骤1：打开激光器(1)使光场匹配外差探测装置的出射激光照射在探测目标上；

步骤2：打开第一激光通断开关(3)，关断第二激光通断开关(10)，记录阵列探测器探测到的信号光在探测器光敏面上的光场分布U_S，并传输到信号处理及控制系统(9)存储为U_S[n,m]，其中n表示阵列探测器中各探测单元的编号；

步骤3：关断第一激光通断开关(3)，打开第二激光通断开关(10)，记录阵列探测器探测到的本振光在各探测器光敏面上的光场分布U_l，并传输到信号处理及控制系统(9)存储为U_l[n,m]；

步骤4：信号处理及控制系统(9)计算出U_j[n,m]＝|U_S[n,m]|/|U_l[n,m]|，其中U_j[n,m]表示阵列探测器中第n行，第m列个探测单元的加权系数；

步骤5：同时打开第一激光通断开关(3)和第二激光通断开关(10)，对阵列探测器各探测单元接收到的信号按照步骤4计算出的加权系数，再根据该系数将各探测单元的输出进行加权叠加输出；

步骤6：计算步骤5得到的组合信号的信噪比，将该信噪比与事先设定的信噪比阈值比较，若大于阈值则输出该叠加信号，若小于阈值则返回步骤2，直到输出足够信噪比的叠加信号为止。

本发明一种基于阵列探测器的光场匹配外差探测装置及方法，该装置通过阵列探测器接收光信号，然后对探测单元接收信号进行加权叠加。在目标探测过程中，首先单独接收目标反射回来的信号光，再单独接收本振光，再根据信号光和本振光各自的光场分布，计算出阵列探测器中各探测单元的加权系数。然后同时接收信号光和本振光，各探测单元探测信号按照计算出的加权系数叠加，最后输出叠加后的信号。从而具有提高外差探测信噪比、操作简便的效果。

附图说明

图1为阵列探测器提高外差探测信噪比原理图(一维示意图)；

图2为基于阵列探测器的外差探测接收系统示意图；

图3为空间失配角扫描式匹配探测系统示意图；

图4(a)为信号光与本振光以夹角γ形成的畸变干涉光场示意图；图4(b)为本发明具体实施例计算出的U_j[n,m]分布图；

图5为根据U_j[n,m]求和输出的中频信号强度随夹角γ的变化情况曲线图。

图1中(a)为只打开第一激光通断开关(3)，或第二激光通断开关(10)时阵列探测器探测到的光信号U_S或U_l，(b)为同时打开两个激光通断开关时，阵列探测器探测到的两路光的干涉信号；图2中：1.激光器，2.第一分束片，3.第一激光通断开关，4.第二分束片，5.发射接收光学组件，6.反光镜，7.第三分束镜，8.阵列探测器，9.信号处理及控制系统，10.第二激光通断开关，11.透镜。

具体实施方式

外差探测的外差效率是衡量一个探测系统信噪比的通用指标，对于阵列探测器，其信噪比可以描述为

$\left(\frac{S}{N}\right)=R\×\mathrm{\Γ}$

其中R＝ηP_sF_S/hvB_IF,

式中h为普朗克常数，v为光频率，η为探测器量子效率，P_s为信号光功率，B_IF为外差中频信号带宽，F_S为信号光入射到探测器光敏面上的比例，U_S为信号的光场分布函数，U_l为本振光的光场分布函数，U_j为阵列探测器中第j个单元的增益系数，A为阵列探测器的光敏面积，为信号光与本振光的相位差。上式虽然是阵列探测器信噪比公式，但若令其中每个探测单元的放大增益U_j都相同，则该式也是单点探测器的信噪比公式。在上式中R称为探测器的量子极限信噪比，即理论上外差探测系统能达到的最佳信噪比。但在实际应用中，由于信号光与本振光的光场不匹配，式中积分项Г的值将小于1，这将导致信噪比偏离理想信噪比。观察上式，若U_j≈|U_S|/|U_l|，则积分项Г积分结果可以趋近于1，信噪比将得到提高，而这正是本发明的基本思想。根据该思想，如果阵列探测器能够获得U_S和U_l的分布函数，并计算出U_j≈|U_S|/|U_l|，如附图1(a)所示。然后根据计算出的U_j值，设置阵列探测器各单元的增益系数，再对U_S和U_l的相干场进行探测，就可以提高外差探测的信噪比，如附图1(b)所示。

当探测开始后，如附图2所示，信号光通断控制器3处于打开状态，本振光通断控制器10处于关闭状态。此时阵列探测器采集信号光的分布光场，并存储为U_S[n,m]。然后信号光通断控制器3关闭，本振光通断控制器10打开，探测器阵列采集本振光的分布光场，并存储为U_l[n,m]。存储U_S[n,m]和U_l[n,m]后，阵列探测后续的MCU计算控制系统计算出U_j[n,m]＝|U_S[n,m]|/|U_l[n,m]|，按照该计算结果设置阵列探测器中第n行、第m列个单元的加权系数。完成系数设置后，信号光与本振光通断控制器都处于打开状态，系统开始外差探测。各路ADC采集各单元输出的中频外差信号，将其数字化后送入基于MCU的计算控制模块，然后每路信号的振幅乘以各自的加权系数U_j[n,m]，再进行计算求和就得到信噪比加强后的总的中频外差信号。

当信号光或本振光的光场分布发生变化后，MCU计算控制系统按照原来的U_j[n,m]进行探测时，信噪比将下降，此时基于MCU计算控制模块中设置一个信噪比阈值，当MCU计算控制系统计算出的信噪比小于阈值时，控制系统输出控制信号分别打开和关断信号光与本振光的光路，重新采集两束光的光场分布，重新计算出新的U_j[n,m]，再进行外差探测。以此实现自动匹配光场外差探测。

图4显示了以信号光与本振光之间存在夹角为例时，本发明系统匹配探测性能的仿真情况。信号光与本振光之间的夹角是影响干涉场畸变的主要因素之一，有实验证实，只有当信号光与本振光的夹角小于0.015°时，对微弱信号的检测才有较好的效果(白世武，龚育良.空间准直性对激光外差干涉信噪比的影响[J]光学仪器.1994，16(1):1-5)。图4(a)显示了由于两光束之间的夹角，导致的干涉场畸变情况，图4(b)显示了根据本发明的U_j[n,m]计算方法得到的分布图，图5显示根据U_j[n,m]求和输出的外差探测中频信号强度随角度的变化情况，从图中可以看出，根据畸变光场计算得到的U_j[n,m]可以良好的匹配探测，从而增强外差探测的中频强度。

Claims (2)

1.一种基于阵列探测器的光场匹配外差探测装置，该装置报包括：

激光器(1)、第一分束片(2)、第二分束片(4)、发射接收光学组件(5)、第三分束片(7)、反光镜(6)、透镜(11)、阵列探测器(8)、信号处理及控制系统(9)，其特征在于激光器(1)出射激光通过第一分束片(2)分为两束激光，其中一束依次穿过第二分束片(4)、发射接收光学组件(5)照射到探测目标上，另一束依次穿过第三分束片(7)、透镜(11)照射到阵列探测器(8)上；从探测目标上返回的激光首先穿过发射接收光学组件(5)，依次由第二分束片(4)的反射和反光镜(6)的反射达到第三分束镜(7)，经过第三分束镜(7)的反射与穿过第三分束镜(7)的本振光一起照射到阵列探测器(8)；阵列探测器(8)将探测到的信号传输给信号处理及控制系统(9)处理；在第一分束片(2)与第二分束片(4)之间设置第一激光通断开关(3)，在第一分束片(2)与第三分束片(7)之间设置第二激光通断开关(10)，两激光通断开关由信号处理及控制系统(9)控制其通断。

2.一种基于阵列探测器的光场匹配外差探测方法，该方法包括：

步骤1：打开激光器(1)使光场匹配外差探测装置的出射激光照射在探测目标上；

步骤2：打开第一激光通断开关(3)，关断第二激光通断开关(10)，记录阵列探测器探测到的信号光在探测器光敏面上的光场分布U_S，并传输到信号处理及控制系统(9)存储为U_S[n,m]，其中n表示阵列探测器中各探测单元的编号；

步骤3：关断第一激光通断开关(3)，打开第二激光通断开关(10)，记录阵列探测器探测到的本振光在各探测器光敏面上的光场分布U_l，并传输到信号处理及控制系统(9)存储为U_l[n,m]；

步骤4：信号处理及控制系统(9)计算出U_j[n,m]＝|U_S[n,m]|/|U_l[n,m]|，其中U_j[n,m]表示阵列探测器中第n行，第m列个探测单元的加权系数；

步骤5：同时打开第一激光通断开关(3)和第二激光通断开关(10)，对阵列探测器各探测单元接收到的信号按照步骤4计算出的加权系数，再根据该系数将各探测单元的输出进行加权叠加输出；

步骤6：计算步骤5得到的组合信号的信噪比，将该信噪比与事先设定的信噪比阈值比较，若大于阈值则输出该叠加信号，若小于阈值则返回步骤2，直到输出足够信噪比的叠加信号为止。