CN115792960A - 一种大气湍流波前测量装置 - Google Patents
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Abstract
本申请提供的大气湍流波前测量装置，包括高重频短脉冲激光器(1)、激光发射光学单元(2)、大气回波信标(3)、接收光学单元(4)、窄带滤光片(5)、微透镜阵列(6)、高增益光学增强器(7)及高帧频成像相机(8)，本申请使用高重频短脉冲激光产生信标回波，由于单脉冲时间短峰值功率高，可产生亮度较高的大气回波信标，利用高速时序控制器实现距离选通技术，通过控制与脉冲宽度相匹配的曝光时间，结合窄带滤波技术，可将背景杂光降低几个数量级，以及可以在一帧曝光时间内叠加多个选通脉冲，应用方式灵活，可显著提高探测信噪比，且由于激光主动信标的方式，不依赖自然光照明，因此不受到工作时间的影响，可以做到全天时应用。
Description
技术领域
本申请涉及自适应光学技术领域，特别涉及一种大气湍流波前测量装置。
背景技术
目前许多领域与应用都涉及到光束大气传输，但受到水平或斜程强大气湍流的影响致使系统性能下降，如成像探测、无线激光通信、无线激光充电、激光定向能传输等，通常需要采用自适应光学等技术克服湍流影响。自适应光学技术的核心功能之一是要先开展大气湍流波前测量，但水平或斜程大气湍流相干长度短、变化速度快，对波前探测器的空间分辨能力和时间分辨能力都提出了更高的要求。
目前较常用的波前测量方法是使用夏克-哈特曼波前探测器，该探测器由微透镜阵列和焦平面成像相机组成。由目标反射回来的光进入夏克-哈特曼波前探测器后，将能量平均分配到微透镜的各个子孔径并在相机靶面成像，经图像控制器提取各个焦斑的脱靶量后所拟合波前，从而得到大气湍流信息。
由于哈特曼波前探测器需要将接收的光能量分配到多个子孔径，导致每个子孔径对应的探测能力下降，但由于如下原因仍然无法满足强大气湍流波前探测应用：一是高灵敏度科学级相机的帧频都较低，最高一般在1k-2k FPS(帧/秒)，在自适应光学系统中应用后带宽较低，跟不上水平大气湍流的Greenwood频率，如果采用高帧频的普通相机，其探测能力因为曝光时间短及灵敏度差等也无法满足探测要求；而且无论是哪种相机，其最短曝光时间都是有限制的，通常在1微秒左右，无法与数十纳秒的激光脉冲宽度相匹配；二是为了匹配大气湍流空间长度，会导致子孔径数量较多，能量更加分散，即使科学级相机也难以达到较高信噪比，因此要求目标的亮度非常高，这通常是难以满足的；三是容易受到背景杂光的干扰，特别是白天工作的情况下，太阳散射光较强，导致探测信噪比显著下降。
发明内容
鉴于此，有必要针对现有技术中存在的缺陷提供一种兼具高帧频、高探测灵敏度、高信标亮度、高背景抑制能力等优点，可实时探测水平大气强湍流的大气湍流波前测量装置。
为解决上述问题，本申请采用下述技术方案：
本申请目的之一提供了一种大气湍流波前测量装置，包括高重频短脉冲激光器(1)、激光发射光学单元(2)、大气回波信标(3)、接收光学单元(4)、窄带滤光片(5)、微透镜阵列(6)、高增益光学增强器(7)及高帧频成像相机(8)，其中：
所述高重频短脉冲激光器(1)发出激光脉冲，所述激光脉冲经过所述激光发射光学单元(2)扩束后聚焦并发生后向散射产生高亮度大气回波信标(3)，信标后向散射光经大气传输至所述接收光学单元(4)并进行缩束，再经窄带滤光片(5)后仅透射激光波长的光，所述激光波长的光经所述微透镜阵列(6)被各子孔径分割成若干个汇聚子光束并进入所述高增益光学增强器(7)，所述高增益光学增强器(7)根据需要将各子光束能量放大若干倍后进入高帧频专用成像相机(8)，所述高帧频专用成像相机(8)根据所需采样频率进行曝光，得到各子孔径内的点斑阵列图像，并根据该点斑阵列图像数据拟合出大气湍流波前信息。
在其中一些实施例中，所述高重频短脉冲激光器(1)可以输出数纳秒宽度的窄脉冲，并可调节激光发射光学单元(2)聚焦产生高亮度大气回波信标。
在其中一些实施例中，还包括与所述高重频短脉冲激光器(1)、所述高增益光学增强器(7)及所述高帧频成像相机(8)电性连接的高速时序控制器(9)，所述高重频短脉冲激光器(1)输出与所述激光脉冲同步的电脉冲信号给所述高速时序控制器(9)，所述高速时序控制器(9)根据大气湍流路径长度、脉冲宽度和所需要的散射深度，产生选通控制信号，并控制所述高增益光学增强器(7)的选通时刻和选通时间，以使拟接收的后向散射回波信号恰好落在该选通时刻和选通时间内。
在其中一些实施例中，所述高速时序控制器(9)的成像探测高速时序控制方式为单次曝光方式，帧频与所述脉冲激光重频一致。
在其中一些实施例中，所述高速时序控制器(9)的成像探测高速时序控制方式为多次选通叠加曝光方式，曝光帧频小于所述脉冲激光重频。
在其中一些实施例中，所述高帧频成像相机(8)包括高速CMOS传感器靶面(81)、图像读出电路(82)、波前计算专用硬件电路(83)及千兆网输出接口(84)，其中，光信号入射到所述高速CMOS传感器靶面(81)后发生光电效应并产生电信号，所述电信号由所述图像读出电路(82)采集并转换为数字信号发送至所述波前计算专用硬件电路(83)，所述波前计算专用硬件电路(83)将接收到的图像信号解算出点斑阵列的质心并拟合出波前信息，并以泽尼克系数的方式将波前信息通过所述高速千兆网接口(84)发送至上位机用户。
在其中一些实施例中，所述波前计算专用硬件电路(83)由高速FPGA组成。
本申请采用上述技术方案，其有益效果如下：
本申请提供的大气湍流波前测量装置，使用高重频短脉冲激光产生信标回波，由于单脉冲时间短峰值功率高，可产生亮度较高的大气回波信标，利用高速时序控制器实现距离选通技术，通过控制与脉冲宽度相匹配的曝光时间，结合窄带滤波技术，可将背景杂光降低几个数量级，以及可以在一帧曝光时间内叠加多个选通脉冲，应用方式灵活，可显著提高探测信噪比，且由于激光主动信标的方式，不依赖自然光照明，因此不受到工作时间的影响，可以做到全天时应用。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的气湍流波前测量装置的结构示意图。
图2(a)为本申请一实施例提供的波前探测高速时序控制示意图。
图2(b)为本申请另一实施例提供的波前探测高速时序控制示意图。
图3为申请实施例提供的高帧频专用成像相机的结构示意图。
具体实施方式
下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。
请参阅图1，为本实施例1提供的一种大气湍流波前测量装置的结构示意图，包括高重频短脉冲激光器(1)、激光发射光学单元(2)、大气回波信标(3)、接收光学单元(4)、窄带滤光片(5)、微透镜阵列(6)、高增益光学增强器(7)及高帧频成像相机(8)。以下详细说明各个部件的结构及其实现方式。
所述高重频短脉冲激光器(1)可以输出数纳秒宽度的窄脉冲，具有极高的峰值功率，可以在一定距离内调节激光发射光学单元(2)聚焦产生高亮度大气回波信标。
接收光学单元(4)用于收集大气信标后向散射回波信号。
微透镜阵列(6)用于将接收到的回波信号分割为若干个子光束。
高增益光学增强器(7)可以将入射的光波信号放大数百倍至上万倍，用于提高整个成像装置的探测灵敏度。
高帧频成像相机(8)具有实时高速成像与数据传输的能力，在小靶面运行时帧频最高可达20k FPS甚至以上，并集成了专用硬件电路，实时计算、拟合波前信息，可实现对大气湍流的高速采样。
本申请上述实施例提供的大气湍流波前测量装置，其工作方式如下：
所述高重频短脉冲激光器(1)发出激光脉冲，所述激光脉冲经过所述激光发射光学单元(2)扩束后聚焦并发生后向散射产生高亮度大气回波信标(3)，信标后向散射光经大气传输至所述接收光学单元(4)并进行缩束，再经窄带滤光片(5)后仅透射激光波长的光，所述激光波长的光经所述微透镜阵列(6)被各子孔径分割成若干个汇聚子光束并进入所述高增益光学增强器(7)，所述高增益光学增强器(7)根据需要将各子光束能量放大若干倍后进入高帧频专用成像相机(8)，所述高帧频专用成像相机(8)根据所需采样频率进行曝光，得到各子孔径内的点斑阵列图像，并根据该点斑阵列图像数据拟合出大气湍流波前信息。
在其中一些实施例中，还包括与所述高重频短脉冲激光器(1)、所述高增益光学增强器(7)及所述高帧频成像相机(8)电性连接的高速时序控制器(9)，所述高重频短脉冲激光器(1)输出与所述激光脉冲同步的电脉冲信号给所述高速时序控制器(9)，所述高速时序控制器(9)根据大气湍流路径长度、脉冲宽度和所需要的散射深度，产生选通控制信号，并控制所述高增益光学增强器(7)的选通时刻和选通时间，以使拟接收的后向散射回波信号恰好落在该选通时刻和选通时间内。
进一步地，波前探测高速时序控制方式，其中分为两种情况：
图2(a)为单次曝光方式，帧频与脉冲激光重频一致，激光器的周期为T，在T1时刻发出了脉冲宽度为τL的激光脉冲，该脉冲经一定深度的大气散射后，于T2时刻到达接收光学系统，回波脉冲宽度为τR。高速时序控制器于T1时刻收到激光器同步脉冲后开启计时，并于T2时刻控制高增益光学增强器开启，且开启时间τI＝τR。高速时序控制器于T2时刻同时打开高帧频专用成像相机曝光，且曝光时间为τC，τC由相机最短曝光时间或τI确定。下一次曝光周期从下一个脉冲时刻T3开始并重复上述过程。
图2(b)为多次选通叠加曝光方式，曝光帧频小于脉冲激光重频。激光器的周期为T，在T1时刻发出了脉冲宽度为τL的激光脉冲，该脉冲经一定深度的大气散射后，于T2时刻到达接收光学系统，回波脉冲宽度为τR。高速时序控制器于T1时刻收到激光器同步脉冲后开启计时，并于T2时刻控制高增益光学增强器开启选通，且选通时间τI＝τR。高速时序控制器于T2时刻同时打开高帧频专用成像相机曝光，且曝光时间为τC，在本示意图中以两个选通脉冲叠加为例，因此τC＝τI+T。下一次曝光周期从下一个脉冲时刻T5开始并重复上述过程。
其中：T：激光脉冲周期、τL：激光脉冲宽度、τR：接收到的信标回波脉冲宽度、τI：高增益光学增强器选通宽度、τC：相机曝光时间、T1：第一个脉冲发出时刻、T2：第一个回波脉冲到达接收光学系统时刻、T3：第二个脉冲发出时刻、T4：第二个回波脉冲到达接收光学系统时刻、T5：第三个脉冲发出时刻、T6：第三个回波脉冲到达接收光学系统时刻、T7：第四个脉冲发出时刻、T8：第四个回波脉冲到达接收光学系统时刻。
请参阅图3，所述高帧频成像相机(8)包括高速CMOS传感器靶面(81)、图像读出电路(82)、波前计算专用硬件电路(83)及千兆网输出接口(84)，其中，光信号入射到所述高速CMOS传感器靶面(81)后发生光电效应并产生电信号，所述电信号由所述图像读出电路(82)采集并转换为数字信号发送至所述波前计算专用硬件电路(83)，所述波前计算专用硬件电路(83)将接收到的图像信号解算出点斑阵列的质心并拟合出波前信息，并以泽尼克系数的方式将波前信息通过所述高速千兆网接口(84)发送至上位机用户。
在其中一些实施例中，所述波前计算专用硬件电路(83)由高速FPGA组成。
上述高帧频成像相机(8)，具有高速实时成像能力，在小靶面运行时帧频最高可达20k FPS甚至以上，并集成了专用硬件电路，实时计算、拟合波前信息，可实现对大气湍流的高速采样。
本申请上述实施例提供的大气湍流波前测量装置，使用高重频短脉冲激光产生信标回波，由于单脉冲时间短峰值功率高，可产生亮度较高的大气回波信标，利用高速时序控制器实现距离选通技术，通过控制与脉冲宽度相匹配的曝光时间，结合窄带滤波技术，可将背景杂光降低几个数量级，以及可以在一帧曝光时间内叠加多个选通脉冲，应用方式灵活，可显著提高探测信噪比；且由于激光主动信标的方式，不依赖自然光照明，因此不受到工作时间的影响，可以做到全天时应用；本发明实施例提供的大气湍流波前测量装置兼具高帧频(≥20k FPS)、高探测灵敏度、高信标亮度、高背景抑制能力等优点，可实时探测水平大气强湍流。
可以理解，以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上仅为本申请的较佳实施例而已，仅具体描述了本申请的技术原理，这些描述只是为了解释本申请的原理，不能以任何方式解释为对本申请保护范围的限制。基于此处解释，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进，及本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本申请的其他具体实施方式，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种大气湍流波前测量装置，其特征在于，包括高重频短脉冲激光器(1)、激光发射光学单元(2)、大气回波信标(3)、接收光学单元(4)、窄带滤光片(5)、微透镜阵列(6)、高增益光学增强器(7)及高帧频成像相机(8)，其中：
所述高重频短脉冲激光器(1)发出激光脉冲，所述激光脉冲经过所述激光发射光学单元(2)扩束后聚焦并发生后向散射产生高亮度大气回波信标(3)，信标后向散射光经大气传输至所述接收光学单元(4)并进行缩束，再经窄带滤光片(5)后仅透射激光波长的光，所述激光波长的光经所述微透镜阵列(6)被各子孔径分割成若干个汇聚子光束并进入所述高增益光学增强器(7)，所述高增益光学增强器(7)根据需要将各子光束能量放大若干倍后进入高帧频专用成像相机(8)，所述高帧频专用成像相机(8)根据所需采样频率进行曝光，得到各子孔径内的点斑阵列图像，并根据该点斑阵列图像数据拟合出大气湍流波前信息。
2.如权利要求1所述的大气湍流波前测量装置，其特征在于，所述高重频短脉冲激光器(1)可以输出数纳秒宽度的窄脉冲，并可调节激光发射光学单元(2)聚焦产生高亮度大气回波信标。
3.如权利要求1所述的大气湍流波前测量装置，其特征在于，还包括与所述高重频短脉冲激光器(1)、所述高增益光学增强器(7)及所述高帧频成像相机(8)电性连接的高速时序控制器(9)，所述高重频短脉冲激光器(1)输出与所述激光脉冲同步的电脉冲信号给所述高速时序控制器(9)，所述高速时序控制器(9)根据大气湍流路径长度、脉冲宽度和所需要的散射深度，产生选通控制信号，并控制所述高增益光学增强器(7)的选通时刻和选通时间，以使拟接收的后向散射回波信号恰好落在该选通时刻和选通时间内。
4.如权利要求3所述的大气湍流波前测量装置，其特征在于，所述高速时序控制器(9)的成像探测高速时序控制方式为单次曝光方式，帧频与所述脉冲激光重频一致。
5.如权利要求3所述的大气湍流波前测量装置，其特征在于，所述高速时序控制器(9)的成像探测高速时序控制方式为多次选通叠加曝光方式，曝光帧频小于所述脉冲激光重频。
6.如权利要求1所述的大气湍流波前测量装置，其特征在于，所述高帧频成像相机(8)包括高速CMOS传感器靶面(81)、图像读出电路(82)、波前计算专用硬件电路(83)及千兆网输出接口(84)，其中，光信号入射到所述高速CMOS传感器靶面(81)后发生光电效应并产生电信号，所述电信号由所述图像读出电路(82)采集并转换为数字信号发送至所述波前计算专用硬件电路(83)，所述波前计算专用硬件电路(83)将接收到的图像信号解算出点斑阵列的质心并拟合出波前信息，并以泽尼克系数的方式将波前信息通过所述高速千兆网接口(84)发送至上位机用户。
7.如权利要求6所述的大气湍流波前测量装置，其特征在于，所述波前计算专用硬件电路(83)由高速FPGA组成。
Priority Applications (1)
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| CN202211335884.7A CN115792960A (zh) | 2022-10-28 | 2022-10-28 | 一种大气湍流波前测量装置 |
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| CN202211335884.7A CN115792960A (zh) | 2022-10-28 | 2022-10-28 | 一种大气湍流波前测量装置 |
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| CN202211335884.7A Pending CN115792960A (zh) | 2022-10-28 | 2022-10-28 | 一种大气湍流波前测量装置 |
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