CN104848945A - 一种相干扫描波前探测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种相干扫描波前探测方法及系统，属于自适应光学技术和光学计量技术领域。本发明的探测方法为：将光源生成器发出的激光同时作为信标照明光和本振光，信标照明光经信标或目标的后向散射光作为波前探测信标光；本振光经光束准直器后由光扫描器进行相位角度扫描，再与波前探测信标光经微透镜阵列的各子孔径后在阵列光电探测器上合束相干；当波检测到阵列光电探测器输出的子孔径的相干检测信号的强度为极值时，提取本振光的相位扫描角度作为该子孔径的波前探测信标光质心角度偏移，进行波前重构。本发明还公开了基于上述方法的探测系统。本发明用于测量大气湍流产生的像差，能显著提高阵列光电探测器的探测灵敏度以及抑制强噪声干扰。

Description

一种相干扫描波前探测方法及系统

技术领域

本发明属于自适应光学技术和光学计量技术领域，具体涉及一种基于相干扫描方法测量大气湍流像差的波前探测方法及系统。

背景技术

自适应光学技术作为天文光学观测和激光大气传输的关键技术之一，具有重大的现实需求并得到了广泛的研究和持续发展。自适应光学理论在20世纪80年代之前已经建立起来，而自适应光学系统的开发正向着更高空间频率和高时间带宽方向发展，以满足地基巨型望远镜的相位校正需求和激光在大气中稳定传输的需求。

波前探测器是自适应光学系统的核心部件之一，它主要通过对波前探测信标光的相位进行高速高分辨率探测，并作为后端波前校正器的控制输入信号，以实现大气波前像差的实时补偿。其中基于孔径分割的夏克-哈特曼(简称哈特曼波)波前探测器技术最成熟，使用最为广泛。其原理可参考“Principle of Adaptive Optics”Robert K Tyson,CRC Press.“HartmannSensers for Optical Testing”,Robert J.Zielinski,B.Martin Levine,Brain Moneil,SPIE314,398(1997)。

目前所采用的哈特曼波前探测器的结构与工作流程如图1所示，波前探测信标光首先经过缩束系统，光束口径被压缩到微透镜阵列直径相同，然后分别被每个子孔径的透镜聚焦成像在阵列光电探测器上，每个子孔径通常占据3x3像素，每个子孔径上焦斑与像素之间的关系如图2所示。波前处理机计算阵列光电探测器上每个子孔径焦斑的质心偏移，根据典型的波前重构算法可以复原波前探测信标光的波前形状和大小。

但是，目前所采用的哈特曼波前传感器的性能有限，制约了自适应光学系统的性能。一方面：由于孔径分割的原因，传统的哈特曼波前探测器的灵敏度不高，抗噪声性能不足，当波前探测信标光比较弱时，无法在白天强背景光条件下使用，无法实现自适应光学系统的全天时工作；另一方面，为了准确计算光斑质心位置，传统的哈特曼波前探测器微透镜阵列上每个子孔径所对应的探测器像素数至少要大于9个，使得所需的阵列光电探测器单元数比较多，图像帧频低，限制了自适应光学系统的闭环带宽，这一缺陷使得自适应光学系统在中远红外波段的应用严重受限。

因此，探索新的波前探测方法，提升哈特曼波前探测器的带宽和抗噪声性能，对于自适应光学系统在白天观测和激光大气传输中的应用具有重要意义。

发明内容

本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种提高阵列光电探测器的探测灵敏度以及抑制强噪声干扰的相干扫描波前探测方法及系统。

本发明改变了传统哈特曼被动探测的特性，将光源生成器同时作为主动照明信标/目标光源以及相干扫描的本振光源，采用相干方法来滤除噪声对光斑质心探测的影响，采用本振光扫描的方法来提取波前探测信标光的光斑质心信息，以达到削减阵列光电探测器单元数，提升图像读出帧频的效果。本发明将光源生成器所发射的激光，一方面形成波前探测信标携带了大气湍流像差信息，而在此过程中波前探测信标的频率和偏振状态基本保持不变。同时在大气湍流冻结时间内，被波前探测信标的相位近似不变，因此可以实现与本振光的相干检测。就微透镜阵列的每一个子孔径而言，波前探测信标与本振光之间的相位差包含两部分，平移相位差和倾斜相位差，它们都会降低子孔径探测器(光电探测器)上的相干检测信号的强弱，当倾斜相位差为零时，相干检测信号强度(电探测器输出的相干检测信号具体为相干电信号)取极值(最大值或最小值)，此时子孔径上波前探测信标光的倾斜等于本振光的相位倾斜。由于波前探测信标光子孔径相位倾斜未知且彼此不同，必须对本振光在子孔径动态范围内进行扫描，当某个子孔径上检测到相干电信号取极值时，说明该子孔径上波前探测信标与本振光的倾斜相位差相等，因此，可以从本振光扫描角度获取该子孔径的波前探测信标光相位倾斜(作为用于波前重构的子孔径的波前探测信标光质心角度偏移)，并且一次扫描即可完成所有子孔径的波前探测信标光倾斜相位差测量。总的来说相干检测信号的包络由波前探测信标光与本振光之间的倾斜相位差决定，其极值之处即为倾斜相位差为零的地方。

本发明的相干扫描波前探测方法，包括下列步骤：

将光源生成器发射的激光经分光器分为两束，分别作为信标照明光和本振光；信标照明光经信标/目标的后向散射光作为波前探测信标光；本振光经光束准直器后由光扫描器进行相位角度扫描，并与波前探测信标光经微透镜阵列的各子孔径后在阵列光电探测器上进行合束相干；阵列光电探测器的各光电探测器将各子孔径的相干检测信号的强度输出至波前处理与扫描控制器，由波前处理与扫描控制器控制光扫描器的扫描角度，当波前处理与扫描控制器检测到阵列光电探测器输出的子孔径的相干检测信号的强度为极值时，提取本振光的相位扫描角度作为当前子孔径的波前探测信标光质心角度偏移，基于各子孔径的波前探测信标光质心角度偏移进行波前重构。

与现有的波前探测方法相比，本发明的波前探测信标光为主动信标方式，可以根据探测目标的距离和发射特性对光源生成器的功率进行对应调制，从而提升波前探测信标的强度，在白天强背景光条件下也可使用；本发明中与传统的哈特曼波前探测器每个子孔径光斑需要多个像素进行探测并计算光斑质心不同，本发明的光电探测器不直接生成光斑质心偏移角度信息，而仅仅提供光电转换信号强度信息，因此需要阵列光电探测器单元数少，可以极大地提高光电探测器的读出速率；并且通过相干检测方式来获取各子孔径的波前探测信标光相位倾角，能够极大地提高阵列光电探测器的探测灵敏度以及抑制强噪声干扰。

进一步的，在光源生成器功率一定的条件下，为了获得高功率的波前探测信标光，在将光源生成器发射的激光分为两束时，可以采用反射率大于透射率的分光镜，将反射光束为信标照明光，透射光束为本振光。

本发明相干扫描波前探测系统，包括光源生成器、分光器、光束准直器、光扫描器、微透镜阵列、光电探测器陈列和波前处理与扫描控制器，其中光源生成器发射的激光经分光器(在光源生成器功率一定的条件下，为了获得高功率的波前探测信标光，可以采用反射率大于透射率的分光镜，将反射光束为信标照明光，透射光束为本振光)分为两束，分别作为信标照明光和本振光，信标照明光经信标/目标的后向散射光作为波前探测信标光；本振光经光束准直器后由光扫描器进行相位角度扫描，并与波前探测信标光经微透镜阵列的各子孔径后在阵列光电探测器上进行合束相干；阵列光电探测器的各光电探测器将各子孔径的相干检测信号的强度输出至波前处理与扫描控制器，由波前处理与扫描控制器控制光扫描器的扫描角度，当波前处理与扫描控制器检测到阵列光电探测器输出的子孔径的相干检测信号的强度为极值时，提取本振光的相位扫描角度作为当前子孔径的波前探测信标光质心角度偏移，基于各子孔径的波前探测信标光质心角度偏移进行波前重构。

为了使得通过光扫描器的光束为细光束，从而降低光扫描器尺寸，本发明的相干扫描波前探测系统还包括光束扩束器，用于将经光扫描器的本振光进行扩束处理，该光束扩束器的输出孔径大于或等于微透镜阵列的各子孔径的直径，光束扩束器的输出孔径大于或等于光扫描器的工作孔径。

为了进一步提高本发明波前探测的探测精度可以在微透镜阵列前设置一个光合束器，用于实现本振光(经光束扩束器后的)与波前探测信标光同光轴耦合以提升探测灵敏度，为了能够充分利用波前探测信标光的能量，还以选择透过率大于反射率的光合束器，从而实现一个高增益的空间光相干系统(本振光的高反射损耗可以通过提高光源生成器的发射功率进行补偿)。

优选的，本发明的光源生成器可以采用窄线宽激光器，以保持频率和功率的高度稳定性，并且可以根据实际应用环境的需要采用不同波长。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：主动信标可以提升被测波前探测信标光的强度，相干检测方式能够极大地提高阵列光电探测器的探测灵敏度以及抑制强噪声干扰。扫描方式检测相位倾斜可以降低阵列光电探测器的像素数，极大提高光电探测器的读出速率，并且能够实现全天时、弱光条件下的大气湍流像差超高速探测。

附图说明

图1为传统哈特曼波前传感器的原理结构图；

图2为传统哈特曼波前探测器的光斑探测器阵列3x3子孔径示意图；

图3为本发明提出的相干扫描哈特曼波前探测器结构图；

图4为本发明提出的相干扫描哈特曼波前探测系统工作原理图；

图5为本发明提出的微机械(MEMS)高速倾斜镜光束扫描示意图；

图6为本发明提出的相干扫描哈特曼波前探测系统光斑探测阵列3x3子孔径示意图；

图7为本发明中子孔径探测器输出的相干检测信号强度与本振光扫描角度的关系图；

其中，1——窄线宽激光器，2——分光镜，3——光束准直器，4——MEMS高速倾斜镜，5——光束扩束器，6——平面反射镜，7——光合束镜，8——微透镜阵列，9——阵列光电探测器，10——波前处理与扫描控制器。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合实施方式和附图，对本发明作进一步地详细描述。

如图3所示，本发明的相干扫描波前探测系统包括窄线宽激光器1(高稳定性激光器)、分光镜2、光束准直器3、MEMS高速倾斜镜4(本具体实施方式优选的光扫描器)、光束扩束器5，平面反射镜6，光合束镜7，微透镜阵列8，阵列光电探测器9，波前处理与扫描控制器10。其中，窄线宽激光器1发射的激光被分光镜2(反射率大于透射率)分成两束，功率较强的光束(反射光束)作为信标照明光(图3、4所示的照射光束)，用于照射大气高空钠层信标或者观测目标，其后向散射光(如图4所示的反向反射光束)穿过大气经微透镜阵列8后被阵列光电探测器9的光电探测器接收，该后向散射光携带了大气湍流像差的信息，即作为哈特曼的被测波前探测信标光(以下简称信标光)。功率较弱的光束(透射光束)作为本振光，经过光束准直器3通过MEMS高速倾斜镜4进行角度扫描，然后经光束扩束器5扩束后与信标光经光合束镜7同光轴耦合后，经微透镜阵列8的各子孔径进入阵列光电探测器9进行合束相干。为了使得通过光扫描器的光束为细光束，从而降低光MEMS高速倾斜镜4尺寸，本发明通过设置光束扩束器5来实现本振光的光束变换，其输出孔径大于或等于微透镜阵列8的各子孔径的直径，且其输入孔径大于或等于MEMS高速倾斜镜4的工作孔径。

为了将经光束扩束器5的本振光传播到光合束镜7，基于图3所示的光传播路径，需要光束扩束器5上设置一个平面反射镜6，通过平面反射镜6将经光束扩束器5的本振光反射至光合束镜7。若采用其它光传播路径，直接将经光束扩束器5的本振光传播到光合束镜7，则可以不必设置平面反射镜6。

阵列光电探测器9将基于透镜阵列8的各子孔径的相干检测信号的强度(因此阵列光电探测器9的单元数最少可设置为微透镜阵列8的单元数)输出至波前处理与扫描控制器10，由波前处理与扫描控制器10控制MEMS高速倾斜镜4的光扫描器的扫描角度，当波前处理与扫描控制器检测到阵列光电探测器输出的子孔径的相干检测信号的强度为极值时，提取本振光的相位扫描角度作为当前子孔径的信标光质心角度偏移，基于各子孔径的信标光质心角度偏移进行波前重构。

MEMS高速倾斜镜4用来实现本振光的高速圆周扫描，从而使得本振光在阵列光电探测器9上的焦斑在一个周期内覆盖整个探测器面积，其扫描驱动信号通过波前处理与扫描控制器10产生，为了保证相干信号的有效提取，其扫描频率应大于或等于阵列光电探测器9的输出帧频，最大扫描径向角度范围大于或等于微透镜阵列8的子孔径上倾斜探测的动态范围，本具体实施方式中，优选采用小孔径的MEMS高速倾斜镜，其具体的扫描方式可以采用螺旋线扫描方式(如图5所示)或其他。

MEMS高速倾斜镜的扫描频率经过MEMS输出的本振光束在阵列光电探测器9的各光电探测器(也称子孔径光电探测器)上信标光进行光束相干，因为光电探测器读出时间远远低于大气湍流冻结时间，因此任意时刻都可以假定：光束经过透镜阵列8的子孔径后，在每一个子孔径上本振光与信标光之间只有平移相位差和倾斜相位差且他们都是常数，因此，单个子孔径对应的输出光电流(相干检测信号的强度)为：

其中，η表示光电探测器的响应度，S表示子孔径面积，A_s表示信标光的振幅，A_lo为本振光的振幅，T表示光电探测器的积分时间。

由于本振光能够进行倾斜扫描，因此当倾斜相位差时，输出光电流具有极限值，本振光与信标光的倾斜相位相等(当时取最大值，当时取最小值)。因此光电流取极值时的本振光相位扫描角度即等于该子孔径上信标光的相位倾角，即将本振光相位扫描角度作为当前子孔径的信标光质心角度偏移。输出电流(图7中所示的子孔径光电探测器输出信号)与本振光倾斜的关系如图7所示。在一个扫描周期内，能够获得所有子孔径的信标光相位倾角，即信标光质心角度偏移，并可被用来重构信标光的完整波前。

本发明的光电探测器方案有利于大大提升系统处理速率，降低成本。每个子孔径的光电探测器只需要一个数十微米(10¹～10²微米级别)直径的光电探测器单元，如图6所示，其中黑色光斑表示信标光子孔径焦斑，白色光斑表示本振光的子孔径焦斑，且每个本振光焦斑相对于子孔径中心的偏移都是一致的，如果本振光与信标光的倾斜相位差异较大，光电探测器单元上显示的是两个分离或部分重叠的光斑，此时光电探测器输入电信号幅度较小。

波前重构和MEMS扫描控制功能由波前处理与扫描控制器10完成，通过探测光电探测器的信号强弱，并获取信号取极值时的MEMS扫描驱动信号，进而提取各子孔径的信标光波前斜率信息执行波前重构，具体的波前重构处理算法采用惯用的方式即可，此处不再详述。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (10)

1.一种相干扫描波前探测方法，其特征在于，包括下列步骤：

将光源生成器发射的激光经分光器分为两束，分别作为信标照明光和本振光；

信标照明光经信标或目标的后向散射光作为波前探测信标光；

本振光经光束准直器后由光扫描器进行相位角度扫描，并与波前探测信标光经微透镜阵列的各子孔径后在阵列光电探测器上进行合束相干；

阵列光电探测器将各子孔径的相干检测信号的强度输出至波前处理与扫描控制器，由波前处理与扫描控制器控制光扫描器的扫描角度，当波前处理与扫描控制器检测到阵列光电探测器输出的子孔径的相干检测信号的强度为极值时，提取本振光的相位扫描角度作为当前子孔径的波前探测信标光质心角度偏移，基于各子孔径的波前探测信标光质心角度偏移进行波前重构。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，光源生成器与光束准直器之间的分光器为分光镜，所述分光镜的反射率大于透射率，且反射光束为信标照明光，透射光束为本振光。

3.一种相干扫描波前探测系统，包括光源生成器、分光器、光束准直器、光扫描器、微透镜阵列、光电探测器陈列和波前处理与扫描控制器，其特征在于，

光源生成器发射的激光经分光器分为两束，分别作为信标照明光和本振光，信标照明光经信标或目标的后向散射光作为波前探测信标光；

本振光经光束准直器后由光扫描器进行相位角度扫描，并与波前探测信标光经微透镜阵列的各子孔径后在阵列光电探测器上进行合束相干；

阵列光电探测器的各光电探测器将各子孔径的相干检测信号的强度输出至波前处理与扫描控制器，由波前处理与扫描控制器控制光扫描器的扫描角度，当波前处理与扫描控制器检测到阵列光电探测器输出的子孔径的相干检测信号的强度为极值时，提取本振光的相位扫描角度作为当前子孔径的波前探测信标光质心角度偏移，基于各子孔径的波前探测信标光质心角度偏移进行波前重构。

4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，光源生成器与光束准直器之间的分光器为分光镜，所述分光镜的反射率大于透射率，且反射光束为信标照明光，透射光束为本振光。

5.如权利要求3或4所述的系统，其特征在于，还包括光束扩束器，用于将经光扫描器的本振光进行扩束处理，所述光束扩束器的输出孔径大于或等于微透镜阵列的各子孔径的直径，光束扩束器的输出孔径大于或等于光扫描器的工作孔径。

6.如权利要求3、4或5所述的系统，其特征在于，在微透镜阵列前设置光合束器，用于将经光束扩束器的本振光与波前探测信标光同光轴耦合。

7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述光合束器的透过率大于反射率。

8.如权利要求3或4所述的系统，其特征在于，所述光源生成器为窄线宽激光器。

9.如权利要求3或4所述的系统，其特征在于，所述阵列光电探测器的单元数大于或等于微透镜阵列的单元数。

10.如权利要求3或4所述的系统，其特征在于，所述光扫描器为微机械高速倾斜镜。