CN107219622A - 基于干涉探测技术的光学搜索跟踪望远镜 - Google Patents

基于干涉探测技术的光学搜索跟踪望远镜 Download PDF

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Abstract

基于干涉探测技术的光学搜索跟踪望远镜，涉及望远镜领域，解决了现有光学搜索跟踪望远镜存在的探测时段、探测能力和测量精度受到严重制约的问题。本发明包括滤光片对光束进行滤波，将目标光频谱范围外的天光背景光滤除；偏振器件将滤波后的光束变成线偏振光；波面上的两个相同光场相位调制器，一个加高压电，另一个不加高压电，通过两个光场相位调制器将线偏振光分成两路并对其相位进行周期性调制；光学镜头将两路光束会聚在焦平面上；设置在焦平面上的探测器，目标光在探测器靶面形成带条纹分布的光斑；信号处理系统，接收目标电信号并对其进行处理，实现对目标的探测。本发明可以在白天对高星等暗弱目标进行探测，探测能力强，探测精度高。

Description

基于干涉探测技术的光学搜索跟踪望远镜
技术领域
本发明涉及望远镜技术领域，具体涉及一种基于干涉探测技术的光学搜索跟踪望远镜。
背景技术
对于天文观测来说，选择一个视宁度好、背景杂光低的站址是非常重要的，然而这样的站址非常稀缺，并且随着城市化的发展，原来好的站址可能由于不断增加的周边灯光污染和雾霾等环境污染而变坏。另外，随着科技进步和航空航天事业的不断发展，大气层附近各种飞行器数目飞速增加。因此，需要寻找一种有效的方法抑制天光背景噪声对大口径成像望远镜探测能力的影响。因为大口径成像望远镜的视场均很小，都需要一个光学搜索跟踪望远镜将感兴趣的目标引导入大口径成像望远镜的视场，所以提高光学搜索跟踪望远镜的探测能力是提高最终大口径成像望远镜探测能力所必需的一个重要前提。
现有光学搜索跟踪望远镜受太阳和天光背景的影响，其探测时段、探测能力和测量精度受到严重制约。而现有抑制天光背景噪声的方法(主要包括：视场控制法、光谱滤波法、偏振滤波法等)均有其局限性，主要体现在以下几点：对于视场控制法，其缺点是视场较小，且在强天光背景下抑制能力不佳；对于光谱滤波法，其缺点是当目标与天光背景的光谱相近时难以区分目标光和天光背景的光谱能量峰值；对于偏振滤波法，一般需要提前预估目标光和天光背景的偏振态的差异，而由于偏振态的差异随着目标轨道运动和姿态以及太阳高度角等的变化而改变，故具体实现较为复杂且对应用时段和场景也有一定要求。
发明内容
为了解决现有光学搜索跟踪望远镜存在的探测时段、探测能力和测量精度受到严重制约的问题，本发明提供一种基于干涉探测技术的光学搜索跟踪望远镜。
本发明为解决技术问题所采用的技术方案如下：
本发明的基于干涉探测技术的光学搜索跟踪望远镜，包括：
滤光片，对目标光和天光背景光进行滤波，将目标光频谱范围之外的天光背景光滤除；
偏振器件，将经滤光片滤波后的目标光和天光背景光变换成线偏振光；
设置在波面上的两个相同的光场相位调制器，一个光场相位调制器施加高压电，另一个光场相位调制器不施加高压电，通过两个光场相位调制器将线偏振光分成两路并对线偏振光的相位进行周期性调制；
光学镜头，将经周期性相位调制的两路光束会聚在焦平面上，形成干涉场；
设置在焦平面上的探测器，目标光在探测器靶面形成具有条纹分布的光斑，经探测器作用后目标光转换成目标电信号输出；
信号处理系统，接收目标电信号并对其进行处理，实现对目标的探测；
所述滤光片、偏振器件、两个光场相位调制器、光学镜头、探测器沿光轴依次排布，两个光场相位调制器相对平行设置。
进一步的，所述信号处理系统包括：
设置在探测器后方的多个带通滤波器，所述探测器中的所有像素与多个带通滤波器一一对应，通过带通滤波器将目标电信号调制频率之外的天光背景光滤除并转换成目标时域变化信号；
与多个带通滤波器一一对应相连的多个同步解调器，将目标时域变化信号解调为目标频域直流信号；
与多个同步解调器一一对应相连的多个低通滤波器，用于筛选目标频域直流信号；
与多个低通滤波器电连接的计算机，读取经低通滤波器筛选后的目标频域直流信号并对其进行处理，利用计算机重构探测器所探测到的目标光斑分布。
进一步的，所述偏振器件选用偏振棱镜或者偏振片。
进一步的，两个光场相位调制器均选择泡克尔盒。
进一步的，两个光场相位调制器均选择声光调制器。
进一步的，所述探测器选用CCD、CMOS、EMCCD、光电二极管阵列PDA或者雪崩光电二极管阵列APDA。
本发明的有益效果是：
本发明基于光学干涉和光场相位调制的干涉探测技术，利用小角直径目标具有更好的空间相干性和弱信号提取技术(目标干涉条纹的调制和解调)、可形成白光干涉条纹(基于部分相干光理论中的Van Cittert-Zernike定理)以及周期性信号提高信噪比等特点，不需要压缩视场，不需要区分目标和天光背景的光谱能量峰值，也不需要预估目标和天光背景的偏振态的差异，就可以实现对强天光背景噪声的有效抑制，进而提高对暗弱目标的探测能力，最终实现光学搜索跟踪望远镜在白天对高星等暗弱目标进行探测的目的，探测能力强，探测精度高。
本发明通过对入射光波面分波前(即从不同位置引出两束光)并利用光场相位调制器的电光效应或者声光效应等光学效应，使两束光的相位差产生周期性调制，从而引起探测器靶面的光信号强度的周期性变化，实现目标光在探测器靶面形成运动的干涉条纹，通过信号处理系统利用微弱信号检测技术对探测器接收到的周期性调制信号进行检测，最终实现从强天光背景中探测暗弱目标的目的。
附图说明
图1为本发明中的光机结构结构示意图。
图2为本发明中的信号处理系统的结构示意图。
图3为目标光和天光背景光在探测器靶面的会聚光斑以及会聚光斑的光强横向分布示意图。图3A为目标光形成的具有条纹分布的光斑，图3B为目标光斑的光强横向分布，图3C为天空背景光形成的充满靶面的近似均匀的光斑，图3D为天空背景光斑的光强横向分布。
图4为天光背景光在白天和夜间的频谱分布以及经相位调制后的目标信号的频谱分布。
图中：1-1、目标光，1-2、天光背景光，2、光轴，3、滤光片，4、偏振器件，5、第一光场相位调制器，6、第二光场相位调制器，7、光学镜头，8、探测器，9、光学搜索跟踪望远镜，10、带通滤波器，11、同步解调器，12、低通滤波器，13、计算机，14、直流噪声，15、目标信号，16、白天散粒噪声，17、夜间天空背景噪声。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1和图2所示，本发明的基于干涉探测技术的光学搜索跟踪望远镜，主要包括两部分，一部分为光机结构，另一部分为信号处理系统。光机结构主要包括：滤光片3、偏振器件4、第一光场相位调制器5、第二光场相位调制器6、光学镜头7、探测器8；信号处理系统主要包括：多个带通滤波器10、多个同步解调器11、多个低通滤波器12、计算机13。
如图1所示，由滤光片3、偏振器件4、第一光场相位调制器5、第二光场相位调制器6、光学镜头7、探测器8组成本发明的光机结构。滤光片3、偏振器件4、第一光场相位调制器5、第二光场相位调制器6、光学镜头7、探测器8沿着光轴2依次排布，其中，第一光场相位调制器5与第二光场相位调制器6相对平行设置。目标光1-1和天光背景光1-2同时入射到滤光片3，经过滤光片3的滤波作用，可以将目标光1-1频谱范围之外的天光背景光1-2滤除，提高信噪比；由于同一偏振方向的光波才对形成干涉条纹有用，所以通过偏振器件4将经过滤光片3滤波作用后的目标光1-1和天光背景光1-2变成线偏振光；利用分波前法将接收线偏振光的波面(等相位面)分成两路，即将两个相同的光场相位调制器放置在波面，第一光场相位调制器5加高压电，而第二光场相位调制器6不加高压电，利用第一光场相位调制器5和第二光场相位调制器6将线偏振光分成两路，同时通过第一光场相位调制器5和第二光场相位调制器6对线偏振光的相位进行周期性调制，使产生的目标干涉条纹产生周期性扫描运动，目标光1-1的调制频率设为fM，当两个光场相位调制器均不工作时，目标光1-1则在光学镜头7的焦平面上形成稳定的干涉条纹；然后通过光学镜头7将经过周期性相位调制的两路光束会聚在焦平面上，形成干涉场；在焦平面上放置探测器8，目标光1-1在探测器8靶面可形成较小的具有条纹分布的光斑，探测器8可探测到目标光1-1随时间的周期性起伏，天光背景光1-2则在探测器8靶面形成近似均匀的光斑。
根据部分相干光原理，小角直径目标的远场空间相干性优于大角直径目标。由于自然星和人造卫星等目标的角直径较小，远小于天光背景光1-2的等效角直径，故目标光1-1经分波前后，再经过光场相位调制，可在远场形成周期性运动干涉条纹，即在探测器8靶面形成的光斑具有条纹起伏分布特性，而天光背景光1-2则无法形成干涉条纹，只能在探测器8靶面形成近似均匀的光斑。如图3所示，图3A为目标光1-1形成的具有条纹分布的光斑，图3B为目标光斑的光强横向分布，图3C为天空背景光1-2形成的充满靶面的近似均匀的光斑，图3D为天空背景光斑的光强横向分布。
如图2所示，由多个带通滤波器10、多个同步解调器11、多个低通滤波器12、计算机13组成本发明的信号处理系统。带通滤波器10的数量与同步解调器11的数量以及低通滤波器12的数量相同，多个带通滤波器10、多个同步解调器11、多个低通滤波器12一一对应设置，带通滤波器10与同步解调器11电连接，同步解调器11与低通滤波器12电连接，低通滤波器12与计算机13电连接。在探测器8后方设置多个带通滤波器10，其中探测器8中的每个像素均对应一个带通滤波器10。目标光1-1经过探测器8作用后转换成目标电信号输出，通过带通滤波器10将目标电信号调制频率fM之外的天光背景光1-2滤除，只容许频谱很窄的目标电信号通过，大大提高信噪比，目标电信号经过带通滤波器10的滤波作用后转换成目标时域变化信号；同步解调器11将调制频率为fM的目标时域变化信号解调为目标频域直流信号，经过低通滤波器12将目标频域直流信号筛选出来，再次提高信噪比；计算机13读取经过低通滤波器12筛选后的目标频域直流信号并对其进行处理，利用计算机13重构探测器8所探测到的目标光斑分布。
利用计算机13重构探测器8所探测到的目标光斑分布的具体过程为：对探测器8中每个像素对应输出的信号均进行解调，当发现探测器8靶面上某个区域的若干像素所对应的的解调信号幅值明显大于其它区域时，则说明在望远镜视场中发现了目标，实现了探测目标的目的；然后在发现目标的区域中选择解调信号幅值最大的像素，则该像素在探测器8中所处的位置代表目标与光学搜索跟踪望远镜9视轴的偏离量；当发现在望远镜视场中有多个目标时，则说明在探测器8靶面上的多个区域内都具有较强的解调信号幅值，从而实现对多目标的同时探测。
天光背景光1-2的频域分布特点是具有很强的零频分量和近似均匀的全频谱分布，一般来说，天光背景光1-2在白天全频谱分布幅值远大于夜间。当目标光1-1的能量被集中调制到某个频率(带宽很窄，一般远小于1Hz)时，该频率处的解调信号幅值是天光背景光1-2的几倍以上。具体分析如图4所示，白天，天空背景光1-2具有很强的直流噪声14，白天散粒噪声16则在全频谱范围内基本均匀分布，在某个固定频率处(带宽很窄，一般远小于1Hz)的解调信号幅值并不高；夜间，天空背景噪声17也是在全频谱范围内基本均匀分布，比白天弱很多，目标信号15被调制后避开很强的直流噪声14，在调制频率fM处强于天空背景噪声17，故可实现从强天光背景噪声中提取弱目标信号的目的。本发明的光学搜索跟踪望远镜9具有更高探测灵敏度以及可探测更高星等目标的特点。
本发明中，为了提取目标信号，需要采用一些微弱信号的检测器件和技术，除了上述采用的信号处理系统，还可以选择同步相干(相关)检测技术中的锁定放大器或锁相放大器以实现微弱电信号的提取，也可以采用取样积分技术中的取样积分器或门积分器或多点信号平均器以实现微弱电信号的提取，从而更好的抑制噪声提高目标的探测概率。
本发明中，滤光片3可选择窄带干涉滤光片，带宽约10nm，可有效地滤除其它波段天空背景光1-2对目标光1-1的干扰；其透过波段可根据应用场合、探测器光谱响应曲线等因素综合分析后进行选择。
本发明中，偏振器件4可选择偏振棱镜或者偏振片。
本发明中，第一光场相位调制器5和第二光场相位调制器6均选择泡克尔盒，泡克尔盒可根据具体应用要求选择不同尺寸的电光晶体，常见的电光晶体有KDP、KD*P、KTP和RTP等。或者，第一光场相位调制器5和第二光场相位调制器6均选择声光调制器，声光调制器可根据具体应用要求选择不同尺寸的声光晶体，常见的声光晶体包括钼酸铅、钼酸二铅、二氧化碲、锗钒酸铅等。
本发明中，光学镜头7主要保证两束目标光1-1能在探测器8靶面会聚成较小的具有干涉条纹分布的光斑，具体结构形式和材料依应用场合、工作波段和像差控制要求等而定。
本发明中，探测器8可选用CCD或CMOS等平面阵列探测器，也可采用弱光增强型EMCCD，亦可采用光电二极管阵列PDA或者雪崩光电二极管阵列APDA。
本发明中，探测器8的独立探测像元尺寸约等于或略小于干涉条纹的亮条纹半宽度，从而实现较好的探测效果。
本发明中，带通滤波器10应根据目标频谱分布特点，尽量保证目标电信号的无损通过以及对其它频谱段的天光背景噪声的抑制。
本发明中，同步解调器11利用与目标电信号调制频率fM相同的参考信号，通过同步相关检测获得探测器8输出的目标电信号。
本发明中，低通滤波器12的带宽尽量窄，保证解调后的目标频域直流信号顺利通过，抑制其它频谱段的天光背景噪声。
具体实施方式一
本实施方式中，偏振器件4选用偏振棱镜，第一光场相位调制器5和第二光场相位调制器6均选用相同尺寸和材料的泡克尔盒，具体均选用相同尺寸和材料的电光晶体KDP，光学镜头7选用双胶合消色差透镜，探测器8选用CCD。
目标光1-1和天光背景光1-2同时入射到滤光片3，经过滤光片3的滤波作用，可以将目标光1-1频谱范围之外的天光背景光1-2滤除，提高信噪比；由于同一偏振方向的光波才对形成干涉条纹有用，所以通过偏振棱镜将经过滤光片3滤波作用后的目标光1-1和天光背景光1-2变成线偏振光；利用分波前法将接收线偏振光的波面(等相位面)分成两路，即将两个相同的电光晶体KDP放置在波面，其中一个电光晶体KDP加高压电，而另一个电光晶体KDP不加高压电，利用两个电光晶体KDP将线偏振光分成两路，同时通过这两个电光晶体KDP对线偏振光的相位进行周期性调制，使产生的目标干涉条纹产生周期性扫描运动，目标光1-1的调制频率设为fM，当两个电光晶体KDP均不工作时，目标光1-1则在光学镜头7的焦平面上形成稳定的干涉条纹；然后通过光学镜头7将经过周期性相位调制的两路光束会聚在焦平面上，形成干涉场；在焦平面上放置CCD，目标光1-1在CCD靶面可形成较小的具有条纹分布的光斑，CCD可探测到目标光1-1随时间的周期性起伏，天光背景光1-2则在CCD靶面形成近似均匀的光斑。
电光晶体KDP属于双折射光学材料，当光波沿着电光晶体KDP传播时，电光晶体KDP本身会改变光波的相位，相位变化量一般与传播距离成正比；同时当给电光晶体KDP加高压电时，根据电光效应，电光晶体KDP的折射率会发生变化，从而导致通过电光晶体KDP的光波的相位发生相应变化，这种变化可通过合理的设计使光波相位变化与所加高压电变化成线性关系。当其中一个电光晶体KDP加调制频率为fM的交流电而另一个电光晶体KDP不加高压电时，这时目标光1-1经过两个电光晶体KDP后的光波在远场可形成运动的干涉条纹，而天空背景光1-2却只能形成近似均匀的光强分布。
具体实施方式二
本实施方式中，偏振器件4选用偏振片，第一光场相位调制器5和第二光场相位调制器6均选用相同尺寸和材料的声光调制器，具体均选用相同尺寸和材料的声光晶体钼酸铅，光学镜头7选用平凸透镜，探测器8选用光电二极管阵列PDA。
目标光1-1和天光背景光1-2同时入射到滤光片3，经过滤光片3的滤波作用，可以将目标光1-1频谱范围之外的天光背景光1-2滤除，提高信噪比；由于同一偏振方向的光波才对形成干涉条纹有用，所以通过偏振片将经过滤光片3滤波作用后的目标光1-1和天光背景光1-2变成线偏振光；利用分波前法将接收线偏振光的波面(等相位面)分成两路，即将两个相同的声光晶体钼酸铅放置在波面，其中一个声光晶体钼酸铅加高压电，而另一个声光晶体钼酸铅不加高压电，利用两个声光晶体钼酸铅将线偏振光分成两路，同时通过这两个声光晶体钼酸铅对线偏振光的相位进行周期性调制，使产生的目标干涉条纹产生周期性扫描运动，目标光1-1的调制频率设为fM，当两个声光晶体钼酸铅均不工作时，目标光1-1则在光学镜头7的焦平面上形成稳定的干涉条纹；然后通过光学镜头7将经过周期性相位调制的两路光束会聚在焦平面上，形成干涉场；在焦平面上放置光电二极管阵列PDA，目标光1-1在光电二极管阵列PDA靶面可形成较小的具有条纹分布的光斑，光电二极管阵列PDA可探测到目标光1-1随时间的周期性起伏，天光背景光1-2则在光电二极管阵列PDA靶面形成近似均匀的光斑。
当给声光调制器的电极施加驱动电信号时，通过其中的压电换能器将电信号变成超声波，从而在声光晶体钼酸铅内形成超声行波场或驻波场，从而改变声光晶体钼酸铅的折射率，形成类似光栅的折射率分布，进而改变入射光的频率。当两个声光调制器所加高压电信号频率稍有差别时，根据声光效应，一级衍射光的频率也发生相应的变化，光频差等于电信号频率差；这时目标光1-1经过两个声光晶体钼酸铅后的一级衍射光可在远场形成运动的干涉条纹，而天空背景光1-2却只能形成近似均匀的光强分布。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.基于干涉探测技术的光学搜索跟踪望远镜，其特征在于，包括：
滤光片(3)，对目标光(1-1)和天光背景光(1-2)进行滤波，将目标光(1-1)频谱范围之外的天光背景光(1-2)滤除；
偏振器件(4)，将经滤光片(3)滤波后的目标光(1-1)和天光背景光(1-2)变换成线偏振光；
设置在波面上的两个相同的光场相位调制器，一个光场相位调制器施加高压电，另一个光场相位调制器不施加高压电，通过两个光场相位调制器将线偏振光分成两路并对线偏振光的相位进行周期性调制；
光学镜头(7)，将经周期性相位调制的两路光束会聚在焦平面上，形成干涉场；
设置在焦平面上的探测器(8)，目标光(1-1)在探测器(8)靶面形成具有条纹分布的光斑，经探测器(8)作用后目标光(1-1)转换成目标电信号输出；
信号处理系统，接收目标电信号并对其进行处理，实现对目标的探测；
所述滤光片(3)、偏振器件(4)、两个光场相位调制器、光学镜头(7)、探测器(8)沿光轴(2)依次排布，两个光场相位调制器相对平行设置。
2.根据权利要求1所述的基于干涉探测技术的光学搜索跟踪望远镜，其特征在于，所述信号处理系统包括：
设置在探测器(8)后方的多个带通滤波器(10)，所述探测器(8)中的所有像素与多个带通滤波器(10)一一对应，通过带通滤波器(10)将目标电信号调制频率之外的天光背景光(1-2)滤除并转换成目标时域变化信号；
与多个带通滤波器(10)一一对应相连的多个同步解调器(11)，将目标时域变化信号解调为目标频域直流信号；
与多个同步解调器(11)一一对应相连的多个低通滤波器(12)，用于筛选目标频域直流信号；
与多个低通滤波器(12)电连接的计算机(13)，读取经低通滤波器(12)筛选后的目标频域直流信号并对其进行处理，利用计算机(13)重构探测器(8)所探测到的目标光斑分布。
3.根据权利要求1所述的基于干涉探测技术的光学搜索跟踪望远镜，其特征在于，所述偏振器件(4)选用偏振棱镜或者偏振片。
4.根据权利要求1所述的基于干涉探测技术的光学搜索跟踪望远镜，其特征在于，两个光场相位调制器均选择泡克尔盒。
5.根据权利要求1所述的基于干涉探测技术的光学搜索跟踪望远镜，其特征在于，两个光场相位调制器均选择声光调制器。
6.根据权利要求1所述的基于干涉探测技术的光学搜索跟踪望远镜，其特征在于，所述探测器(8)选用CCD、CMOS、EMCCD、光电二极管阵列PDA或者雪崩光电二极管阵列APDA。
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