CN105549370A - 基于多通道低频外差的合成孔径数字全息方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多通道低频外差的合成孔径数字全息方法及装置，该方案采用声光移频方式获得多路具有低频外差的相干光，并对探测面上的多频外差全息信号进行同步面探测，再采用时域频谱分析方法从混频全息图中分离并提取各时域载波上的空域信息。由于采用多频外差方式，信号在时间频域可分离，因此可以同步探测；同时，该方案是一种声光外差相移全息，相移精度高，抗噪性好，因此全息重建精度高；同时，利用不同角度的多通道全息实现合成孔径超分辨，因此分辨率高。

Description

基于多通道低频外差的合成孔径数字全息方法及装置

技术领域

本发明涉及数字全息技术领域，尤其涉及一种基于多通道低频外差的合成孔径数字全息方法及装置。

背景技术

全息技术利用干涉记录和衍射重建来获得立体目标的振幅和相位信息，实现对目标的三维成像。相比其他三维成像技术，全息技术具有非接触、非扫描的优势。合成孔径数字全息技术利用多个子孔径全息信号探测和联合重建，提高了全息技术的成像分辨率。

现有的合成孔径数字全息技术采用机械调整物光和目标相对空间角度的分时探测方法，或多路物光束分别选通的分时探测方法。在采用机械调整的方法中，激光器出射的相干光束被分为1路物光和1路参考光。利用机械装置控制物光路中反射镜转动或目标转动，改变物光和目标间相对角度，与参考光干涉后分时获得不同的子孔径全息信号；在多路物光束分时选通方法中，激光器出射的相干光束被分为多路物光和1路参考光。各物光设置为不同的空间位置和角度。控制物光路中光阑分时选通，从而控制各物光束依次与参考光干涉，分时获得各子孔径全息信号。

可见，在现有的合成孔径全息技术中，需要分时探测不同的子孔径全息图，不能进行同步探测，限制了探测速度。且当目标变化或外界振动时，各子孔径全息图存在相对变化，降低了重建精度。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于多通道低频外差的合成孔径数字全息方法及装置，具有同步探测、分辨率高、抗噪性好的优点。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于多通道低频外差的合成孔径数字全息方法，包括：

采用包含多个声光移频器的预设光路分别对应的对一路参考光与多路物光进行不同移频量的调制，调制后的各通道物光之间以及各通道物光与参考光之间具有不同频率的低频外差，且该预设光路中还将调制后的各通道物光以不同空间角度照射被测目标，再利用高帧频面阵探测器对预设光路输出的信号进行探测，从而同步获得多通道低频外差全息信号；

分别对多通道低频外差全息信号中每一像素点的探测信号进行时域频谱变换，并提取各个通道外差频率处的振幅值和相位值，从而获得对应各通道的二维子波面；

将各个通道外差频率处子波面拼接得到合成孔径波面，并利用合成孔径波面进行全息重建，从而获得目标信息。

进一步的，所述预设光路包括：

激光器，用于出射偏振相干光；

级联的N个分光模块，每一分光模块包括：一个半波片与一个偏振分光棱镜；用于对激光器出射光进行分光，得到N路同偏振态的相干光；其中N>2；

N个移频模块，对应的与一分光模块相连，每一移频模块包括：一个声光移频器(AOM)与一个光阑；入射的偏振相干光被声光移频器调制，得到-1级光、0级光与+1级光，其中的-1级光与0级光被光阑遮挡，+1级光出射；

N个滤波扩束模块，对应的与一移频模块相连，每一滤波扩束模块包括：光纤耦合器、光纤与光纤准直器；入射的+1级光经由光纤耦合器耦合入光纤并经光纤准直器出射；其中，选择一路滤波扩束模块出射的光作为参考光，另外N-1路作为物光；N-1路物光中，有1路正照射被测目标，其余N-2路从不同空间位置斜照射目标；

合束棱镜，用于将1路参考光以及N-1路以不同空间角度照射被测目标后的物光合束后输出。

进一步的，所述分别对多通道低频外差全息信号中每一像素点的探测信号进行时域频谱变换，并提取各个通道外差频率处的振幅值和相位值，从而获得对应各通道的二维子波面包括：

将多通道低频外差全息信号I作为一个数据矩阵I[r,c,N_total]，其中，r为探测器行像素数，c为探测器列像素数，N_total为探测总帧数；则对于探测器的任一像素点(x,y)，能够获得该像素点的时域信号I[x,y,1:N_total]；

利用快速傅里叶变换FFT分别对每一个像素点上获得的时域信号I[x,y,1:N_total]进行时域频谱变换，获得时域频谱：

S＝FFT(I[x,y,1:N_total])；

再提取各个通道外差频率f_i-f₁(2≤i≤N)处振幅值和相位值，得到二维的子波面信息：

其中，a₁、f₁、分别为参考光的振幅、调制频率、相位、波矢量，为探测面上某点对应参考光的矢径；a_i、f_i、分别为第i路物光的振幅、调制频率、相位、波矢量，为探测面上某点对应物光i的矢径。

进一步的，所述将各个通道外差频率处的子波面拼接得到合成孔径波面，并利用合成孔径波面进行全息重建，从而获得目标信息包括：

基于标定好的各通道物光的相对空间位置，相对移动并拼接各个通道外差频率处的子波面O_i获得合成孔径波面O_总：

O_总(Δx_i,Δy_i)＝O_i,2≤i≤N

其中，Δx_i,Δy_i表示各通道物光对应子波面的空间相对平移量；

基于衍射原理，进行全息重建：

基于衍射原理的点扩散函数为：

$h=\frac{\exp \left(jkz\right)}{j\mathrm{\λ}z}\exp \[jk\left(\frac{x^{\′2}+y^{\′2}}{2z}\right)\];$

其中，λ为激光器出射光的波长，波矢的数值量k＝2π/λ，z为衍射的距离，x'、y'为衍射面上坐标；

全息重建为：

O_建＝O_总*h；

其中，*表示卷积运算；

所获得的O_建即为目标信息。

一种基于多通道低频外差的合成孔径数字全息装置，包括：预设光路、高帧频面阵探测器与数据处理器；其中：

所述预设光路中包含多个声光移频器，用于分别对应的对一路参考光与多路物光进行不同移频量的调制，调制后的各通道物光之间以及各通道物光与参考光之间具有不同频率的低频外差，且该预设光路中还将调制后的各通道物光以不同空间角度照射被测目标；

所述高帧频面阵探测器，用于对预设光路输出的信号进行探测，从而同步获得多通道低频外差全息信号；

所述数据处理器，用于分别对多通道低频外差全息信号中每一像素点的探测信号进行时域频谱变换，并提取各个通道外差频率处的振幅值和相位值，从而获得对应各通道的二维子波面；将各个通道外差频率处的二维子波面拼接得到合成孔径波面，并利用合成孔径波面进行全息重建，从而获得目标信息。

进一步的，所述预设光路包括：

激光器，用于出射偏振相干光；

级联的N个分光模块，每一分光模块包括：一个半波片与一个偏振分光棱镜；用于对激光器出射光进行分光，得到N路同偏振态的相干光；其中N>2；

N个移频模块，对应的与一分光模块相连，每一移频模块包括：一个声光移频器与一个光阑；入射的偏振相干光被声光移频器调制，得到-1级光、0级光与+1级光，其中的-1级光与0级光被光阑遮挡，+1级光出射；

N个滤波扩束模块，对应的与一移频模块相连，每一滤波扩束模块包括：光纤耦合器、光纤与光纤准直器；入射的+1级光经由光纤耦合器耦合入光纤并经光纤准直器出射；其中，选择一路滤波扩束模块出射的光作为参考光，另外N-1路作为物光；N-1路物光中，有1路正照射被测目标，其余N-2路从不同空间位置斜照射目标；

合束棱镜，用于将1路参考光以及N-1路以不同空间角度照射被测目标后的物光合束后输出。

进一步的，所述分别对多通道低频外差全息信号中每一像素点的探测信号进行时域频谱变换，并提取各个通道外差频率处的振幅和相位值，从而获得对应各通道的二维子波面包括：

将多通道低频外差全息信号I作为一个数据矩阵I[r,c,N_total]，其中，r为探测器行像素数，c为探测器列像素数，N_total为探测总帧数；则对于探测器的任一像素点(x,y)，能够获得该像素点的时域信号I[x,y,1:N_total]；

利用快速傅里叶变换FFT分别对每一个像素点上获得的时域信号I[x,y,1:N_total]进行时域频谱变换，获得时域频谱：

S＝FFT(I[x,y,1:N_total])；

再提取各个通道外差频率f_i-f₁(2≤i≤N)处振幅值和相位值，得到二维的子波面信息：

其中，a₁、f₁、分别为参考光的振幅、调制频率、相位、波矢量，为探测面上某点对应参考光的矢径；a_i、f_i、分别为第i路物光的振幅、调制频率、相位、波矢量，为探测面上某点对应物光i的矢径。

进一步的，所述将各个通道外差频率处的子波面拼接得到合成孔径波面，并利用合成孔径波面进行全息重建，从而获得目标信息包括：

基于标定好的各通道物光的相对空间位置，相对移动并拼接各个通道外差频率处的子波面O_i获得合成孔径波面O_总：

O_总(Δx_i,Δy_i)＝O_i,2≤i≤N

其中，Δx_i,Δy_i表示各通道物光对应子波面的空间相对平移量；

基于衍射原理，进行全息重建：

基于衍射原理的点扩散函数为：

$h=\frac{\exp \left(jkz\right)}{j\mathrm{\λ}z}\exp \[jk\left(\frac{x^{\′2}+y^{\′2}}{2z}\right)\];$

其中，λ为激光器出射光的波长，波矢的数值量k＝2π/λ，z为衍射的距离，x'、y'为衍射面上坐标；

全息重建为：

O_建＝O_总*h；

其中，*表示卷积运算；

所获得的O_建即为目标信息。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，采用声光移频方式获得多路具有低频外差的相干光，并对探测面上的多频外差全息信号进行同步面探测，再采用时域频谱分析方法从混频全息图中分离并提取各时域载波上的空域信息。由于采用多频外差方式，信号在时间频域可分离，因此可以同步探测；同时，该方案是一种声光外差相移全息，相移精度高，抗噪性好，因此全息重建精度高；同时，利用不同角度的多通道全息实现合成孔径超分辨，因此分辨率高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例提供的基于多通道低频外差的合成孔径数字全息方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的基于多通道低频外差的合成孔径数字全息装置的示意图；

图3为本发明实施例提供的实验中多通道物光束空间位置分布示意图；

图4为本发明实施例提供的实验中探测器上某一像素点获得的时域采样信号示意图；

图5为本发明实施例提供的实验中某一像素点采样信号的时域频谱示意图。

具体实施方式

下面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一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

图1为本发明实施例提供的基于多通道低频外差的合成孔径数字全息方法的流程图。如图1所示，其主要包括如下步骤：

步骤11、采用包含多个声光移频器的预设光路分别对应的对一路参考光与多路物光(即多通道物光)进行不同移频量的调制，使各通道物光之间以及各通道物光与参考光之间具有不同频率的低频外差，且该预设光路中还将调制后的各通道物光以不同空间角度照射被测目标，再利用高帧频面阵探测器对预设光路输出的信号进行探测，从而同步获得多通道低频外差全息信号。

步骤12、分别对多通道低频外差全息信号中每一像素点的探测信号进行时域频谱变换，并提取各个通道外差频率处的振幅值和相位值，从而获得对应各通道的二维子波面。

步骤13、将各个通道外差频率处子波面拼接得到合成孔径波面，并利用合成孔径波面进行全息重建，从而获得目标信息。

本发明实施例中，所述预设光路包括：

激光器，用于出射偏振相干光；

级联的N个分光模块，每一分光模块包括：一个半波片与一个偏振分光棱镜；用于对激光器出射光进行分光，得到N路同偏振态的相干光；其中N>2；

N个移频模块，对应的与一分光模块相连，每一移频模块包括：一个声光移频器(AOM)与一个光阑；入射的偏振相干光被声光移频器调制，得到-1级光、0级光与+1级光，其中的-1级光与0级光被光阑遮挡，+1级光出射；

N个滤波扩束模块，对应的与一移频模块相连，每一滤波扩束模块包括：光纤耦合器、光纤与光纤准直器；入射的+1级光经由光纤耦合器耦合入光纤并经光纤准直器出射；其中，选择一路滤波扩束模块出射的光作为参考光，另外N-1路作为物光；N-1路物光中，有1路正照射被测目标，其余N-2路从不同空间位置斜照射目标；

合束棱镜，用于将1路参考光以及N-1路以不同空间角度照射被测目标后的物光合束后输出。

本发明实施例中，采用高帧频探测器对合束棱镜输出的多通道低频外差信号进行同步探测。

本发明实施例中，对应参考光路的第1个AOM的+1移频光束的移频量为f₁，与对应角频率ω₁的关系为：

ω₁＝2πf₁；(1)

对应物光光路的第i个AOM的+1移频光束的移频量为f_i，与对应角频率ω_i的关系为：

ω_i＝2πf_i,(2≤i≤N)；(2)

设计令f_i＞f₁(2≤i≤N)，且序号i越大，对应f_i值越大，使各物光与参考光的差频量f_i-f₁(2≤i≤N)互不相等，且为kHz量级以下。为满足采样定理，设置面阵探测器帧频f_D为物光与参考光差频量中最大值f_N-f₁的2倍以上。

对应照射到探测器上参考光波，公式为：

其中，a₁,为参考光波的振幅、相位、波矢量，为探测面上某点对应参考光的矢径。

照射到探测器上物光波为：

a_i,分别为第i路物光波的振幅、相位、波矢量,为探测面上某点对应第i路物光的矢径。

为简明表示，公式(3)和(4)中省略各光束原角频率项ω₀，省略后不影响下列公式结果。

多路光在探测器面阵上干涉产生的总信号为：

公式(5)中上划线表示复数取共轭，其中I_S为参考光与各物光分别干涉产生的正差频信号，为所需提取的多通道低频外差全息信号，记为：

公式(5)中I_其他如公式(7)所示。

I_其他包含5项，其中第一项为参考光对应直流量、第二项为各物光对应直流量、第三项为物光与参考光干涉产生的负差频信号、第四项为各物光间干涉产生的正差频信号、第五项为各物光间干涉产生的负差频信号。

由公式(1),(2),(6)和(7)可知，I_S对应的调制频率为：f_i-f₁,(2≤i≤N)，I_其他各项对应的调制频率分别为：0，0，-(f_i-f₁),(2≤i≤N)，f_m-f_n,(3≤m≤N,2≤n≤N-1,n＜m)，-(f_m-f_n),(3≤m≤N,2≤n≤N-1,n＜m)。因此，对应各通道的子波面信息被调制记录在外差频率为f_i-f₁(2≤i≤N)的干涉信号上，且该信号的外差频率值与其他干涉信号频率值不同，采用频谱分析方法可从公式(5)所示总干涉信号中分离公式(6)所示外差频率上的信号，即可实现从同步探测的多光束干涉多频外差信号中，提取各通道对应的子波面信息。

本发明实施例中对探测到的多通道低频外差全息信号进行如下处理：

1)将多通道低频外差全息信号I作为一个数据矩阵I[r,c,N_total]，该矩阵包括两维空间和一维时间；其中，r为探测器行像素数，c为探测器列像素数，N_total为探测总帧数；则对于探测器的某一像素点(x,y)，可以获得该像素点的时域信号I[x,y,1:N_total]；

2)利用快速傅里叶变换FFT分别对每一个像素点上获得的时域信号I[x,y,1:N_total]进行时域频谱变换，获得时域频谱：

S＝FFT(I[x,y,1:N_total])；(8)

3)提取各通道对应外差频率f_i-f₁(2≤i≤N)处振幅值和相位值，得到二维的子波面信息：

其中，a₁、f₁、分别为参考光的振幅、调制频率、相位、波矢量，为探测面上某点对应参考光的矢径；a_i、f_i、分别为第i路物光的振幅、调制频率、相位、波矢量，为探测面上某点对应物光i的矢径。

4)基于标定好的各通道物光的相对空间位置信息，相对移动并拼接各个通道外差频率处的子波面O_i获得合成孔径波面O_总：

O_总(Δx_i,Δy_i)＝O_i,2≤i≤N；(9)

其中，Δx_i,Δy_i表示各通道物光对应子波面的空间相对平移量；

5)基于衍射原理，进行全息重建：

基于衍射原理，点扩散函数为：

$h=\frac{\exp \left(jkz\right)}{j\mathrm{\λ}z}\exp \[jk\left(\frac{x^{\′2}+y^{\′2}}{2z}\right)\];---\left(10\right)$

其中，λ为激光器出射光的波长，波矢的数值量k＝2π/λ，z为衍射的距离，x'、y'为衍射面上坐标；

全息重建为：

O_建＝O_总*h；(11)

其中，*表示卷积运算；

所获得的O_建即为目标信息。

本发明另一实施例还提供一种基于多通道低频外差的合成孔径数字全息装置，如图2所示，其主要包括：预设光路、高帧频面阵探测器与数据处理器；其中：

所述预设光路中包含多个声光移频器，用于分别对应的对一路参考光与多路物光进行不同移频量的调制，调制后的各通道物光之间以及各通道物光与参考光之间具有不同频率的低频外差，且该预设光路中还将调制后的各通道光束以不同空间角度照射被测目标；

所述高帧频面阵探测器，用于对预设光路输出的信号进行探测，从而同步获得多通道低频外差全息信号；

所述数据处理器，用于分别对多通道低频外差全息信号中每一像素点的探测信号进行时域频谱变换，并提取各个通道外差频率处的振幅值和相位值，从而获得对应各通道的二维子波面；将各个通道外差频率处的二维子波面拼接得到合成孔径波面，并利用合成孔径波面进行全息重建，从而获得目标信息。

本发明实施例中，所述预设光路主要包括：

激光器，用于出射偏振相干光；

级联的N个分光模块，每一分光模块包括：一个半波片与一个偏振分光棱镜；用于对激光器出射光进行分光，得到N路同偏振态的相干光；其中N>2；

N个移频模块，对应的与一分光模块相连，每一移频模块包括：一个声光移频器与一个光阑；入射的偏振相干光被声光移频器调制，得到-1级光、0级光与+1级光，其中的-1级光与0级光被光阑遮挡，+1级光出射；

N个滤波扩束模块，对应的与一移频模块相连，每一滤波扩束模块包括：光纤耦合器、光纤与光纤准直器；入射的+1级光经由光纤耦合器耦合入光纤并经光纤准直器出射；其中，选择一路滤波扩束模块出射的光作为参考光，另外N-1路作为物光；N-1路物光中，有1路正照射被测目标，其余N-2路从不同空间位置斜照射目标；

合束棱镜，用于将1路参考光以及N-1路以不同空间角度照射被测目标后的物光合束后输出。

本发明实施例中，所述分别对多通道低频外差全息信号中每一像素点的探测信号进行时域频谱变换，并提取各个通道外差频率处的振幅和相位值，从而获得对应各通道的二维子波面包括：

将多通道低频外差全息信号I作为一个数据矩阵I[r,c,N_total]，其中，r为探测器行像素数，c为探测器列像素数，N_total为探测总帧数；则对于探测器的任一像素点(x,y)，能够获得该像素点的时域信号I[x,y,1:N_total]；

利用快速傅里叶变换FFT分别对每一个像素点上获得的时域信号I[x,y,1:N_total]进行时域频谱变换，获得时域频谱：

S＝FFT(I[x,y,1:N_total])；

再提取各个通道外差频率f_i-f₁(2≤i≤N)处振幅值和相位值，得到二维的子波面信息：

其中，a₁、f₁、分别为参考光的振幅、调制频率、相位、波矢量，为探测面上某点对应参考光的矢径；a_i、f_i、分别为第i路物光的振幅、调制频率、相位、波矢量，为探测面上某点对应物光i的矢径。

本发明实施例中，所述将各个通道外差频率处的子波面拼接得到合成孔径波面，并利用合成孔径波面进行全息重建，从而获得目标信息包括：

基于标定好的各通道物光的相对空间位置，相对移动并拼接各个通道外差频率处的子波面O_i获得合成孔径波面O_总：

O_总(Δx_i,Δy_i)＝O_i,2≤i≤N

其中，Δx_i,Δy_i表示各通道物光对应子波面的空间相对平移量；

基于衍射原理，进行全息重建：

基于衍射原理的点扩散函数为：

$h=\frac{\exp \left(jkz\right)}{j\mathrm{\λ}z}\exp \[jk\left(\frac{x^{\′2}+y^{\′2}}{2z}\right)\];$

其中，λ为激光器出射光的波长，波矢的数值量k＝2π/λ，z为衍射的距离，x'、y'为衍射面上坐标；

全息重建为：

O_建＝O_总*h；

其中，*表示卷积运算；

所获得的O_建即为目标信息。

需要强调的是，本实施例所提供装置的相关原理已经在前述方法实施例中进行了详细的描述，故不再赘述。

另一方面，还基于本发明上述实施例的方案进行实验。

本次实验中使用的主要装置和参数为：

1)532nm单模连续激光器；

2)采用10个分光模块，获得10束相干光，即N＝10；

3)设置多通道光束位置和角度，包括1路参考光和9路物光。物光中包括1路同轴光和8路离轴光，空间中构成一个3*3阵列，如图3所示。其中，光束2为同轴物光，光束3-10为离轴物光。

4)采用10个移频模块。设计参考光对应移频量为：f₁＝40MHz；9束物光对应移频量分别为：f₂＝f₁+9Hz，f₃＝f₁+10Hz，f₄＝f₁+11Hz，f₅＝f₁+12Hz，f₆＝f₁+13Hz，f₇＝f₁+14Hz，f₈＝f₁+15Hz，f₉＝f₁+16Hz，f₁₀＝f₁+17Hz。

则信号I_S对应的外差频率为：各通道全息信号对应外差频率值为9Hz，10Hz，11Hz，12Hz，13Hz，14Hz，15Hz，16Hz，17Hz。其中最大值为f₁₀-f₁＝17Hz，最小值为f₂-f₁＝9Hz，频率范围为9Hz≤f_i-f₁≤17Hz(2≤i≤10)。

信号I_其他对应的外差频率为：直流量外差频率为0Hz；9束物光与参考光干涉信号的负外差频率范围为-17Hz≤f₁-f_i≤-9Hz(2≤i≤10)，9束物光之间干涉信号正外差频率范围为1Hz≤f_m-f_n≤8Hz(3≤m≤10,2≤n≤9,n＜m)，9束物光之间干涉信号负外差频率范围为-8Hz≤f_n-f_m≤-1Hz(3≤m≤10,2≤n≤9,n＜m)。

I_S与I_其他具有不同的外差频率，因此在总信号I时域频谱中可以在频率范围9Hz≤f_i-f₁≤17Hz(2≤i≤10)内提取多通道全息信号。

5)选择点目标作为被测目标。

6)设置高速相机面阵为1024*1024pixels,探测帧频500Hz。

需要强调的是，上述各个参数的具体数值仅为建立说明，并非构成限制。在实际应用中，用户可根据实际需求确定各个参数的具体数值。

获得探测信号为：

采用以上装置，在1s内获得500帧多通道低频外差全息图。多通道子全息图在同一探测器平面上混叠，同步获得9个子孔径全息图。

利用500帧全息图可以建立一个1024*1024*500的三维数据矩阵。对应探测器上某一像素点，可以获得500个时间采样信号，是包含多频外差的混频信号。某一像素点的时域采样信号如图4所示。

利用FFT处理该信号获得时域频谱。如图5所示。在时域频谱中，物光与参考光间干涉信号的正频率点与直流量频率点、物光与物光间干涉信号的频率点、物光与参考光间干涉的负频率点等清晰分离。

在对应各通道外差角频率f_i-f₁(2≤i≤10)的频率点处分别提取振幅和相位信息，从而得到各子孔径下的子波面信息。对每个像素点信号分别进行上述操作，即可获得各通道对应的二维的子波面信息。将不同通道的子波面拼接得到合成孔径波面。利用合成孔径波面，进行衍射重建。经以上步骤，得到点目标重建信息。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种基于多通道低频外差的合成孔径数字全息方法，其特征在于，包括：

采用包含多个声光移频器的预设光路分别对应的对一路参考光与多路物光进行不同移频量的调制，调制后的各通道物光之间以及各通道物光与参考光之间具有不同频率的低频外差，且该预设光路中还将调制后的各通道物光以不同空间角度照射被测目标，再利用高帧频面阵探测器对预设光路输出的信号进行探测，从而同步获得多通道低频外差全息信号；

分别对多通道低频外差全息信号中每一像素点的探测信号进行时域频谱变换，并提取各个通道外差频率处的振幅值和相位值，从而获得对应各通道的二维子波面；

将各个通道外差频率处子波面拼接得到合成孔径波面，并利用合成孔径波面进行全息重建，从而获得目标信息。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预设光路包括：

激光器，用于出射偏振相干光；

级联的N个分光模块，每一分光模块包括：一个半波片与一个偏振分光棱镜；用于对激光器出射光进行分光，得到N路同偏振态的相干光；其中N>2；

N个移频模块，对应的与一分光模块相连，每一移频模块包括：一个声光移频器(AOM)与一个光阑；入射的偏振相干光被声光移频器调制，得到-1级光、0级光与+1级光，其中的-1级光与0级光被光阑遮挡，+1级光出射；

N个滤波扩束模块，对应的与一移频模块相连，每一滤波扩束模块包括：光纤耦合器、光纤与光纤准直器；入射的+1级光经由光纤耦合器耦合入光纤并经光纤准直器出射；其中，选择一路滤波扩束模块出射的光作为参考光，另外N-1路作为物光；N-1路物光中，有1路正照射被测目标，其余N-2路从不同空间位置斜照射目标；

合束棱镜，用于将1路参考光以及N-1路以不同空间角度照射被测目标后的物光合束后输出。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述分别对多通道低频外差全息信号中每一像素点的探测信号进行时域频谱变换，并提取各个通道外差频率处的振幅值和相位值，从而获得对应各通道的二维子波面包括：

将多通道低频外差全息信号I作为一个数据矩阵I[r,c,N_total]，其中，r为探测器行像素数，c为探测器列像素数，N_total为探测总帧数；则对于探测器的任一像素点(x,y)，能够获得该像素点的时域信号I[x,y,1:N_total]；

利用快速傅里叶变换FFT分别对每一个像素点上获得的时域信号I[x,y,1:N_total]进行时域频谱变换，获得时域频谱：

S＝FFT(I[x,y,1:N_total])；

再提取各个通道外差频率f_i-f₁(2≤i≤N)处振幅值和相位值，得到二维的子波面信息：

其中，a₁、f₁、分别为参考光的振幅、调制频率、相位、波矢量，为探测面上某点对应参考光的矢径；a_i、f_i、分别为第i路物光的振幅、调制频率、相位、波矢量，为探测面上某点对应物光i的矢径。

4.根据权利要求1或3所述的方法，其特征在于，所述将各个通道外差频率处的子波面拼接得到合成孔径波面，并利用合成孔径波面进行全息重建，从而获得目标信息包括：

基于标定好的各通道物光的相对空间位置，相对移动并拼接各个通道外差频率处的子波面O_i获得合成孔径波面O_总：

O_总(Δx_i,Δy_i)＝O_i,2≤i≤N

其中，Δx_i,Δy_i表示各通道物光对应子波面的空间相对平移量；

基于衍射原理，进行全息重建：

基于衍射原理的点扩散函数为：

$h=\frac{\exp \left(jkz\right)}{j\mathrm{\λ}z}\exp \[jk\left(\frac{x^{\′2}+y^{\′2}}{2z}\right)\];$

其中，λ为激光器出射光的波长，波矢的数值量k＝2π/λ，z为衍射的距离，x'、y'为衍射面上坐标；

全息重建为：

O_建＝O_总*h；

其中，*表示卷积运算；

所获得的O_建即为目标信息。

5.一种基于多通道低频外差的合成孔径数字全息装置，其特征在于，包括：预设光路、高帧频面阵探测器与数据处理器；其中：

所述预设光路中包含多个声光移频器，用于分别对应的对一路参考光与多路物光进行不同移频量的调制，调制后的各通道物光之间以及各通道物光与参考光之间具有不同频率的低频外差，且该预设光路中还将调制后的各通道物光以不同空间角度照射被测目标；

所述高帧频面阵探测器，用于对预设光路输出的信号进行探测，从而同步获得多通道低频外差全息信号；

所述数据处理器，用于分别对多通道低频外差全息信号中每一像素点的探测信号进行时域频谱变换，并提取各个通道外差频率处的振幅值和相位值，从而获得对应各通道的二维子波面；将各个通道外差频率处的二维子波面拼接得到合成孔径波面，并利用合成孔径波面进行全息重建，从而获得目标信息。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述预设光路包括：

激光器，用于出射偏振相干光；

级联的N个分光模块，每一分光模块包括：一个半波片与一个偏振分光棱镜；用于对激光器出射光进行分光，得到N路同偏振态的相干光；其中N>2；

N个移频模块，对应的与一分光模块相连，每一移频模块包括：一个声光移频器与一个光阑；入射的偏振相干光被声光移频器调制，得到-1级光、0级光与+1级光，其中的-1级光与0级光被光阑遮挡，+1级光出射；

N个滤波扩束模块，对应的与一移频模块相连，每一滤波扩束模块包括：光纤耦合器、光纤与光纤准直器；入射的+1级光经由光纤耦合器耦合入光纤并经光纤准直器出射；其中，选择一路滤波扩束模块出射的光作为参考光，另外N-1路作为物光；N-1路物光中，有1路正照射被测目标，其余N-2路从不同空间位置斜照射目标；

合束棱镜，用于将1路参考光以及N-1路以不同空间角度照射被测目标后的物光合束后输出。

7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述分别对多通道低频外差全息信号中每一像素点的探测信号进行时域频谱变换，并提取各个通道外差频率处的振幅和相位值，从而获得对应各通道的二维子波面包括：

将多通道低频外差全息信号I作为一个数据矩阵I[r,c,N_total]，其中，r为探测器行像素数，c为探测器列像素数，N_total为探测总帧数；则对于探测器的任一像素点(x,y)，能够获得该像素点的时域信号I[x,y,1:N_total]；

利用快速傅里叶变换FFT分别对每一个像素点上获得的时域信号I[x,y,1:N_total]进行时域频谱变换，获得时域频谱：

S＝FFT(I[x,y,1:N_total])；

再提取各个通道外差频率f_i-f₁(2≤i≤N)处振幅值和相位值，得到二维的子波面信息：

其中，a₁、f₁、分别为参考光的振幅、调制频率、相位、波矢量，为探测面上某点对应参考光的矢径；a_i、f_i、分别为第i路物光的振幅、调制频率、相位、波矢量，为探测面上某点对应物光i的矢径。

8.根据权利要求5或7所述的装置，其特征在于，所述将各个通道外差频率处的子波面拼接得到合成孔径波面，并利用合成孔径波面进行全息重建，从而获得目标信息包括：

基于标定好的各通道物光的相对空间位置，相对移动并拼接各个通道外差频率处的子波面O_i获得合成孔径波面O_总：

O_总(Δx_i,Δy_i)＝O_i,2≤i≤N

其中，Δx_i,Δy_i表示各通道物光对应子波面的空间相对平移量；

基于衍射原理，进行全息重建：

基于衍射原理的点扩散函数为：

$h=\frac{\exp \left(jkz\right)}{j\mathrm{\λ}z}\exp \[jk\left(\frac{x^{\′2}+y^{\′2}}{2z}\right)\];$

其中，λ为激光器出射光的波长，波矢的数值量k＝2π/λ，z为衍射的距离，x'、y'为衍射面上坐标；

全息重建为：

O_建＝O_总*h；

其中，*表示卷积运算；

所获得的O_建即为目标信息。