CN106092338A - 一种用时间相位补偿空间相位畸变的外差探测方法 - Google Patents
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Abstract
该发明公开了一种用时间相位补偿空间相位畸变的外差探测方法，属于激光外差探测领域。该方法采用阵列探测单元进行外差探测，每一个探测单元包括：探测器、模数转换器；通过探测器获得信号，再对该信号进行模数转换获得各探测单元的外差电流采样序列，根据各探测单元对应的空间相位畸变，将各探测单元的外差电流采样序列进行位移，将位移后的外差电流采样序列求和获得探测结果序列。该方法通过采用阵列探测单元对外差信号进行探测，在探测结果序列计算过程中对各探测探测单元的时间相位进行位移，从而补偿外差信号的空间相位畸变，从而具有成本低、运算量小的优点。
Description
技术领域
本发明属于激光外差探测领域。针对光束空间相位畸变对外差探测的严重影响。利用阵列探测器代替单点探测器进行外差探测，对阵列探测器各单元的采样序列采取移位后求和的探测方式，实现光束空间相位畸变补偿，从而提高外差探测的信号信噪比。本发明本质上是一种新颖的时间相位补偿空间相位畸变的方法
背景技术
激光外差探测具备众多优点，但在实际应用中，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光束的空间相位畸变。而这种畸变将降低外差探测系统的信噪比。为了减小相位畸变对外差探测的影响，在实际应用中，一些苛刻的要求必须被满足，如良好的光学器件像差矫正，精确的光学调整，精度极高的光束准直。但实际上，这些条件是难以充分满足的，也即是说这种畸变是难以避免的，因此补偿或者矫正空间相位畸变的就成为一种重要的技术。
目前可用于外差探测中畸变相位的补偿矫正方法有两种，一是用自适应光学技术。该技术利用剪切干涉仪或哈特曼传感器首先探测信号光的畸变波面，然后用一个由声光器件、电光器件和变形镜组成的复杂系统实现畸变相位补偿。这种技术需要一个运算量很大的计算机系统以及变形镜的伺服驱动系统，无论从成本和工程应用的角度考虑，都难以实现。因此，这种相位矫正技术一般只用于少数的天文台。另一种用来矫正相位畸变的方法是基于相位共轭镜。相位共轭镜可以产生相位畸变光波的共轭波。利用自泵浦和互泵浦共轭现象，可以获得和畸变波前一样分布的共轭波前，从而实现畸变波前的匹配探测。但自泵浦和互泵浦现象只有当入射到非线性晶体上的光束入射角和位置满足一定条件时才会产生，这使得晶体和光束的相对位置必须严格调整，而这给工程应用增加了难度。即使他们之间的位置调整良好，共轭反射率依然很低，产生的匹配相位畸变光波的能量损失严重。因此，目前这种方法在实际工程中的应用并未见到。
发明内容
本发明针对背景技术的不足之处，改进设计了一种成本低且性能优良的，用时间相位补偿空间相位畸变的外差探测方法。
空间相位畸变对外差探测的影响可以从外差效率的表达式描述。外差效率是衡量外差系统信噪比的重要指标。当外差效率为最大值1时，信噪比可以达到理论上的最大值，当外差效率下降时，信噪比随之降低。外差效率可以表示为
其中，是信号光ES和本振光EL之间的空间相位差，ES表示信号光振幅，EL表示本振光振幅，A表示探测器光敏面的积分面积。从上式可以看出，当为常数时，ξ有最大值；因此，当不是常数，或者与空间位置有关时，可以定义其为空间相位畸变，也正是要补偿的目标。
替代通常的单点探测器进行外差探测，本发明探测器结构及其后续处理模块如图1所示，各个探测单元对应各自位置的空间相位畸变。由于外差信号具有余弦函数的形式，即每个单元探测器输出的信号随时间的变化具有的形式，其中f为外差信号的频率。当模数转换器(ADC)的采样频率是外差频率的c倍，且采样时间间隔为Δt时，有Δt＝1/fc。设k为采样序号。则在阵列探测器中第m行、第n列的单元输出的外差电流的第k次采样序列可以表示为i(m,n,k)。则采样后的序列中，相邻两个数据i(m,n,k)和i(m,n,k+1)可以表示为
其中是该单元对应的空间相位畸变，则这两个数据间应存在相位差Δφ＝2πf△t。因此，为了补偿各单元对应的空间相位畸变,或者说将矫正为常数，只需将各单元的数据序列移位不同的步数，然后所有序列求和输出。当各个单元的序列移动步数正好时，可以将个单元的矫正为近似相等，从而实现补偿其对应的空间相位畸变，此时求和输出的信噪比可以得到提高。这种思想可以用图2来描述。例如，设第m行、第n列的单元位置的空间相位畸变为则该单元的序列移动步数应该为lm,n＝[α/△φ]int，其中符号[.]int表示取整的含义，其他单元做类似移位处理。由于当各个移位步数合适时，外差信号的信噪比可以得到很大的提高，因此，各个序列的移动步数可以以信噪比为评价函数，通过搜索算法搜索确定，如遗传算法。
因而本发明一种用时间相位补偿空间相位畸变的外差探测方法，该方法采用阵列探测单元进行外差探测，每一个探测单元包括：探测器、模数转换器；通过探测器获得信号，再对该信号进行模数转换获得各探测单元的外差电流采样序列，根据各探测单元对应的空间相位畸变，将各探测单元的外差电流采样序列进行位移，将位移后的外差电流采样序列求和获得探测结果序列。
进一步的，所述各探测单元的外差电流采样序列位移步数的计算方法为：以探测结果序列的信噪比为评价函数，通过搜索算法，搜索确定各探测单元外差电流采样序列位的移步数。
本发明一种用时间相位补偿空间相位畸变的外差探测方法，该方法通过采用阵列探测单元对外差信号进行探测，在探测结果序列计算过程中对各探测探测单元的时间相位进行位移，从而补偿外差信号的空间相位畸变，从而具有成本低、运算量小的优点。
附图说明
图1为本发明的硬件构成，由阵列探测、模数转换器(ADC)和MCU处理模块构成。
图2为本发明的基本原理示意图，即如何实现用时间相位补偿空间相位畸变。
图3以3×3阵列为例，给出了采样序列的移位求和示意图。
图4为本发明中相关的外差效率的数值计算结果。
具体实施方式
在探测中，本发明的具体实施方式分硬件和软件两部分阐述如下：
1.硬件部分
阵列探测器各单元都有各自的模数转换器对其输出信号进行采集。采集后数据序列送入MCU进行存储等待后续处理。
2.软件部分
当采集数据足够后，送入MCU进行处理。给各单元的数据序列赋予初始随机移位步数，以遗传算法为基础，以信噪比为评价函数，通过足够多的迭代，搜索确定最佳移位步数。
以3×3探测器阵列为例。若模数转换器的采样频率为外差信号频率的7倍，即c＝7，且各单元对应的空间相位畸变为 若要补偿各自位置的空间相位畸变，根据相邻采样间相位差为Δφ＝2πfΔt＝2π/c，当移位步数满足l1,1＝3，…，l2,1＝-2，…,l3,2＝0,…,l3,3＝2， 时，各个单元所对应的空间相位畸变就可以被补偿。因此，总的求和输出电流itotal(k)应该按下式计算；
itotal(k)＝i(1,1,k+3)+...+i(2,1,k-2)+...+i(3,2,k)+...+i(3,3,k+2)。该求和过程如附图3所示。
图4显示了没有相位补偿时的ξ1和补偿空间相位畸变后的外差效率ξ2，其中N＝3表示阵列为3×3，N＝5和N＝11表示阵列为5×5和11×11。计算中用多阶Zernike多项式的叠加仿真空间相位畸变，M表示Zernike多项式叠加的项数。M取值越高，表明空间相位的畸变程度越大。补偿了空间相位畸变后，外差效率可以得到显著的提高，如当M＝98时，ξ1＝0.08，这表示此时没有补偿相位的信噪比只有理论最大信噪比的8％，而此时有ξ2＝0.42、ξ2＝0.46和ξ2＝0.66。由此可见，对空间相位畸变进行补偿后，可以大幅的提高外差信号的信噪比。
Claims (2)
1.一种用时间相位补偿空间相位畸变的外差探测方法，该方法采用阵列探测单元进行外差探测，每一个探测单元包括：探测器、模数转换器；通过探测器获得信号，再对该信号进行模数转换获得各探测单元的外差电流采样序列，根据各探测单元对应的空间相位畸变，将各探测单元的外差电流采样序列进行位移，将位移后的外差电流采样序列求和获得探测结果序列。
2.如权利要求1所述的一种用时间相位补偿空间相位畸变的外差探测方法，其特征在于所述各探测单元的外差电流采样序列位移步数的计算方法为：以探测结果序列的信噪比为评价函数，通过搜索算法，搜索确定各探测单元外差电流采样序列位的移步数。
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