CN107450179B - 基于多路半导体激光器的主动关联成像光学系统 - Google Patents

Abstract

一种基于多路半导体激光器的主动关联成像光学系统，包括多路半导体激光器、发射光学系统、参考光学系统、接收光学系统四个部分。由发射光学系统的共焦镜，将不同子激光器的光束进行聚焦，在位相调制器的作用下，可以在焦面处得到干涉散斑场。参考光学系统将散斑场进行记录。而发射光学系统将散斑场发射到被测物体处。散斑场的光经物体反射之后形成回波信号，回波信号由接收系统进行采集。将回波信息和参考系统记录的散斑场信息进行关联运算，即可反演出物体图像。本发明具有实时调节、频率快、位相调节可重现等特点，能显著提高关联成像的速度；实现单臂预置成像；能根据目标特性设置匹配的散斑形态，能够有效增强成像信噪比。

Description

基于多路半导体激光器的主动关联成像光学系统

技术领域

本发明涉及关联成像，特别是一种基于多路半导体激光器的主动关联成像光学系统。

背景技术

近年来，关联成像作为一种新的成像方式受到了广泛关注。其原理是把调制光源分成两束，把物体放到其中一臂(物臂)，另一臂即是参考臂。物臂和参考臂按照同一时序进行信号采集，将符合测量得到的结果用关联算法进行图像重建，能够获得物体的三维图像信息。这种利用强度关联进行成像的方法也被称之为“鬼”成像。

关联成像是利用二阶强度关联的方式进行物体成像的探测技术。这种成像机理自从被证明以来，经过二十年多年的发展，在技术上和理论上都逐渐完善。关联成像已经在遥感成像、测距、多光谱成像等领域得到了更多的扩展，从地面平台到运动平台乃至空中平台都实现了工程样机的开发，不断的利用自身优势突破传统成像技术的局限性。

关联成像的优势在于远距离目标探测，在远距离目标探测时能够有效的克服大气湍流的影响。这是因为关联成像的过程是通过对测量数据的自相关计算才能获得被测物体傅里叶变换的模，再利用位相恢复技术能够得到物体傅里叶变换的相位信息，利用以上数据即可反演出物体图像。关联成像的过程当中，需要进行多次采样，采样数越多，就能更好的消除散斑噪声，获得更完备的傅里叶变换谱。由于多次采样的工作机理，上行的大气湍流对成像系统分辨率的影响在多次采样平均过程会逐渐减弱，在普通强度的湍流环境下，可以认为关联成像的反演过程基本没有受到大气湍流的影响。

近年来，关联成像技术取得了显著的进步，逐渐走向工程化应用，并且结合自身特点，也在一些适用领域得到了发展。但是，关联成像也存在一些技术问题，成为约束关联成像技术进步的障碍，具体来讲，表现在以下方面：

1、机械调制速率较慢。关联成像需要依托一个变化的散斑场进行成像，常用的关联成像方案，赝热光源采用的通常是通过机械运动的方式，来模拟光源的涨落，得到一定数量变化的散斑场。具体来讲，就是用激光器加旋转毛玻璃的方式模拟赝热光源。在指定时间，毛玻璃转动到一个新的位置，此时，散斑场的强度和形态发生了变化，进而得到了变化的散斑场。但是，这种方式的速度较慢，为获得高频率的变化散斑场依赖于旋转电机的转速，而电机转速有其上限，限制了变化散斑场的调制频率，影响了成像时间。

2、机械调制容易受到外界干扰。旋转毛玻璃的调制方式使得高速旋转的毛玻璃裸漏到外界环境。容易受到灰尘、触碰、震动等干扰。限制了关联成像系统在飞机平台、系留气球平台、船舶平台等运动平台上的应用。

3、机械调制难以实现预置功能。关联成像的原理是将参考臂记录的散斑场和接收系统收集的回波信号进行关联计算恢复出物体图像。其中，参考臂的散斑场可以每次成像的时候实时获得。也可以在首次成像时获得一次作为数据基准，以后成像时，每次都调用这首组预置的参考数据，实现预置成像。但是，预置成像需要每次成像的光源调制情况非常稳定、重复性好，才能实现参考散斑场的重复调用。而机械调制光源的方式，稳定程度有限，受到外界环境以及自身重复性精度的影响，难以实现预置功能。限制了系统功能的升级使用。

4、难以形成指定的散斑图样，无法对特征目标进行匹配调制。关联成像对不同目标成像时有不同的成像特点，可以利用目标的特性以及稀疏性等对散斑场进行相应调制，提高成像的效果和信噪比。而机械调制光源利用随机毛玻璃作为调制器件，无法实现精确的位相调制，得不到匹配的散斑图样，也就不能对特征目标进行更加高效的成像。

5、机械调制光源部件的寿命较短。采用旋转电机加毛玻璃的方式，由于机械磨损的存在，光源部件的寿命较短。随着时间的推移，机械零件的精度也会产生变化。单个激光光斑以较高能量密度打在毛玻璃上，也容易将毛玻璃损坏。

6、对于接收系统来说。单点探测器的接收感光面都是在接收光学系统的像面，一方面接收系统的能量不均匀；另一方面，物象关系是点对点的关系，当探测器面积较小的时候，限制了接收系统的视场。

发明内容

本发明的目的在于通过一种基于多路半导体激光器的主动关联成像光学系统，该光学系统具有实时调节、频率快、位相调节可重现等特点，能够显著提高关联成像的速度；实现单臂预置成像；能根据目标特性设置匹配的散斑形态，能够有效增强成像信噪比。

本发明的技术解决方案如下：

一种基于多路半导体激光器的主动关联成像光学系统，特点在于其构成包括多路半导体激光器的系统光源，沿多路半导体激光器发射的多路激光方向依次是聚光镜前组、聚光镜后组、反射镜、场镜、第一分光镜，所述的场镜位于聚焦镜组的焦面，该第一分光镜将入射光分为透射的参考光路和反射的发射光路，所述的参考光路依次是参考镜组、偏振片对和参考CCD，所述的参考CCD将场镜处的散斑场记录下来，在所述的发射光路的发射镜将发射光照射到物体上，在所述的物体反射光方向依次是物镜、第二分光镜，被所述的物镜接收的光称为接收光，所述的第二分光镜将接收光分为反射光和可见的透射光，在所述的透射光方向依次是后置成像镜组、视场光阑、二次成像镜成像到CCD，在所述的反射光方向依次是准直镜、滤光片、出瞳镜和探测器光敏面。

所述的第一分光镜的透过率为1％。

所述的发射系统中的聚焦镜组采用远距型结构，正透镜组在前，负透镜组在后。

所述的参考成像光路中的线偏振片对，使用时通过调节所述的偏振片对的相对旋向调节能量衰减。

所述第二分光镜为不等厚的楔板，以校正像散。

所述的多路半导体激光器的出射光按照一定规律在一定圆周范围内进行排布，形成半导体激光器阵列，每路半导体激光器的出光线的光轴平行。

所述的每路半导体激光器配备各自的位相调制器，用以控制每一路激光光束输出的位相变化。

本发明基于多路半导体激光器的主动关联成像光学系统包括发射和接收两个部分。发射系统中的聚光镜组将多路半导体激光器的光进行汇聚，在焦面处能够得到散斑场。散斑场的光继续传输，经过分光片之后，一路进入到参考系统中被记录，另一路被发射镜发射到被测物体。发射光经物体反射之后被接收系统收集，入射到PMT光电倍增管接收器上。将参考系统中记录的散斑场和接收PMT采集的回波能量进行关联计算即可恢复出物体的关联图像。

本发明的技术效果如下：

一、发射系统

(一)光源采用多路半导体激光器阵列。光源为了增加光能在大气中的穿透能力，选择了穿透能力较强的近红外1064nm波长，此外，这个波长对人眼的伤害也更弱。每一路半导体前放置位相调制器。此外，每一路激光器前放置准直镜。每一个准直透镜对应一路激光光线，将激光的束腰和远场发散角准直成指定数值，以更好的为后续系统应用。

(二)通过聚焦镜组获得干涉散斑场。聚焦镜也是共焦镜，将多路半导体激光器的光共同聚焦到聚焦镜组的焦点处，焦平面即是聚焦镜组的频谱面。在频谱面上每一点包含不同激光器同一方向光线的信息。因此，在这个面上可以得到干涉散斑场。对聚焦镜组要进行像差优化，像差弥散斑应远远小于衍射斑，以保证干涉散斑场的质量不受光学系统像质的影响。

(三)干涉面放置场镜。场镜的作用是将多路激光器的束腰成像到发射镜上，实现光瞳匹配。一方面可以缩小发射镜的口径尺寸，另一方面降低了发射镜的设计和优化难度。

(四)分光楔板。发射系统当中引入分光楔板，分光楔板的作用是将散斑场的光进行分光，一路光是作为参考光路，通过参考CCD将散斑场予以记录；另一路是发射光路，将散斑场投射到物体上。由于分光楔板的存在，使参考光路子午面和弧矢面的两个方向的光程是不同的，因此带来了像散像差。将分光片做成带一定角度的楔板，能够有效的校正像散像差，矫正子午面和弧矢面的光程差。保证参考光束的像质。

(五)参考镜组将干涉散斑场成像到参考CCD上。分光片之后加入参考镜组，对干涉散斑场进行一定放大倍率的成像，一个散斑占3个CCD像元大小，保证相机能够清晰分辨散斑的形态。

(六)通过偏振片对衰减参考光束的强度。在参考光路当中，加入偏振片对，通过调整偏振片对的相对旋转方向，能够调节光束衰减比例。调整参考光的能量大小。

(七)发射镜将干涉散斑场成像到被测物体上。

二、接收系统

(一)接收物镜采用两组透镜的光学系统结构。一方面是在两组之间可以加入分光片；另一方面是由于接收系统当中既包括可见光成像的监视系统，又包括近红外关联成像的接收系统。采用前后两组的光学结构，能够有效校正色差。使得关联成像和监视成像都具有更好的一致性，也可以进行成像效果的对比实验。

(二)接收系统中进行分光。透射光是可见光光谱，利用可见光对物体进行监视成像。其作用是观察和搜索目标，并进行系统光轴指向调整，在进行关联成像之前进行目标的粗对准。

(三)基于PMT接收器的关联成像接收端加滤光片。滤除1064nm外的其它光谱光能量，提高关联成像系统的信噪比。

(四)基于PMT接收器的关联成像接收端加入出瞳镜，将接收系统的出瞳对准PMT的感光面。出瞳是对应物体表面的频谱面，出瞳上每一点包含所有物点的能量信息，因此，可以在有限出瞳面大小的情况下接收到大视场物体的回波能量信息，在系统整体设计时，摆脱了对PMT光敏面尺寸的依赖。此外，出瞳面的能量分布更加均匀，随着接收总能量的变化，PMT输出的电信号能够更好的随之线性变化，反映不同频率下的能量涨落情况。

(五)监视成像光路中，为扩大监视成像视场。加入了二次成像镜组，功能为成缩小像，扩大系统的有效视场。在关联成像端和监视成像端，各有相应的视场光阑，并进行标定。在调节相应视场光阑时，保证二者同比变化。

附图说明

图1是本发明基于多路半导体激光器的主动关联成像光学系统的结构图。

图2是聚焦镜光路图

图3是聚焦镜像质图

图4是发射系统及参考系统光路图

图5是发射镜像质图

图6是接收系统整体光路图

图7是监视成像端的像质图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

图1是本发明基于多路半导体激光器关联成像的光学系统整体结构图。由图可见，本发明基于多路半导体激光器的主动关联成像光学系统，其构成包括多路半导体激光器1的系统光源，沿多路半导体激光器1发射的多路半导体激光器1方向依次是聚光镜前组2、聚光镜后组3、反射镜5、场镜4、第一分光镜6，所述的场镜4位于聚焦镜组的焦面，该第一分光镜6将入射光分为透射的参考光路和反射的发射光路，所述的参考光路依次是参考镜组7、偏振片对8和参考CCD9，所述的参考CCD9将场镜4处的散斑场记录下来，在所述的发射光路的发射镜10将发射光照射到物体11上，在所述的物体11反射光方向依次是物镜13、第二分光镜14，被所述的物镜13接收的光称为接收光，所述的第二分光镜14将所述的接收光分为反射光和可见的透射光，在所述的透射光方向依次是后置成像镜组、视场光阑19、二次成像镜20成像到CCD21，在所述的反射光方向依次是准直镜12、滤光片15、出瞳镜17和探测器光敏面18。

上面的光学系统是发射光学系统和参考光学系统，发出的散斑场将任意漫反射物体11照亮，并形成回波信号。下面的光学系统是接收光学系统，将物体产生的回波信号收集到PMT光路端。最终将接收系统光信号和参考光学系统光信号进行关联运算恢复出物体图像。

图2显示了聚焦镜组的光路图。聚焦镜组是本系统的核心部分，主要功能是将多路半导体激光器阵列发出的光调制成干涉散斑场。聚焦镜组的焦平面即是频谱面，在频谱面上每一点包含各个半导体激光器上同一方向发出的光，因此在频谱面上得到的是多个半导体激光器子光源相互干涉形成的图样，也就是干涉散斑场。干涉散斑场的存在沿着光轴方向是有一定空间范围的，在这个范围之内才能够得到充分干涉的散斑场，空间尺寸的计算方式是λ×(F/D)^2。如图2所示，其中D是多路光线排布时所形成的圆周的直径，F是聚焦镜组焦距，λ是激光器波长。因此，为了增加有效干涉范围，应该尽量的扩大聚光镜的焦距，而焦距过长导致系统机械尺寸较大。为解决这一问题，聚焦镜采用了远距型设计方式，能够有效的缩小系统尺寸，在有效的空间区域增加干涉散斑场的有效干涉范围。具体来说，就是聚焦镜组分为两组，第一组是聚光镜前组2，是正透镜组，将光束进行压缩，第二组是聚光镜后组3，是负透镜组，减小光束的数值孔径角，实现了长焦的效果。在有限的空间尺寸下，增加了聚焦镜组的焦距值。

图3显示了聚焦镜组的像差优化效果，聚焦镜组应该有较高像质，像差弥散斑需要远小于艾里斑，这样像差的弥散就不会对散斑的形态和质量产生影响。

图4显示了发射系统和参考系统的整体光路图，首先通过准直器阵列将半导体激光器的光进行准直，将每一路光都以固定的发散角和束腰发射出去。准直器的设计应保证光源出射的拉赫不变量和系统的拉赫不变量相符合，假设关联成像系统的视场角是ω₁，由分辨率反推的发射镜口径为D_发，多路光源的总的排布尺寸是D_光，每一路光线的远场发散角是ω₂。那么tgω₁*D_发＝tgω₂*D_光，由此反推得到每路激光器的远场发散角ω₂的设计值。

激光器阵列发出的光经聚焦镜前组2和聚焦镜后组3汇聚之后，在聚焦镜组焦面位置处得到了干涉散斑场。反射镜5的作用是进行光路转折，压缩光学系统占据的空间尺寸，缩小系统的体积。在干涉散斑场之后引入第一分光镜6，该分光镜的作用是将散斑场的信息分成发射和参考两个光路进行利用。分光比是99:1，发射光占主要的能量成分，这是因为为了实现远距离探测，应将主要能量分配给发射系统部分。另一方面第一分光镜6的引入对于参考镜组7对带来像散像差，因此将分光片设计成带角度的楔板，用楔角来补偿两个方向的光程差。

参考镜组7将干涉散斑场的物成像到参考CCD9，参考镜组的放大倍率应该是根据散斑的大小和参考CCD9的像元大小进行匹配设计，成像到参考CCD9之后，一个散斑大小应该占3个像元大小。参考镜组7当中引入偏振片对8，相对旋转即能调节透过光的通光效率，从而调节在参考CCD9上的散斑场光照度。发射镜10将散斑场成像到远处的被测物体上。发射镜的像质也要优化到衍射极限，保证散斑场的质量，图5即是发射镜的像质。

图6为接收系统的放大示意图，接收系统通过第二分光镜14将像进行分光，1064nm的近红外光反射，采集到1064nm的光之后进行关联成像。将可见光波段的光透射，进行监视成像，用于目标的搜索和对比成像实验。

在接收的关联成像光路端，准直镜12的作用是减小入射到滤光片的光线角度，增强滤光片15效果。放置滤光片15，是为了滤除1064nm以外的杂光，成像到实像面16处。在实像面16处放置视场光阑，调整接收系统的信号大小，还可以通过调整视场的大小，屏蔽接收系统的视场内的某一强光点，提高系统的信噪比。接收系统的入瞳是在物镜13的位置处。在实像面16处之后设置出瞳镜17，将接收系统的入瞳成像到探测器光敏面18处，这里即是接收系统的出瞳，将接收PMT的感光面放置在探测器光敏面18处。这里与传统的关联成像方式不同，将PMT放置在接收系统的出瞳面，而不是实像面有显著的优点：一方面，出瞳面是成像的频谱面，每一点包含所有物点的能量信息，在PMT光敏面尺寸较小的情况下，仍然可以采集到所有视场点的能量信息。另一方面，关联成像中，接收系统的主要功能是采集回波信号的强度涨落。在出瞳面上的的光照度分布更加均匀，在强度有涨落变化的时候，PMT的输出电信号的输出变化趋势线性也更好，提高系统的信噪比。

在接收的监视成像光路端，一次成像到视场光阑19处，，将该视场光阑19和实像面16的视场光阑进行标定，在调节的时候，使两端光路能够同比同步变化。监视成像端设置二次成像镜组20，对一次实像进行缩小成像到监视CCD21。其主要目地是在有限的CCD靶面上尽可能的扩大接收系统观察视场。图7是监视光路的像质图。

通过实验表明，本发明具有实时调节、频率快、位相调节可重现等特点，能显著提高关联成像的速度；实现单臂预置成像；能根据目标特性设置匹配的散斑形态，能够有效增强成像信噪比。

Claims (5)

1.一种基于多路半导体激光器的主动关联成像光学系统，特征在于其构成包括多路半导体激光器(1)的系统光源，沿多路半导体激光器(1)发射的多路半导体激光器(1)方向依次是聚光镜前组(2)、聚光镜后组(3)、反射镜(5)、场镜(4)、第一分光镜(6)，所述的场镜(4)位于由聚光镜前组(2)和聚光镜后组(3)构成的聚焦镜组的焦面，该第一分光镜(6)将入射光分为透射的参考光路和反射的发射光路，所述的参考光路依次是参考镜组(7)、偏振片对(8)和参考CCD(9)，所述的参考CCD(9)将场镜(4)处的散斑场记录下来，在所述的发射光路的发射镜(10)将发射光照射到物体(11)上，在所述的物体(11)反射光方向依次是物镜(13)、第二分光镜(14)，被所述的物镜(13)接收的光称为接收光，所述的第二分光镜(14)将接收光分为反射光和可见的透射光，在所述的透射光方向依次是后置成像镜组、视场光阑(19)、二次成像镜(20)成像到CCD(21)，在所述的反射光方向依次是准直镜(12)、滤光片(15)、出瞳镜(17)和探测器光敏面(18)。

2.根据权利要求1所述的基于多路半导体激光器的主动关联成像光学系统，其特征在于，所述的第一分光镜(6)的透过率为1％。

3.根据权利要求1所述的基于多路半导体激光器的主动关联成像光学系统，其特征在于，所述的聚焦镜组采用远距型结构，正透镜组在前，负透镜组在后。

4.根据权利要求1至3任一项所述的基于多路半导体激光器的主动关联成像光学系统，其特征在于，所述的多路半导体激光器的出射光按照一定规律在一定圆周范围内进行排布，形成半导体激光器阵列，每路半导体激光器的出光线的光轴平行。

5.根据权利要求4所述的基于多路半导体激光器的主动关联成像光学系统，其特征在于，所述的每路半导体激光器配备各自的位相调制器，用以控制每一路激光光束输出的位相变化。