CN110220600A - 一种微弱信标信号畸变波前的高速探测装置及探测方法 - Google Patents
一种微弱信标信号畸变波前的高速探测装置及探测方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明属于自适应光学领域，具体涉及一种微弱信标信号畸变波前进行高速探测的装置及方法。所述装置包括微弱信标信号接收装置、光强放大和波长转换装置、以拉盖尔‑高斯模式为正交基的波前分解装置、拉盖尔‑高斯模式光的解调装置、波前分量强度探测装置、波前恢复装置；本发明的优点在于：本发明中使用光强探测器来获取波前信息，相比于传统相机，所需积分时间大大缩短，能够满足系统工作频率较高的需要；通过拉盖尔‑高斯模式进行波前分解也可以利用非线性或其他增益过程对微弱的波前信息进行放大和波长转换，有助于提高探测效率；同时，空心的拉盖尔‑高斯模光束也更适合反射式望远镜获得的环状光斑，与实际应用贴合较好。
Description
技术领域
本发明属于自适应光学领域，具体涉及一种利用拉盖尔-高斯模式，对复杂光场进行展开与增强，对微弱信标信号畸变波前进行高速探测的装置及方法。
背景技术
随着人类空间活动的不断拓展，如何对空间目标进行高效探测这一问题受到越来越多的关注。探测空间目标主要通过地基望远镜系统实现，由于空间目标距离地面太远，地面接收到的带有目标信息的信号光十分微弱，同时大气湍流导致的波前畸变也会使望远镜的分辨率大幅下降，往往不能获得良好的探测效果。为此世界各大望远镜系统发展了自适应光学(AO)技术，用来矫正大气湍流导致的波前畸变。AO系统需要通过目标本身或者目标附近光源发出的光作为信标，得到大气湍流带来的波前畸变，然后才能对波前畸变进行补偿。其中以钠激光导星和主动照明信标为代表的信标源的亮度，是决定系统波前探测精度和响应速度的关键。然而由于信标与地面之间的距离太远，信标亮度仍然限制着整个系统的性能。
为此研究人员主要探索了以下几种解决思路。首先，最直观的方式就是增加信标自身的亮度，比如增加地面的激光发射功率，直接提升激发的钠导星信标的亮度，但是钠导星本身对激光波长和谱宽的要求就极为苛刻，再对激光功率提出更高的要求就会受到激光器功率水平的制约。以现有水平来说，提升照明功率会使成本剧增，而作用效果十分有限，并且始终无法解决地面接收功率会随目标距离的增加而急剧减弱这一问题。
第二，也可以通过提升地面接收端对信标信号的探测效率，加强对微弱信标的利用来改善系统的性能。比如使用像增强CCD(ICCD)、电子倍增CCD(EMCCD)等高性能探测器，直接以探测器的硬件性能提升对目标相位信息的探测能力，但其也存在着曝光时间长，不能观测瞬态过程，易损坏，使用场景受限以及成本高昂的问题。
第三，是对信标信号进行放大以便克服单纯依靠硬件性能提升探测效果的弊端。常见方式即采用光参量放大技术，目前已经实现超过60dB光学图像增强。不过图像增强大多关注图像分辨率的保持，主要目的是获得光强的高倍增益，而对相位信息的保持关注较少。因此，对于带有畸变波前的微弱信标，还需要以更加新颖、高效的方式来解决其探测问题。
发明内容
为了解决空间微弱目标的探测问题，本发明提出了一种利用激光的拉盖尔-高斯模式对空间微弱信标信号波前信息进行分解与恢复，及利用非线性等过程对光强进行放大和对波长进行转换的装置及方法，主要面向微弱信标信号，以模式分解的思路处理信号探测的问题，提高对空间微弱信标信号的探测能力。
本发明基于以下原理：对于微弱信标信号，通过周期极化晶体、原子蒸汽等非线性介质中的非线性过程和激光增益介质等，对目标信号进行非线性放大和波长转换，获得光强放大和波长转换的效果，以便提高探测效率；选择n个不同阶数的拉盖尔-高斯模式作为一组正交基，通过全息光学元件将放大和转换后的微弱信标信号，以各阶拉盖尔-高斯模式光的形式分解到不同方向，实现波前信息的分解；随后利用涡旋相位片解调拉盖尔-高斯模式光，将各阶拉盖尔-高斯模式光转化成基模并进行空间滤波，利用光强探测器得到各阶模式光的相对光强；接着反推出初始微弱信标信号中各阶拉盖尔-高斯模式光的相对光强；最后利用各阶模式的加权叠加得出原有微弱信标信号所携带的波前信息。
本发明采用的技术方案是：
一种微弱信标信号畸变波前的高速探测装置，包括微弱信标信号接收装置1、光强放大和波长转换装置2、以拉盖尔-高斯模式为正交基的波前分解装置3、拉盖尔-高斯模式光的解调装置4、波前分量强度探测装置5、波前恢复装置6；
所述微弱信标信号接收装置1包括收发望远镜11、聚焦准直透镜12，微弱信标返回的信号光通过收发望远镜11进入微弱信标信号接收装置1，通过聚焦准直透镜12对信号光实现缩束或聚焦，然后进入光强放大和波长转换装置2；
所述光强放大和波长转换装置2包括泵浦光源21及聚焦准直透镜组22、耦合镜23、能够增大光强和转换波长的激光介质24、滤光片25，泵浦光由泵浦光源21发出，经聚焦准直透镜组22实现缩束或聚焦，通过耦合镜23与信号光一同进入激光介质24，在激光介质24中实现光强放大和波长转换，激光介质24的输出光通过滤光片25，滤出经过光强放大和波长转换后的信号光，进入以拉盖尔-高斯模式为正交基的波前分解装置3；
所述以拉盖尔-高斯模式为正交基的波前分解装置3为一个全息光学元件，如计算机控制的空间光调制器，所述全息光学元件用于将入射的信号光分解成n束不同方向、不同阶数的拉盖尔-高斯模式光，实现以拉盖尔-高斯模式为正交基的波前分解；
所述n束不同方向、不同阶数的拉盖尔-高斯模式光进入拉盖尔-高斯模式光的解调装置4，所述拉盖尔-高斯模式光的解调装置4包括n个相位元件41,42，…，4n，如带有固定阶数的涡旋相位片，n个相位元件41,42，…，4n用于将n束不同阶数的拉盖尔-高斯模式光转换成具有实心光斑的基模光，实现拉盖尔-高斯模式光的解调；
所述波前分量强度探测装置5包括n个空间滤波器(如小孔光阑)5a1，5a2，…，5an、n个光强探测器5b1，5b2，…，5bn，所述n个空间滤波器5a1，5a2，…，5an用于滤除基模光以外的杂散光，保证光强测量的准确，所述n个光强探测器5b1，5b2，…，5bn用于获得解调之后n束不同阶数拉盖尔-高斯模式光的强度；
所述波前恢复装置6包括计算机(与波前分解装置共用一台计算机)，通过计算机的计算，反推出初始信号光与n束不同阶数拉盖尔-高斯模式光之间的强度比例，即得到n束不同阶数拉盖尔-高斯模式光各阶的权重，接着对此前确定的n个作为波前分解基底的不同阶数的拉盖尔-高斯模式进行叠加计算，即可恢复出信号光的波前信息。
本发明还提供一种基于以上装置的微弱信标畸变波前的高速探测方法，该方法包括以下步骤：
S1通过微弱信标信号接收装置1中的收发望远镜11接收空间微弱信标的信号光，通过微弱信标信号接收装置1中的聚焦准直透镜12对信号光实现缩束或聚焦；
S2通过光强放大和波长转换装置2对S1缩束或聚焦后的信号光进行光强放大和波长转换：
S2.1泵浦光由泵浦光源21发出，经聚焦准直透镜组22实现缩束或聚焦，通过耦合镜23与信号光一同进入激光介质24，在激光介质24中实现光强放大和波长转换；
S2.2激光介质24的输出光通过滤光片25，滤出经过光强放大和波长转换后的信号光，进入以拉盖尔-高斯模式为正交基的波前分解装置3；
S3采用以拉盖尔-高斯模式为正交基的波前分解装置3对经过光强放大和波长转换后的信号光进行分解：
S3.1确定波前分解所需的拉盖尔-高斯模式阶数：拉盖尔-高斯模式可以有无限阶数，但对于应用而言很难将更多的阶数同时记录在同一块全息光学元件上，因此需要确定合适的拉盖尔-高斯模式阶数，既能保证在分解和恢复过程中，对波前信息进行较为完整的记录，又能够以现有的技术实现，本发明确定为n阶。
S3.2通过计算机计算得到对应的光场信息：确定了所需拉盖尔-高斯模式的阶数后，需要给不同阶数的拉盖尔-高斯模加载不同的空间频率，以便各个阶数之间能够分离开来，减少相互之间的干扰。综合考虑之后，计算得到叠加的光场信息(具体参考：How toShape Light with Spatial Light Modulators，SPIE Press，Bellingham，Washington，2017)。
S3.3将光场信息转化为全息图：通过S3.2得到光场信息后，根据全息光学元件的特性，按照纯相位调制或相位-振幅复合调制的方式，将光场信息转化为能够加载到全息光学元件上面的全息图，实现波前分解的功能，得到n束不同方向、不同阶数的拉盖尔-高斯模式光，具体操作流程请参考南非金山大学物理学院的Andrew Forbes等人所做的工作：Howto Shape Light with Spatial Light Modulators，SPIE Press，Bellingham，Washington，2017。
S4所述n束不同方向、不同阶数的拉盖尔-高斯模式光进入拉盖尔-高斯模式光的解调装置4，拉盖尔-高斯模式光的解调装置4采用n个不同阶数的涡旋相位片(每个涡旋相位片分别对应相应阶数的拉盖尔-高斯模式光)，对分解得到的各阶拉盖尔-高斯模式光进行解调，将其转化为具有实心光斑的基模光，实现拉盖尔-高斯模式光的解调；
S5所述波前分量强度探测装置5包括n个空间滤波器(小孔光阑)、n个光强探测器，通过空间滤波器滤除基模光以外的杂散光，保证光强测量的准确，通过光强探测器得出各阶拉盖尔-高斯模式光的强度；
S6通过波前恢复装置6，利用各阶拉盖尔-高斯模式光之间的强度比例对波前信息进行恢复；
S6.1结合激光介质对拉盖尔-高斯模式光的影响规律并通过实验标定，获得各阶模式光之间的归一化参数；
S6.2通过S5中得出的各阶拉盖尔-高斯模式光的强度反推出初始信号光各阶拉盖尔-高斯模式光之间的强度比例，即得到各阶的权重，通过计算机对拉盖尔-高斯模式进行叠加计算即可恢复出信号的波前信息。
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明中使用光强探测器来获取波前信息，相比于传统相机，所需积分时间大大缩短，能够满足系统工作频率较高的需要。通过拉盖尔-高斯模式进行波前分解也可以利用非线性或其他增益过程对微弱的波前信息进行放大和波长转换，有助于提高探测效率。同时，空心的拉盖尔-高斯模光束也更适合反射式望远镜获得的环状光斑，与实际应用贴合较好。
附图说明
图1为本发明所述一种微弱信标信号畸变波前的高速探测装置的结构示意图；
图2为本发明所述一种微弱信标信号畸变波前的高速探测方法的流程图。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。
如图1为本发明所述一种微弱信标信号畸变波前的高速探测装置的结构示意图。
本发明所述一种微弱信标信号畸变波前的高速探测装置包括微弱信标信号接收装置1、光强放大和波长转换装置2、以拉盖尔-高斯模式为正交基的波前分解装置3、拉盖尔-高斯模式光的解调装置4、波前分量强度探测装置5、波前恢复装置6。
图2为本发明所述一种微弱信标信号畸变波前的高速探测方法的流程图，具体工作过程如下：
S1通过微弱信标信号接收装置1中的收发望远镜11接收空间微弱信标的信号光，通过微弱信标信号接收装置1中的聚焦准直透镜12对信号光实现缩束或聚焦；
S2通过光强放大和波长转换装置2对S1缩束或聚焦后的信号光进行光强放大和波长转换：
S2.1泵浦光由泵浦光源21发出，经聚焦准直透镜组22实现缩束或聚焦，通过耦合镜23与信号光一同进入激光介质24，在激光介质24中实现光强放大和波长转换；
S2.2激光介质24的输出光通过滤光片25，滤出经过光强放大和波长转换后的信号光，进入以拉盖尔-高斯模式为正交基的波前分解装置3；
S3采用以拉盖尔-高斯模式为正交基的波前分解装置3对经过光强放大和波长转换后的信号光进行分解：
S3.1确定波前分解所需的拉盖尔-高斯模式阶数：拉盖尔-高斯模式可以有无限阶数，但对于应用而言很难将更多的阶数同时记录在同一块全息光栅上，因此需要确定合适的拉盖尔-高斯模式阶数，既能保证在分解和恢复过程中，对波前信息进行较为完整的记录，又能够以现有的技术实现。
S3.2通过电脑计算得到对应的光场信息：确定了所需拉盖尔-高斯模式的阶数后，需要给不同阶数的拉盖尔-高斯模加载不同的空间频率，以便各个阶数之间能够分离开来，减少相互之间的干扰。综合考虑之后，通过理论公式计算得到叠加的光场信息。
S3.3将光场信息转化为全息图：得到光场信息后应该根据空间光调制器或全息光栅的特性，按照纯相位调制或相位-振幅复合调制的方式，将光场信息转化为能够加载到空间光调制器或全息光栅上面的全息图，实现波前分解的功能，具体操作流程请参考南非金山大学物理学院的Andrew Forbes等人所做的工作：How to Shape Light with SpatialLight Modulators，SPIE Press，Bellingham，Washington，2017。
S4所述n束不同方向、不同阶数的拉盖尔-高斯模式光进入拉盖尔-高斯模式光的解调装置4，拉盖尔-高斯模式光的解调装置4采用n个不同阶数的涡旋相位片(每个涡旋相位片分别对应相应阶数的拉盖尔-高斯模式光)，对分解得到的各阶拉盖尔-高斯模式光进行解调，将其转化为具有实心光斑的基模光，实现拉盖尔-高斯模式光的解调；
S5所述波前分量强度探测装置5包括n个空间滤波器(小孔光阑)、n个光强探测器，通过空间滤波器滤除基模光以外的杂散光，保证光强测量的准确，通过光强探测器得出各阶拉盖尔-高斯模式光的强度；
S6通过波前恢复装置6，利用各阶拉盖尔-高斯模式光之间的强度比例对波前信息进行恢复；
S6.1结合激光介质对拉盖尔-高斯模式光的影响规律并通过实验标定，获得各阶模式光之间的归一化参数；
S6.2通过S5中得出的各阶拉盖尔-高斯模式光的强度反推出初始信号光各阶拉盖尔-高斯模式光之间的强度比例，即得到各阶的权重，通过计算机对拉盖尔-高斯模式进行叠加计算即可恢复出信号的波前信息。
Claims (5)
1.一种微弱信标信号畸变波前的高速探测装置，其特征在于：包括微弱信标信号接收装置(1)、光强放大和波长转换装置(2)、以拉盖尔-高斯模式为正交基的波前分解装置(3)、拉盖尔-高斯模式光的解调装置(4)、波前分量强度探测装置(5)、波前恢复装置(6)；
所述微弱信标信号接收装置(1)包括收发望远镜(11)、聚焦准直透镜(12)，微弱信标返回的信号光通过收发望远镜(11)进入微弱信标信号接收装置(1)，通过聚焦准直透镜(12)对信号光实现缩束或聚焦，然后进入光强放大和波长转换装置(2)；
所述光强放大和波长转换装置(2)包括泵浦光源(21)及聚焦准直透镜组(22)、耦合镜(23)、能够增大光强和转换波长的激光介质(24)、滤光片(25)，泵浦光由泵浦光源(21)发出，经聚焦准直透镜组(22)实现缩束或聚焦，通过耦合镜(23)与信号光一同进入激光介质(24)，在激光介质(24)中实现光强放大和波长转换，激光介质(24)的输出光通过滤光片(25)，滤出经过光强放大和波长转换后的信号光，进入以拉盖尔-高斯模式为正交基的波前分解装置(3)；
所述以拉盖尔-高斯模式为正交基的波前分解装置(3)为一个全息光学元件，所述全息光学元件用于将入射的信号光分解成n束不同方向、不同阶数的拉盖尔-高斯模式光，实现以拉盖尔-高斯模式为正交基的波前分解；
所述n束不同方向、不同阶数的拉盖尔-高斯模式光进入拉盖尔-高斯模式光的解调装置(4)，所述拉盖尔-高斯模式光的解调装置(4)包括n个相位元件(41,42，…，4n)，n个相位元件(41,42，…，4n)用于将n束不同阶数的拉盖尔-高斯模式光转换成具有实心光斑的基模光，实现拉盖尔-高斯模式光的解调；
所述波前分量强度探测装置(5)包括n个空间滤波器(5a1，5a2，…，5an)、n个光强探测器(5b1，5b2，…，5bn)，所述n个空间滤波器(5a1，5a2，…，5an)用于滤除基模光以外的杂散光，保证光强测量的准确，所述n个光强探测器(5b1，5b2，…，5bn)用于获得解调之后n束不同阶数拉盖尔-高斯模式光的强度；
所述波前恢复装置(6)包括计算机，通过计算机的计算，反推出初始信号光与n束不同阶数拉盖尔-高斯模式光之间的强度比例，即得到n束不同阶数拉盖尔-高斯模式光各阶的权重，接着对此前确定的n个作为波前分解基底的不同阶数的拉盖尔-高斯模式进行叠加计算，即可恢复出信号光的波前信息。
2.一种根据权利要求1所述微弱信标信号畸变波前的高速探测装置，其特征在于：所述全息光学元件为计算机控制的空间光调制器。
3.一种根据权利要求1所述微弱信标信号畸变波前的高速探测装置，其特征在于：所述相位元件为带有固定阶数的涡旋相位片。
4.一种根据权利要求1所述微弱信标信号畸变波前的高速探测装置，其特征在于：所述空间滤波器为小孔光阑。
5.一种基于权利要求1至4任一条所述装置的微弱信标畸变波前的高速探测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
S1 通过微弱信标信号接收装置(1)中的收发望远镜(11)接收空间微弱信标的信号光，通过微弱信标信号接收装置(1)中的聚焦准直透镜(12)对信号光实现缩束或聚焦；
S2 通过光强放大和波长转换装置(2)对S1缩束或聚焦后的信号光进行光强放大和波长转换：
S2.1 泵浦光由泵浦光源(21)发出，经聚焦准直透镜组(22)实现缩束或聚焦，通过耦合镜(23)与信号光一同进入激光介质(24)，在激光介质(24)中实现光强放大和波长转换；
S2.2 激光介质(24)的输出光通过滤光片(25)，滤出经过光强放大和波长转换后的信号光，进入以拉盖尔-高斯模式为正交基的波前分解装置(3)；
S3 采用以拉盖尔-高斯模式为正交基的波前分解装置(3)对经过光强放大和波长转换后的信号光进行分解：
S3.1 确定波前分解所需的拉盖尔-高斯模式阶数为n阶；
S3.2 通过计算机计算得到对应的光场信息：确定了所需拉盖尔-高斯模式的阶数后，计算得到叠加的光场信息；
S3.3 将光场信息转化为全息图：通过S3.2得到光场信息后，根据全息光学元件的特性，按照纯相位调制或相位-振幅复合调制的方式，将光场信息转化为能够加载到全息光学元件上面的全息图，实现波前分解的功能，得到n束不同方向、不同阶数的拉盖尔-高斯模式光；
S4 所述n束不同方向、不同阶数的拉盖尔-高斯模式光进入拉盖尔-高斯模式光的解调装置(4)，拉盖尔-高斯模式光的解调装置(4)采用n个不同阶数的涡旋相位片，每个涡旋相位片分别对应相应阶数的拉盖尔-高斯模式光，对分解得到的各阶拉盖尔-高斯模式光进行解调，将其转化为具有实心光斑的基模光，实现拉盖尔-高斯模式光的解调；
S5 所述波前分量强度探测装置(5)包括n个空间滤波器、n个光强探测器，通过空间滤波器滤除基模光以外的杂散光，保证光强测量的准确，通过光强探测器得出各阶拉盖尔-高斯模式光的强度；
S6 通过波前恢复装置(6)，利用各阶拉盖尔-高斯模式光之间的强度比例对波前信息进行恢复；
S6.1 结合激光介质对拉盖尔-高斯模式光的影响规律并通过实验标定，获得各阶模式光之间的归一化参数；
S6.2 通过S5中得出的各阶拉盖尔-高斯模式光的强度反推出初始信号光各阶拉盖尔-高斯模式光之间的强度比例，即得到各阶的权重，通过计算机对拉盖尔-高斯模式进行叠加计算即可恢复出信号的波前信息。
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| CN201910516511.1A Active CN110220600B (zh) | 2019-06-14 | 2019-06-14 | 一种微弱信标信号畸变波前的高速探测装置及探测方法 |
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| Country | Link |
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Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20060261244A1 (en) * | 2002-07-09 | 2006-11-23 | Topa Daniel M | System and method of wavefront sensing |
| CN103941405A (zh) * | 2014-04-11 | 2014-07-23 | 苏州大学 | 一种完美拉盖尔-高斯光束的产生方法及其装置 |
| CN105136289A (zh) * | 2015-09-08 | 2015-12-09 | 北京理工大学 | 一种用于探测多路复用涡旋光束的复合光栅及测量方法 |
| CN106896498A (zh) * | 2017-03-08 | 2017-06-27 | 华南师范大学 | 拉盖尔高斯涡旋光束的产生/三维重建装置及方法 |
| US10168501B2 (en) * | 2016-05-27 | 2019-01-01 | Nxgen Partners Ip, Llc | System and method for transmissions using eliptical core fibers |
-
2019
- 2019-06-14 CN CN201910516511.1A patent/CN110220600B/zh active Active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| US20060261244A1 (en) * | 2002-07-09 | 2006-11-23 | Topa Daniel M | System and method of wavefront sensing |
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| CN106896498A (zh) * | 2017-03-08 | 2017-06-27 | 华南师范大学 | 拉盖尔高斯涡旋光束的产生/三维重建装置及方法 |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN110220600B (zh) | 2020-04-28 |
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