CN107978209B - 远程傅里叶望远镜成像演示系统 - Google Patents
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Abstract
为克服现有傅里叶望远镜成像演示系统的不足，本发明提供一种远程傅里叶望远镜成像演示系统，能进行外场实验研究，验证傅里叶望远镜研究中关键技术及在等效整层大气湍流效应路径中高分辨率成像能力。本发明包括通过依次设置的光纤激光器、光纤分束器、由多个声光调制器构成的声光调制器组件、激光发射装置、目标、接收主镜、光电探测器和计算机；激光发射装置与目标间水平路径长度L由式确定，为大气折射率结构参数，为高度h的函数；C为当地水平传输路径大气折射率常数，H为大气层距离地面高度；还包括用于监控提取目标上光斑偏移量的CCD光斑监控相机；计算机根据光斑偏移量控制激光发射装置，还对光电探测器输出信号进行处理重构复原目标图像。
Description
技术领域
本发明属于光学技术领域，涉及一种傅里叶望远镜成像演示系统。
背景技术
傅里叶望远镜是一种远程目标非传统激光主动成像系统，突破了传统成像概念，利用时间域信息编码和相位闭合技术抑制大气湍流对成像的影响，同时打破望远镜口径的限制，从原理上解决分辨率受光学接收口径制约的瓶颈问题，通过扩展发射阵列基线长度提高分辨率，能够极大地提高望远镜的分辨率。
傅里叶望远镜原理如图1所示，傅里叶望远镜用不同频率调制后的多束干涉激光主动扫描目标，利用干涉条纹对目标的傅里叶频谱进行提取，再利用大面积非共相接收器接收经时间调制的散射回波能量，解调目标反射强度信号；变换发射基线，得到不同空间频率点的傅里叶频谱，再通过逆傅里叶变换重建目标的高分辨率图像。
傅里叶望远镜系统在结合主动成像与光学综合孔径技术优势的同时，利用频率调制与相位闭合技术抑制大气湍流对成像的影响，无需利用自适应光学进行大气补偿，极大地提高了望远镜的分辨率，具有识别远距离暗弱目标的突出优势。采用多束激光主动照明及时域信息编码技术，降低了对光纤激光器功率及光学接收系统面型的要求；整个望远镜系统易于扩展，增加基线长度可提高分辨率，增加接收面积可提高系统信噪比，增加激光功率可对更暗目标成像。理论上，对深空暗弱目标成像的角分辨率可达到纳弧度量级，填补这方面的空白。
傅里叶望远镜有着重要的应用价值和研究价值。傅里叶望远镜实验研究以演示系统作为研究平台，对关键技术进行研究，攻克系统中存在的难题。因此演示系统模型越接近最终应用傅里叶望远镜系统，对傅里叶望远镜越有指导意义。
然而，现有傅里叶望远镜演示系统还存在不足之处：
1、现有演示系统中，或是目标和激光发射装置处在同一端，主要进行下行链路的成像验证，省略了成像系统的上行链路；通过对傅里叶望远镜的原理分析可知，对傅里叶望远镜系统成像性能影响最大的是激光发射上行链路，下行链路只对接收能量有影响，单纯的下行链路实验，不能完整地反映傅里叶望远镜系统性能；或者是仅仅进行了短距离的上行链路实验，不能反映整层大气对傅里叶望远镜的影响，不能证明所采用的技术手段和算法能够有效抑制整层大气对成像的影响。
2、现有演示系统多采用空间光进行激光的分束和发射，这种分束方式存在激光能量损耗较大，同时需要复杂的激光发射装置，而且在发射基线扩大的同时，还需要额外的光程差的补偿机构以保证各发射激光间的相干性。
3、现有演示系统中的激光发射阵列仅是实验验证形式，不具备实际应用价值。
4、现有演示系统中的激光发射阵列采用三光束激光发射，无法验证对运动目标成像的多光束成像技术及相应的图像重构算法。
发明内容
为克服现有傅里叶望远镜成像演示系统的不足，本发明提供一种远程傅里叶望远镜成像演示系统，能够进行外场实验研究，验证对傅里叶望远镜技术研究中的关键技术以及在等效整层大气湍流效应路径中高分辨率成像的能力，并且将本发明等比例放大即可应用于实际工程。本发明所采用的激光发射装置结构简单，在发射基线扩大时无需额外光程差补偿机构，可进行全链路傅里叶望远镜成像实验验证。
本发明的技术方案是：
远程傅里叶望远镜成像演示系统，其特殊之处在于：包括依次设置的光纤激光器、光纤分束器、由多个声光调制器构成的声光调制器组件、激光发射装置、目标、接收主镜、光电探测器和计算机；所述光纤激光器、光纤分束器、声光调制器组件、激光发射装置通过光纤连接；
激光发射装置与目标之间的水平路径长度L由下述公式确定：
式中，为大气折射率结构参数，为高度h的函数；C为当地水平传输路径大气折射率常数，H为大气层距离地面的高度；
所述接收主镜用于接收目标反射的回波信号；
所述光电探测器用于将探测到的光信号转换成电信号；
所述成像演示系统还包括用于监控和提取所述目标上光斑偏移量，与所述计算机相连的CCD光斑监控相机；
所述计算机用于根据所述光斑偏移量控制所述激光发射装置的发射光束，还用于对光电探测器输出信号进行数据处理，重构复原所述目标的图像。
进一步地，上述远程傅里叶望远镜成像演示系统还包括设置在所述接收主镜后端的次级汇聚镜。
进一步地，上述激光发射装置包括T型激光发射架和激光发射阵列；所述激光发射阵列包括激光发射器一、激光发射器二、激光发射器三、激光发射器四和激光发射器五；
所述T型激光发射架由水平直线导轨和竖直直线导轨构成；
所述激光发射器一通过二维电动转台固定安装在水平直线导轨和竖直直线导轨的相交位置；
所述激光发射器二通过二维电动转台固定安装在竖直直线导轨上；
所述激光发射器三、激光发射器四和激光发射器五均先通过二维电动旋转台固定安装在电动平移台上，再通过电动平移台安装在T型激光发射架上，其中，激光发射器三位于竖直直线导轨上并位于激光发射器二外侧，激光发射器四和激光发射器五位于水平直线导轨上并分别位于激光发射器一两侧；定义激光发射器二与所述相交位置之间为激光发射器二的内侧，反之为激光发射器二的外侧；
所述激光发射器三、激光发射器四和激光发射器五均可沿各自导轨移动；所述二维电动旋转台可实现激光发射器一～五的偏摆和俯仰调节；
同一导轨上任意两个激光发射器之间的间距X＝n*Δx，n为大于等于1的整数，Δx为干涉条纹对目标的空间采样率，R是成像观测距离，λ是即观测激光波长，D为目标的空间尺寸；
所述声光调制器组件包括声光调制器一、声光调制器二、声光调制器三、声光调制器四和声光调制器五；
所述声光调制器一的输出端与激光发射器三相连，声光调制器二的输出端与激光发射器四相连，声光调制器三的输出端与激光发射器二相连，声光调制器四的输出端与激光发射器一相连，声光调制器五的输出端与激光发射器五相连；
声光调制器一～五的输入端均与所述光纤分束器相连。
进一步地，上述光纤激光器采用窄线宽、线偏振输出全光纤激光器。
进一步地，上述光纤激光器的波长为1064nm。
进一步地，上述接收主镜采用太阳能菲涅尔镜。
进一步地，上述光电探测器采用雪崩光电二极管光电探测器。
进一步地，上述目标采用透射式目标或者二维反射式目标。
本发明的有益效果：
1、本发明实现了在外场真实大气湍流环境中模拟傅里叶望远镜系统成像，能够对傅里叶望远镜成像系统中各参数制约关系进行研究，验证所建立傅里叶望远镜系统的理论模型，同时也能对傅里叶望远镜系统的关键技术进行研究和验证，能够直接进行傅里叶望远镜成像演示；在设计演示系统时，结合外场本地大气参数设计了等效于整个大气层湍流效应的水平成像距离，使系统具备验证傅里叶望远镜抑制大气湍流效应进行高分辨率成像的能力，因此本发明演示系统等比放大后可直接应用于工程实际，能够对遥远目标进行高分辨率成像。
2、本发明使用CCD光斑监控相机测量激光束在目标处的光斑抖动，利用光束到达角起伏法，计算出大气湍流强度，可以定量验证傅里叶望远镜克服大气湍流成像的能力。
3、本发明激光发射装置采用固定光束配合移动光束来模拟不同的发射基线组合，以较小的成本最真实的模拟了傅里叶望远镜的成像发射系统，同时，能够真正的验证发射基线和傅里叶望远镜系统成像分辨率的关系。
4、本发明可通过延长激光发射装置中T型激光发射架直线导轨的长度，扩大激光发射装置基线，由于最长基线长度就是傅里叶望远镜的等效口径，扩大激光发射装置基线就是增大望远镜口径，可以提高演示系统的成像分辨率。
5、本发明采用能够同时发射五束激光的激光发射阵列，五束激光同时照射目标，能够验证多光束图像重构算法及其对大气闪烁效应的抑制能力，同时还能缩短成像时间，为解决快速运动目标成像的问题奠定基础。
6、本发明采用窄线宽、线偏振输出全光纤激光器作为激光源，并且整个发射系统(包括光纤激光器、光纤分束器、声光调制器和激光发射装置)全部采用光纤进行激光传输，在减小光能损失的同时，仅通过调整各光束间连接光纤长度，不需要复杂的光学系统就能补偿各发射光束间的光程差，从而保证各光束之间的相干性，大幅度降低了发射系统设计的复杂性。
7、本发明使用太阳能工业用菲涅尔镜进行目标的回波信号接收，菲涅尔镜对面型要求较低，造价比传统大口径接收镜低几个数量级，在保证信号接收的同时，大大的降低了傅里叶望远镜接收主镜的成本，有利于工程化。
8、本发明采用二维反射式目标，可进行全链路傅里叶望远镜成像实验验证。利用等效孔径Φ1500mm的傅里叶望远镜演示系统，已进行了外场等效整层大气湍流效应的水平路径成像演示，成像分辨率优于1″@1.2km。
附图说明
图1是傅里叶望远镜的原理示意图；
图2是本发明实施例傅里叶望远镜成像演示系统；
图3是本发明实施例中激光发射装置结构示意图；
附图标记说明：
1-光纤激光器，2-光纤分束器，31、32、33、34、35-光纤，41、42、43、44、45-声光调制器，5-激光发射装置，51、52、53、54、55-激光发射器，6-目标，7-接收主镜，8-次级汇聚镜，9-光电探测器，10-计算机，11-CCD光斑监控相机。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作详细说明。
参见图2，本发明傅里叶望远镜成像演示系统包括依次设置的光纤激光器1、光纤分束器2、声光调制器41～45、激光发射装置5、目标6、接收主镜7、次级汇聚镜8、光电探测器9；还包括CCD光斑监控相机11和计算机10。
光纤激光器1，波长选择处在大气窗口的近红外光1064nm，输出激光为高功率、窄线宽、单模保偏激光，易于在目标表面生成干涉条纹，且输出功率可调；
光纤分束器2，能够将光纤激光器输出激光平均分成多束，同时保持光的偏振性；本实施例中是分为5束。
声光调制器41～45，分别通过光纤31～35(采用单模保偏光纤，传输波长为1064nm；)与光纤分束器相连；声光调制器41～45基于晶体的声光作用，可对激光的频率和功率进行调制，保证干涉光束之间的拍频量精度，以及保证各光纤输出激光功率相同。
激光发射装置5，包括T型激光发射架和激光发射阵列；T型激光发射架由水平直线导轨和竖直直线导轨构成。激光发射阵列包括激光发射器51～55；作为参考的激光发射器51和52为固定激光发射器，分别通过高精度二维电动旋转台固定安装在T型激光发射架的中心位置和竖直直线导轨的第一个发射点位上，即安装在图3所示的黑色实心圆点处；激光发射器53、54和55为可移动激光发射器，先通过高精度二维电动旋转台安装在高精度电动平移台上，再通过高精度电动平移台安装在T型激光发射架上，其中，激光发射器53位于竖直直线导轨上，激光发射器54和55位于水平直线导轨上且位于激光发射器51两侧，即可安装在图3所示黑色空心圆点和虚线圆点处，图3中虚线圆点表示需要移动到的发射位置。
本发明所有可移动激光发射器位置调整到位后，同一导轨上任意两个激光发射器之间的间距X＝n*Δx，n为大于等于1的整数，Δx为干涉条纹对目标的空间采样率，R是成像观测距离(即激光发射装置到目标的距离)，λ是观测激光波长(即激光发射器波长)，D为目标的空间尺寸。上述激光发射阵列中，激光发射器51发射中心参考光束，激光发射器52发射垂直轴参考光束，激光发射器53发射垂直轴剪切光束，激光发射器54发射水平轴正半轴剪切光束，激光发射器55发射水平轴负半轴剪切光束；
激光发射器53～55在高精度电动平移台的带动下，在各自导轨上作往返运动；激光发射器51～55的偏摆和俯仰均通过高精度二维电动旋转台调节，以保证各束激光准确照射目标6；
经过频率调制的激光通过光纤到达激光发射阵列，通过移动激光发射器53～55，可模拟不同的激光发射位置，配合不同的图像重构算法，可以完成三光束、四光束和五光束傅里叶望远镜演示系统验证实验。图像重构算法参考曹蓓，罗秀娟，陈明徕，张羽，相干场成像全相位目标直接重构法[J].物理学报，2015，64(12):124205-124205和曹蓓，罗秀娟，司庆丹，曾志红，相干场成像四光束相位闭合算法研究[J].物理学报,2015，64(5):54204-054204中所公开的算法。
参见图2，本实施例中，从声光调制器41输出的激光，通过光纤传输经激光发射器53准直扩束后照射目标6；从声光调制器42输出的激光，通过光纤传输经激光发射器54准直扩束后照射目标6；从声光调制器43输出的激光，通过光纤传输经激光发射器52准直扩束后照射目标6；从声光调制器44输出的激光，通过光纤传输经激光发射器51准直扩束后照射目标6；从声光调制器45输出的激光，通过光纤传输经激光发射器55准直扩束后照射目标6。
目标6，可以采用透射式目标，进行上行链路的实验验证；也可以采用二维反射式目标，进行全链路傅里叶望远镜成像实验验证。
接收主镜7，采用多个太阳能菲涅尔镜；菲涅尔镜是一种平面汇聚镜，只是将激光能量进行汇聚，制造工艺简单，容易制成大面积的汇聚镜，并且制造成本低廉。
次级汇聚镜8，设置在菲涅尔镜的后端，通过次级汇聚镜8进一步的对散射信号进行汇聚以及滤除背景光的干扰，提高光电探测器9的接收效率和信号光的信噪比。
光电探测器9，用于将光信号转换为电信号，再通过A/D数据采集卡采集到计算机10中；本实施例光电探测器9选用雪崩光电二极管光电探测器，优选1064nm波长、量子效率最高和响应率最好的InGaAs-APD。
CCD光斑监控相机11，采用近红外相机，主要监控照射到目标6上的光斑位置，提取光斑偏移量，并将所提取的偏移量传输到计算机10。
计算机10，主要有三个功能：一是根据所述偏移量控制激光发射阵列中激光发射器的俯仰和偏摆，二是采集CCD光斑监控相机的图像，三是利用Matlab对采集信号进行数据处理，进行图像重构复原，最终得到目标6的高分辨率图像。
上述傅里叶望远镜成像演示系统的工作过程如下：
1)光纤激光器输出单模保偏激光；
2)光纤分束器将光纤激光器输出的激光分成5束功率相同的单模保偏激光束；
3)5束单模保偏激光束分别经过声光调制器41、声光调制器42、声光调制器43、声光调制器44和声光调制器45产生不同的调制频率，例如调制频率分别是0、20kHz、70kHz、80kHz、110kHz，使5束激光的产生的拍频信号频率为10kHz、20kHz、30kHz、40kHz、50kHz、60kHz、70kHz、80kHz、90kHz和110kHz；
4)经过频率调制后的激光束通过光纤送入激光发射装置5，对激光进行准直扩束后照射目标6；
5)利用CCD光斑监控相机监控激光发射装置5的出射光束经真实大气湍流环境照射到目标6上的光斑位置，提取光斑偏移量，将偏移量反馈到计算机10，由计算机10根据光斑偏移量控制激光发射装置5中高精度二维旋转台，调整激光发射器俯仰和偏摆，使得激光发射装置5的出射光束光斑准确覆盖目标6，在目标6表面发生干涉，形成干涉条纹；
7)目标6将带有自身信息的光散射，散射的回波信号经过下行链路(即1.2km真实大气湍流路径)的传输，先被靠近激光发射装置5的接收主镜7接收，再经过次级汇聚镜8二次汇聚到达光电探测器9，将光信号转换成电信号；
8)计算机10采集所述电信号；
9)变换激光发射器53～55的发射位置和调整激光发射器51～55的发射角度，继续瞄准目标，重复步骤5)～8)；
10)计算机10采集到足够的傅里叶分量后，通过算法进行解调处理，重构复原目标6的图像。
本发明是根据现场大气条件，用激光发射装置5与目标6之间的水平路径长度L等效整层真实大气湍流环境，所述水平路径的长度L按照下述方法确定：
激光束通过湍流大气传输时，其强度、相位和传输方向均会受到扰动而出现相应的随机变化，引起光束强度起伏(大气闪烁)、相位起伏、光束漂移和扩展等大气湍流效应。其中，强度起伏通常用闪烁指数σR 2表示；相位起伏的影响则反映在相干长度r0和等晕角θ0参数上。在上述等量模拟的方式中，用闪烁指数σR 2对相同湍流强度的等量模拟所需水平路径最长，等效的湍流效应可涵盖其它两种情况。因此，我们用闪烁指数σR 2方式进行计算。
当为常数C时，σR 2为平面波的闪烁参数：
当为高度h的函数时，σR 2计算公式为：
上式中，为大气折射率结构参数；H为整个有效大气层的垂直高度；C为当地水平传输路径大气折射率常数。
由于大气湍流效应集中在30km的大气层厚度中，因此取H＝30km，使上面两式相等，可求出与垂直高度H湍流闪烁指数等效的水平路径长度L。
Claims (6)
1.远程傅里叶望远镜成像演示系统，其特征在于：包括依次设置的光纤激光器、光纤分束器、由多个声光调制器构成的声光调制器组件、激光发射装置、目标、接收主镜、光电探测器和计算机；所述光纤激光器、光纤分束器、声光调制器组件、激光发射装置通过光纤连接；
激光发射装置与目标之间的水平路径长度L由下述公式确定：
式中，为大气折射率结构参数，为高度h的函数；C为当地水平传输路径大气折射率常数，H为大气层距离地面的高度；
所述接收主镜用于接收目标反射的回波信号，其后端设置有次级汇聚镜；
所述光电探测器用于将探测到的光信号转换成电信号；
所述成像演示系统还包括用于监控和提取所述目标上光斑偏移量，与所述计算机相连的CCD光斑监控相机；
所述计算机用于根据所述光斑偏移量控制所述激光发射装置的发射光束，还用于对光电探测器输出信号进行数据处理，重构复原所述目标的图像；
所述激光发射装置包括T型激光发射架和激光发射阵列；所述激光发射阵列包括激光发射器一、激光发射器二、激光发射器三、激光发射器四和激光发射器五；
所述T型激光发射架由水平直线导轨和竖直直线导轨构成；
所述激光发射器一通过二维电动转台固定安装在水平直线导轨和竖直直线导轨的相交位置；
所述激光发射器二通过二维电动转台固定安装在竖直直线导轨上；
所述激光发射器三、激光发射器四和激光发射器五均先通过二维电动旋转台固定安装在电动平移台上，再通过电动平移台安装在T型激光发射架上，其中，激光发射器三位于竖直直线导轨上并位于激光发射器二外侧，激光发射器四和激光发射器五位于水平直线导轨上并分别位于激光发射器一两侧；定义激光发射器二与所述相交位置之间为激光发射器二的内侧，反之为激光发射器二的外侧；
所述激光发射器三、激光发射器四和激光发射器五均可沿各自导轨移动；所述二维电动旋转台可实现激光发射器一～五的偏摆和俯仰调节；
位于同一直线导轨上的任意两个激光发射器之间的间距X＝n*Δx，n为大于等于1的整数，Δx为干涉条纹对目标的空间采样率，R是成像观测距离，λ是即观测激光波长，D为目标的空间尺寸；
所述声光调制器组件包括声光调制器一、声光调制器二、声光调制器三、声光调制器四和声光调制器五；
所述声光调制器一的输出端与激光发射器三相连，声光调制器二的输出端与激光发射器四相连，声光调制器三的输出端与激光发射器二相连，声光调制器四的输出端与激光发射器一相连，声光调制器五的输出端与激光发射器五相连；
声光调制器一～五的输入端均与所述光纤分束器相连。
2.根据权利要求1所述的远程傅里叶望远镜成像演示系统，其特征在于：所述光纤激光器采用窄线宽、线偏振输出全光纤激光器。
3.根据权利要求2所述的远程傅里叶望远镜成像演示系统，其特征在于：所述光纤激光器的波长为1064nm。
4.根据权利要求3所述的远程傅里叶望远镜成像演示系统，其特征在于：所述接收主镜采用太阳能菲涅尔镜。
5.根据权利要求1至4任一所述的远程傅里叶望远镜成像演示系统，其特征在于：所述光电探测器采用雪崩光电二极管光电探测器。
6.根据权利要求5所述的远程傅里叶望远镜成像演示系统，其特征在于：所述目标采用透射式目标或者二维反射式目标。
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