CN112327279B - 基于轨道角动量调制的抗云雾后向散射激光探测系统 - Google Patents
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Abstract
基于轨道角动量调制的抗云雾后向散射激光探测系统，解决了现有激光探测技术抗云雾后向散射差的问题，属于复杂环境下高性能激光探测技术领域。本发明包括：激光发送装置，用于发射轨道角动量激光信号至目标；轨道角动量激光信号为中间暗四周亮的环形光斑信号；激光接收装置，用于接收目标返回的能量信号，利用返回的能量信号与后向散射噪声的差异对所述能量信号进行分选，选取优势区域的信号进行目标回波探测，所述优势区域信号为环状信号。本发明利用轨道角动量信号环状的特点，进行信号优势区域A和非信号优势区域B的划分，从而滤除B保留A，将A汇聚到探测器进行探测，实现后向散射噪声的有效滤除，实现抗云雾后向散射的激光探测。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于轨道角动量调制的抗云雾后向散射激光探测系统，属于复杂环境下高性能激光探测技术领域。
背景技术
激光探测具方向性好，分辨率高、精度高、非接触、体积功耗小等诸多优点，广泛的应用于自动驾驶，气象探测等民用方面，以及预警探测，制导，火控等军事方面。但是激光探测在复杂环境的应用需求越来越大，其中云雾天气的激光探测就是其一，由于云雾的散射较空气更强，因此云雾会对激光产生很强的散射作用，一方面使透过的信号强度减弱调制信息退化；另一方面其后向散射也足够强，不能忽略。后向散射往往淹没目标反射的回波信号，从而导致探测的信噪比不足，无法实现真正目标回波信号的提取，从而严重制约了激光探测能力。
发明内容
针对现有激光探测技术抗云雾后向散射差的问题，本发明提供一种能够有效滤除后向散射噪声的基于轨道角动量调制的抗云雾后向散射激光探测系统。
本发明的一种基于轨道角动量调制的抗云雾后向散射激光探测系统，包括:
激光发送装置，用于发射轨道角动量激光信号至目标；所述轨道角动量激光信号为中间暗四周亮的环形光斑信号；
激光接收装置，用于接收目标返回的能量信号，利用返回的能量信号与后向散射噪声的差异对所述能量信号进行分选，选取优势区域的信号进行目标回波探测，所述优势区域信号为环状信号。
作为优选，所述激光接收装置包括接收光学系统、DMD数字微镜器件、第一探测器和信号处理模块；
接收光学系统接收目标返回的能量信号，发射给DMD数字微镜器件，DMD数字微镜器件将优势区域信号发射到第一探测器上，第一探测器将探测到的信号发送给信号处理模块，信号处理模块根据第一探测器探测到的信号获取目标距离值。
作为优选，所述激光接收装置还包括第二探测器；
DMD数字微镜器件将非优势区域信号发射到第二探测器上，第二探测器将探测到的信号发送给信号处理模块，信号处理模块根据第二探测器探测到的信号获取云雾能见度。
作为优选，所述信号处理模块根据获取的云雾能见度和经验数据库对DMD数字微镜器件优势区域和非优势区域进行划分，并转换成控制信号发送至DMD数字微镜器件，所述经验数据库中存储有不同云雾能见度下优势区域的尺寸。
作为优选，所述信号处理模块实时根据上一次探测获取的云雾能见度对当前DMD数字微镜器件优势区域和非优势区域的进行划分，转换成控制信号发送至DMD数字微镜器件。
作为优选，所述激光发送装置包括激光器、轨道角动量调制模块和发射光学系统；
激光器产生激光脉冲信号发射至轨道角动量调制模块，轨道角动量调制模块对接收的激光脉冲信号加载轨角动量螺旋相位，并输出调制好的轨道角动量激光信号至发射光学系统，发射光学系统将所述轨道角动量激光信号准直扩束发射照射目标。
本发明的有益效果：现有技术将视场角内的信号和噪声都汇聚到探测器上进行探测，除了使用窄带滤光片无其他有效滤噪手段。况且窄带滤光片只能过滤非工作波长的噪声，对于后向散射这种同工作波长的噪声毫无作用。本发明在传统探测方法基础上，利用轨道角动量信号环状的特点，进行信号优势区域A和非信号优势区域B的划分，从而滤除B保留A，将A汇聚到探测器进行探测，实现后向散射噪声的有效滤除，实现抗云雾后向散射的激光探测。
附图说明
图1为本发明的基于轨道角动量调制的抗云雾后向散射激光探测系统的原理示意图；
图2为基于轨道角动量调制的目标反射信号；
图3为后向散射的强度分布；
图4为本发明和传统方法对比示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
本实施方式的一种基于轨道角动量调制的抗云雾后向散射激光探测系统，包括:
激光发送装置，用于发射轨道角动量激光信号至目标；所述轨道角动量激光信号为中间暗四周亮的环形光斑信号；
激光接收装置，用于接收目标返回的能量信号，利用返回的能量信号与后向散射噪声的差异对所述能量信号进行分选，选取优势区域的信号进行目标回波探测，所述优势区域信号为环状信号。
本实施方式对发射激光信号进行轨道角动量调制，利用轨道角动量信号的环状光斑的特点，设计后向散射滤除方法。深入研究后，确定了具有环状分布轨道角动量信号经过云雾透射后仍保持环状分布的特点，然而轨道角动量信号后向散射的能量分布无环状特征，满足高斯分布。从而利用轨道角动量信号在云雾中透射和后向散射的差异，对优势区域的信号进行筛选，滤除反射掉非信号优势区域的后向散射，从而实现抗云雾的高性能激光探测。
具体实施例：如图1所示，本实施方式的系统包括激光发送装置和激光接收装置：
激光发送装置包括激光器1、轨道角动量调制模块2和发射光学系统3；
激光接收装置包括接收光学系统5、DMD数字微镜器件6、第一探测器7和第二探测器8和信号处理模块9；
工作过程：首先激光器1产生激光脉冲信号，同时向信号处理模块9发射计时起始信号。激光脉冲信号经过轨道角动量调制模块2的调制，加载上轨角动量螺旋相位，其光斑由原来的中间亮四周暗的高斯光斑变为中间暗四周亮的环形光斑。调制好的轨道角动量激光信号经过发射光学系统3的准直扩束发射照射目标。经过云雾中待探测目标4的反射和往返的云雾传输，一部分能量信号返回到接收系统5，由接收系统进行收集探测。
回到接收系统的能量信号包括两种(a)一种是目标反射的回波信号，这个信号是本实施方式需要的，它是穿过云雾经过目标反射的信号，虽然有目标的弥散影响，其信号的分布仍会保持环状特征，保留空间分布特征。(b)另一种是云雾后向反射的信号，这个是不想要的，视为噪声。这个信号主要是由大量的云雾粒子反射回来的加和，这个可以看做每个云雾粒子后向散射的球面波信号的叠加，在接收光学系统中体现为均匀分布。然后本实施方式使用DMD数字微镜器件6对回波信号和后向散射信号进行分选，如图3所示，将环状的优势区域A反射到第一探测器7进行回波探测。将非优势区域B反射到另一个角度的第二探测器8进行后向散射的探测，从而滤除后向散射。
第一探测器7探测的是DMD数字微镜器件6反射的环状区域的信号，滤除了后向散射的信号，实现抗云雾的激光探测，信号处理模块9通过激光器1的起始信号和第一探测器7终止计时信号的时间差获得测距信号，按照雷达方程即可给出目标距离值。
信号处理模块9根据第二探测器8的后向散射的探测估计出云雾的能见度，根据获取的云雾能见度可以反馈控制DMD数字微镜器件6的优势区域信号和非优势区域信号的选取，控制选取的方式为：通过前期的实验得到不同云雾能见度下回波信号光环的尺寸，作为经验数据库。实际使用中根据第二探测器8探测的结果(不包含信号的纯后向散射)估算出能见度，从而准确的选取环状的优势区域A的内外半径，也就是反馈控制DMD数字微镜器件6的优势区域信号和非优势区域信号的选取；能见度的值越大，环状的优势区域A的内径越大，可按照云雾最恶劣的情设置环状的优势区域A的内径，当信号处理模块9获得估计出云雾的能见度，结合经验数据库，增大环状的优势区域A的内径，完成DMD数字微镜器件6的优势区域信号和非优势区域信号的选取。在云雾变化不大的情况，可以仅选取一次DMD数字微镜器件6的优势区域信号和非优势区域。
针对在云雾变化的情况或是目标运动穿透不同云雾变化的情况，本实施方式还可以实时更新最佳的DMD数字微镜器件6信号优势区域的选取，实时反馈调整，滤除后向散射噪声，使测距的峰值比噪声更加凸显，使测距值更精准。具体为：信号处理模块9每次通过第一探测器的探测信号得到抗云雾的激光测距结果后，都根据估计出的云雾能见度和经验数据库更新DMD数字微镜器件6信号优势区域的选取，进而实时的通过上一次的结果更新最佳的DMD数字微镜器件6信号优势区域的选。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。
Claims (4)
1.一种基于轨道角动量调制的抗云雾后向散射激光探测系统，其特征在于，包括：
激光发送装置，用于发射轨道角动量激光信号至目标；所述轨道角动量激光信号为中间暗四周亮的环形光斑信号；
激光接收装置，用于接收目标返回的能量信号，利用目标反射的回波信号与后向散射噪声的差异对所述能量信号进行分选，选取优势区域的信号进行目标回波探测，所述优势区域为轨道角动量信号环状区域；
所述激光接收装置还包括第二探测器；
DMD数字微镜器件将非优势区域的信号发射到第二探测器上，第二探测器将探测到的信号发送给信号处理模块，信号处理模块根据第二探测器探测到的信号获取云雾能见度；
非优势区域的信号为优势区域以外的信号；
所述信号处理模块根据获取的云雾能见度和经验数据库对DMD数字微镜器件优势区域和非优势区域进行划分，并转换成控制信号发送至DMD数字微镜器件，所述经验数据库中存储有不同云雾能见度下优势区域的尺寸；
根据获取的云雾能见度和经验数据库对DMD数字微镜器件优势区域和非优势区域进行划分的方法：
信号处理模块根据第二探测器探测的结果估算出云雾能见度，根据估算的云雾能见度在经验数据库中准确的选取环状的优势区域的内外半径，根据环状的优势区域的内外半径对DMD数字微镜器件的优势区域信号和非优势区域信号的进行划分。
2.根据权利要求1所述的一种基于轨道角动量调制的抗云雾后向散射激光探测系统，其特征在于，所述信号处理模块实时根据上一次探测获取的云雾能见度在经验数据库中选取环状的优势区域的内外半径，根据环状的优势区域的内外半径对当前DMD数字微镜器件优势区域和非优势区域的进行划分，转换成控制信号发送至DMD数字微镜器件。
3.根据权利要求1所述的一种基于轨道角动量调制的抗云雾后向散射激光探测系统，其特征在于，所述激光发送装置包括激光器、轨道角动量调制模块和发射光学系统；
激光器产生激光脉冲信号发射至轨道角动量调制模块，轨道角动量调制模块对接收的激光脉冲信号加载轨角动量螺旋相位，并输出调制好的轨道角动量激光信号至发射光学系统，发射光学系统将所述轨道角动量激光信号准直扩束发射照射目标。
4.根据权利要求1所述的一种基于轨道角动量调制的抗云雾后向散射激光探测系统，其特征在于，所述激光接收装置包括接收光学系统、DMD数字微镜器件、第一探测器和信号处理模块；
接收光学系统接收目标返回的能量信号，发射给DMD数字微镜器件，DMD数字微镜器件将优势区域的信号发射到第一探测器上，第一探测器将探测到的信号发送给信号处理模块，信号处理模块根据第一探测器探测到的信号获取目标距离值。
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