CN111413709A - 一种基于螺旋谱的目标成像方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于螺旋谱的目标成像方法和装置。它的主要部件包括激光器、单模保偏光纤、准直扩束透镜组、接收光学天线、准直透镜、窄带滤波片、凸透镜、偏振分光棱镜、空间光调制器、螺旋谱测量装置、系统控制器。首先，激光器发射的激光经准直扩束系统出射平面波照射目标；经过目标物体反射后，被接收光学天线接收；其次，接收光学天线接收的回波信号被准直透镜组准直，压缩入射角，然后经窄带滤波片投射到4f成像透镜系统，然后垂直入射反射式空间光调制器；最后，空间光调制器出射光经过偏振分光棱镜入射准直透镜并耦合进入单模保偏光纤，到达螺旋谱测量装置得到强度螺旋谱和相位螺旋谱分布，通过强度螺旋谱和相位螺旋谱的叠加，重构目标物体的形貌。本发明方法通过测量反射光螺旋谱的空间分布，能够实现对目标形貌的瞬时高分辨率成像。

Description

一种基于螺旋谱的目标成像方法和装置
技术领域
本发明主要涉及光学、物理学、光电转换、信号检测、光学成像领域，尤其是光信号调制解调等技术方法。
背景技术
太赫兹波段作为一种尚未大规模使用的一段电磁频谱，在安检安防、空间通信、生物医学检测、材料无损检测方面表现出巨大的应用价值。太赫兹成像技术是太赫兹技术中最具有应用前景的技术之一。由于太赫兹波可以穿透绝大多数非极性材料，因此特别适合其他电磁波无法穿透、X射线对比度低的情形。
目前，太赫兹成像的主流发展趋势是使用大规模的阵列探测器的脉冲太赫兹成像，一次性获得多个像素点，降低或摆脱成像系统对于机械扫描装置的依赖，可以获得太赫兹波的强度、相位信息，但是系统结构复杂，由于每一个像素点均包含一个时域波形，数据量庞大，成像时间较长。因此，成像速度是太赫兹成像技术走向实际应用的制约因素。
相比于脉冲太赫兹成像，基于螺旋谱的连续波成像能够同时获得太赫兹波的强度信息和相位信息，且系统结构简单，对探测器的要求数量不高，仅使用单个探测器就可以实现快速成像，有效降低了硬件的成本。
发明内容
本发明技术解决问题是：针对目前太赫兹成像速度较慢的问题，提出了一种基于螺旋谱的目标成像方法和装置，该方法通过测量平面波螺旋谱的空间分布重构目标物体形貌，能够实现瞬时、高分辨率成像，同时实验装置结构简单，可以实现集成化，在瞬时高分辨成像领域有着广阔的应用前景。
本发明的技术解决方案：本发明涉及一种基于螺旋谱的目标成像方法和装置，如图1所示，其主要部件包括：激光器(1)、单模保偏光纤1(2)、准直扩束透镜组(3)、接收光学天线(4)、准直透镜组1(5)、窄带滤波片(6)、凸透镜1(7)、偏振分光棱镜(8)、凸透镜2(9)、空间光调制器(10)、准直透镜组2(11)、单模保偏光纤2(12)、螺旋谱测量装置(13)、系统控制器(14)。首先，激光器(1)产生激光束，通过单模保偏光纤1(2)入射到准直扩束透镜组(3)之后变成平行偏振光(平面波束)，照射待测成像目标，经过目标物体反射后，回波信号被接收光学天线接收(4)；然后，接收光学天线接收(4)的回波信号被准直透镜组(5)准直，压缩入射角，然后经窄带滤波片(6)投射到4f成像透镜系统(凸透镜1(7)和凸透镜2(9))，然后垂直入射反射式空间光调制器(10)解调得到空间信息和强度信息；最后，反射光经过偏振分光棱镜(8)和4f成像透镜系统入射准直透镜组2(11)并耦合进入第二个单模保偏光纤2(12)，到达螺旋谱测量装置(13)，测量得到回波信号的强度螺旋谱和相位螺旋谱分布，通过回波信号强度螺旋谱和相位螺旋谱的叠加，重构物体的形貌。
本发明的原理是：
标准的成像技术提取信息的途径是通过输入光的偏振和空间分布将图像特征转化为强度，相位，频率的变化。输入光可以是高斯光或者有特定强度，偏振，或相位分布的光。数字螺旋成像技术对提取信息的方法是将其转化为光束轨道角动量的变化。
一束轨道角动量(OAM)光束作为入射光，我们用函数U来描述。物体的透射函数用T来表示。入射光经物体反射(或透射)后，对应出射光束的波函数用O来表示，会携带物体表面的各种信息用数学公式表示为O＝T·U。入射光束为高斯光束，OAM为0，其对应的轨道角动量谱只含有轨道角动量量子数l＝0的柱状成分，经过物体后，其反射光束轨道角动量谱，我们看到不只含有0的成分，还含有其它多种轨道角动量成分，这是因为出射光束是由物体反射或透射形成，相较于入射光束，携带了物体信息。然后通过图1中螺旋谱测量装置分析出射光束的各个轨道角动量成分关系，再结合与入射光束的差异，从而实现对物体图像的复原，也就完成了数字螺旋成像。在这项机理中，需要得到光束中所含的各个轨道角动量成分，相当于将光束展开为各种轨道角动量成分的叠加。由于轨道角动量对应于螺旋相位，因此这种成像技术被形象的称为数字螺旋成像。
在量子体系中，任何态的波函数都可以用一组正交完备基矢来展开，比如轨道角动量的本征态就可以作为一组基矢。任何的波函数都可以展开成各种轨道角动量成分的叠加之和。在柱坐标系下
Figure BDA0002487164370000031
下，将反射回波信号
Figure BDA0002487164370000032
基于拉盖尔高斯模式展开如下:
Figure BDA0002487164370000033
Figure BDA0002487164370000034
其中，Al,p是关于l,p两个参数的振幅，
Figure BDA0002487164370000035
是拉盖尔-高斯光束本征态展开函数。
Figure BDA0002487164370000036
为强度螺旋谱，φl＝arg(Al,p)为相位螺旋谱。本方法通过空间光调制器直接解析得到回波信号的强度螺旋谱和相位螺旋谱分布，通过回波信号的强度螺旋谱和相位螺旋谱的叠加，重构物体的形貌。
本发明的主要优点：
(1)本方法和装置技术新颖，光路简单，操作方便，易于控制。
(2)本方法和装置对回波信号入射在反射式在空间光调制器上，然后利用空间光调制器直接解析得到强度螺旋谱和相位螺旋谱，重构目标形貌。
(3)本方法和装置能够实现瞬时、高分辨率成像，在雷达凝视成像领域具有很大的应用潜力。
附图说明
图1为本方法和装置所述目标成像装置示意图；
图2为本方法和装置所述目标成像流程图；
图3为本方法所述强度螺旋谱示意图；
图4为本方法所述相位螺旋谱示意图。
具体实施方式
本发明以螺旋谱为探测信息载体，目标成像流程图如图2所示，具体实施步骤如下：
首先，激光器(1)产生波长为632.8nm的激光束，通过单模保偏光纤1(2)后变为平行偏振光，入射到准直扩束透镜组(3)后，变为光斑直径远远大于待成像目标的平面波束。
平面波照射待成像目标，经过目标物体表面反射后，被大口径接收光学天线(4)高效率接收，待成像目标经接收光学天线所成的一次像位于接收光学天线的焦平面上；准直透镜组(5)与接收光学天线(4)构成一个开普勒望远镜系统，把接收光学天线(4)焦平面上的待成像目标物体一次像成像于无穷远处。
经窄带滤波片(6)投射到4f成像透镜系统(凸透镜1(7)和凸透镜2(9))，然后垂直入射反射式空间光调制器(10)解调得到强度信息和相位信息；最后，经过空间光调制器的反射光经过偏振分光棱镜(8)和4f成像透镜系统成像到准直透镜组2(11)并耦合进入第二个单模保偏光纤2(12)，到达螺旋谱测量装置(13)解析得到回波信号强度螺旋谱如图3所示，和相位螺旋谱分布如图4所示，通过回波信号的强度螺旋谱和相位螺旋谱的叠加，重构物体的形貌。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (3)

1.本发明涉及一种基于螺旋谱的目标成像方法和装置，它包括：激光器(1)、单模保偏光纤1(2)、准直扩束透镜组(3)、接收光学天线(4)、准直透镜1(5)、窄带滤波片(6)、凸透镜1(7)、偏振分光棱镜(8)、凸透镜2(9)、空间光调制器(10)、准直透镜2(11)、单模保偏光纤2(12)、螺旋谱测量装置(13)、系统控制器(14)。
2.根据权利要求1所述的一种基于螺旋谱的目标成像方法和装置，其特征在于：首先，激光器发射的激光经准直扩束系统出射平面波照射目标；经过目标物体反射后，被接收光学天线接收；其次，接收光学天线接收的回波信号被准直透镜组准直，压缩入射角，然后经窄带滤波片投射到4f成像透镜系统，然后垂直入射反射式空间光调制器；最后，空间光调制器出射光经过偏振分光棱镜入射准直透镜并耦合进入单模保偏光纤，到达螺旋谱测量装置得到强度螺旋谱和相位螺旋谱分布，通过强度螺旋谱和相位螺旋谱的叠加，重构物体的形貌。
3.根据权利要求1和权利要求2所述的一种基于涡旋光螺旋谱的目标成像方法和装置，其特征在于：回波信号经过4f成像透镜系统为凸透镜1(7)和凸透镜2(9)组成，然后入射空间光调制器，经过空间光调制器解调得到回波信号的相位信息和强度信息，然后经过螺旋谱测量装置直接解析得到回波信号的强度螺旋谱和相位螺旋谱分布。
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