CN116184436B - 阵列轨道角动量穿云透雾量子探测成像系统 - Google Patents
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Abstract
阵列轨道角动量穿云透雾量子探测成像系统，属于云雾复杂环境中量子成像技术领域，本发明为解决现有云雾环境下的量子成像精确低的问题。本发明包括激光发送装置和激光接收装置，激光发送装置发射阵列轨道角动量激光信号至云雾环境内的目标；激光接收装置利用阵列滤噪环对能量信号进行分选，分选输出阵列轨道角动量光束回波信号和高斯分布的后向散射噪声两类信息，阵列中每个元素分选出的回波信号用于获取目标距离，阵列中每个元素分选出的后向散射噪声用于获取该元素对应位置云雾能见度，所述每个元素获取的云雾能见度用于调整阵列滤噪环中对应元素的环宽。本发明用于云雾环境下的高精度成像。
Description
技术领域
本发明涉及在云雾复杂环境中的量子成像技术，属于云雾复杂环境中量子成像技术领域。
背景技术
量子成像技术具有探测灵敏度高、成像分辨率高、抗噪声干扰能力强等优势，在遥感探测、地形测绘等民用领域，以及成像制导、预警监视等军用领域具有应用潜力。但是应用场景是量子成像技术推向应用的主要限制之一，在云雾复杂环境中，云雾粒子对激光光束有很强的随机散射和能量衰减效应，大大减弱回波信号强度的同时，还形成了与发射激光相同波长的后向散射噪声。窄带滤波片无法滤除与发射激光波长相同的后向散射噪声。因此量子成像技术受到云雾后向散射同波长噪声干扰严重，从目标返回的信号峰往往被后向散射峰淹没，回波信噪比极低，导致成像精度低、距离分辨率差。
现有技术通过波长、偏振等信息维度在接收端对滤除回波信号中的噪声，在云雾散射环境中，主要的噪声来源是云雾散射的后向散射噪声，其波长与发射激光相同，基于波长维度的滤波手段无法滤除后向散射噪声，且云雾散射产生退偏效应，基于偏振维度的滤噪手段也无法将信号和后向散射噪声区分。
中国专利CN 112327279 A公开了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，，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。但该专利忽略了云雾为不均匀介质这一特点，所获得的成像精度低。
发明内容
针对现有云雾环境下的量子成像精确低的问题，本发明提供一种阵列轨道角动量穿云透雾量子探测成像系统。
本发明所述阵列轨道角动量穿云透雾量子探测成像系统，包括激光发送装置，用于发射阵列轨道角动量激光信号至云雾环境内的目标；所述阵列轨道角动量激光信号为阵列环状空间分布，阵列中的元素为中间暗四周亮的环形光斑；
激光接收装置，用于接收目标返回的能量信号，所述能量信号为阵列式结构，且包括阵列轨道角动量光束回波信号和后向散射噪声两类信息，阵列轨道角动量光束回波信号光强为阵列环状空间分布，云雾后向散射噪声的光强空间分布为阵列高斯分布的特征；
激光接收装置利用阵列滤噪环对能量信号进行分选，分选输出阵列轨道角动量光束回波信号和高斯分布的后向散射噪声两类信息，阵列中每个元素分选出的回波信号用于获取目标距离，阵列中每个元素分选出的后向散射噪声用于获取该元素对应位置云雾能见度，所述每个元素获取的云雾能见度用于调整阵列滤噪环中对应元素的环宽。
优选地，阵列滤噪环为m×n阵列，阵列每个元素均为一个环形结构的滤噪环，所有元素滤噪环的初始环宽相等，进行测量获取目标场景各点的云雾能见度作为下一次测量时云雾能见度估计值；
在上一次测量结束后，利用目标场景各点云雾能见度估计值与最佳环宽选择经验数据库进行比对，得到不同目标点的滤噪环环宽，然后根据各点的环宽在DMD上加载对应的宽度的滤噪环。
优选地，最佳环宽选择经验数据库通过仿真实验获得，其获取过程：通过对常见场景下云雾能见度建模，比较研究不同云雾能见度下不同宽度滤噪环对后向散射噪声的滤除前后的信噪比提升，选择不同能见度条件下信噪比提升最大的滤噪环环宽作为最佳环宽，从而建立云雾能见度与滤噪环最佳环宽对应关系的数据库。
优选地，激光接收装置包括接收光学系统6、DMD数字微镜阵列7、APD阵列探测器8、点探测器9和信号处理模块10；
接收光学系统6接收云雾环境内的目标反射的阵列式结构能量信号并投射到处于接收光学系统后焦面上的DMD数字微镜阵列7表面，该阵列每个元素包括环状光斑及光斑区域内的圆形光束，DMD数字微镜阵列上加载阵列滤噪环，其环宽与能量信号中的回波信号光的阵列环状光强空间分布相匹配；阵列滤噪环将能量信号中具有阵列环状光强空间分布特征的光能量筛选后偏折到APD阵列探测器8表面，该部分光能量为目标反射的激光能量，APD阵列探测器8响应该部分激光能量转化为电信号，输入信号处理模块10获得目标距离图像；
DMD数字微镜阵列7将返回的能量信号中呈阵列高斯分布特征的光能量偏折到点探测器9，该部分光能量为云雾散射产生的后向散射光能量，点探测器9响应后向散射光能量并转化为电信号，输入信号处理模块10，信号处理模块10根据出射激光能量和后向散射光能量估计阵列每个元素对应的云雾能见度。
优选地，激光发射装置包括激光器1、信号同步模块2、阵列轨道角动量调制模块3和发射光学系统4；
激光器1产生脉冲激光信号，出射激光信号分成两部分，一部分进入信号同步模块2用于标记脉冲激光的出射时刻以获得目标距离，另一部分进入阵列轨道角动量调制模块3，将出射激光光束调控成为具有阵列环状光强空间分布特征的激光光束，然后经过发射光学系统4准直后照射到云雾复杂环境中的待测目标5，经过云雾往返传输和目标漫射返回的激光能量信号进入激光接收装置。
优选地，目标距离的获取过程：
激光器1出射激光信号进入信号同步模块2标记激光脉冲出射时刻；
点探测器9响应后向散射光能量并转化为电信号，输入信号处理模块10，获得回波信号峰的到达时刻；
信号处理模块10将回波信号峰的到达时刻与激光脉冲出射时刻作差，得到激光脉冲的飞行时间，从而获得目标距离图像。
本发明的有益效果：本发明创新地在空间分布的新维度上滤除云雾复杂环境中后向散射同波长噪声，利用返回的激光光束中信号光为阵列环状空间分布特征、后向散射噪声为阵列高斯空间分布特征的差异，实现云雾复杂环境下回波信噪比小于1的超经典探测极限量子探测成像。
通常所说的云雾能见度是一个平均概念，将云雾看作均匀的介质的前提下定义了云雾能见度。实际上，云雾在目标场景的横截面上各点分布是不均匀的，成像各点的云雾透射率有区别，因此上述过程中各点估计出的云雾“能见度”同样是不均匀的，使得生成的阵列滤噪环是各点宽度不一致的阵列环。本发明系统的阵列滤噪环能够实现各点环宽的自适应选择，在不均匀的云雾环境下同样能够获取目标场景中各点高精度距离像。
附图说明
图1是本发明所述阵列轨道角动量穿云透雾量子探测成像系统的结构示意图；
图2是阵列轨道角动量量子调控发射示意图，其中图2(a)为量子调制空间相位图，图2(b)为阵列环状中空光束；
图3是分选后向散射噪声及回波信号示意图，其中图3(a)为后向散射噪声，图3(b)为回波信号；
图4是阵列滤噪环示意图。
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它实施例，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。
具体实施方式一：下面结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式所述阵列轨道角动量穿云透雾量子探测成像系统，包括激光发送装置，用于发射阵列轨道角动量激光信号至云雾环境内的目标；所述阵列轨道角动量激光信号为阵列环状空间分布，阵列中的元素为中间暗四周亮的环形光斑；
激光接收装置，用于接收目标返回的能量信号，所述能量信号为阵列式结构，且包括阵列轨道角动量光束回波信号和后向散射噪声两类信息，阵列轨道角动量光束回波信号光强为阵列环状空间分布，云雾后向散射噪声的光强空间分布为阵列高斯分布的特征；
激光接收装置利用阵列滤噪环对能量信号进行分选，分选输出阵列轨道角动量光束回波信号和高斯分布的后向散射噪声两类信息，阵列中每个元素分选出的回波信号用于获取目标距离，阵列中每个元素分选出的后向散射噪声用于获取该元素对应位置云雾能见度，所述每个元素获取的云雾能见度用于调整阵列滤噪环中对应元素的环宽。
参见图1，激光发射装置包括激光器1、信号同步模块2、阵列轨道角动量调制模块3和发射光学系统4；
激光器1产生脉冲激光信号，出射激光信号分成两部分，一部分进入信号同步模块2用于标记脉冲激光的出射时刻以获得目标距离，另一部分进入阵列轨道角动量调制模块3，将出射激光光束调控成为具有阵列环状光强空间分布特征的激光光束，然后经过发射光学系统4准直后照射到云雾复杂环境中的待测目标5，经过云雾往返传输和目标漫射返回的激光能量信号进入激光接收装置。
激光接收装置包括接收光学系统6、DMD数字微镜阵列7、APD阵列探测器8、点探测器9和信号处理模块10；
接收光学系统6接收云雾环境内的目标反射的阵列式结构能量信号并投射到处于接收光学系统后焦面上的DMD数字微镜阵列7表面，该阵列每个元素包括环状光斑及光斑区域内的圆形光束，DMD数字微镜阵列上加载阵列滤噪环，其环宽与能量信号中的回波信号光的阵列环状光强空间分布相匹配；阵列滤噪环将能量信号中具有阵列环状光强空间分布特征的光能量筛选后偏折到APD阵列探测器8表面，该部分光能量为目标反射的激光能量，APD阵列探测器8响应该部分激光能量转化为电信号，输入信号处理模块10获得目标距离图像；
DMD数字微镜阵列7将返回的能量信号中呈阵列高斯分布特征的光能量偏折到点探测器9，该部分光能量为云雾散射产生的后向散射光能量，点探测器9响应后向散射光能量并转化为电信号，输入信号处理模块10，信号处理模块10根据出射激光能量和后向散射光能量估计阵列每个元素对应的云雾能见度。
DMD加载的阵列滤噪环上每一个阵列元素的组成为：圆环(图2b中亮的部分)及其周围的不透光区域(图2b中黑色部分)，对应目标场景的每一个目标点，每一个目标点的回波信号由对应的圆环单元实现信号和噪声的筛选。对于任一个目标点，在DMD上对应的圆环单元将回波信号中具有环状中空特征的光能量偏折到APD阵列探测器8上，作为信号进行探测；滤噪环将回波信号中除开环状中空特征信号部分的光能量偏折到点探测器上，该部分作为云雾散射引起的后向散射噪声，测量并记录其功率，在已知发射功率的前提下(在系统搭建完成时就进行定标)可以实现云雾能见度的估计。阵列滤噪环上各个元素进行相同的处理，即可实现目标场景中各点的云雾能见度的估计。
具体的，阵列滤噪环为m×n阵列，阵列每个元素均为一个环形结构的滤噪环，所有元素滤噪环的初始环宽相等，进行测量获取目标场景各点的云雾能见度作为下一次测量时云雾能见度估计值；
在上一次测量结束后，利用目标场景各点云雾能见度估计值与最佳环宽选择经验数据库进行比对，得到不同目标点的滤噪环环宽，然后根据各点的环宽在DMD上加载对应的宽度的滤噪环。
最佳环宽选择经验数据库通过仿真实验获得，其获取过程：通过对常见场景下云雾能见度建模，比较研究不同云雾能见度下不同宽度滤噪环对后向散射噪声的滤除前后的信噪比提升，选择不同能见度条件下信噪比提升最大的滤噪环环宽作为最佳环宽，从而建立云雾能见度与滤噪环最佳环宽对应关系的数据库。
调节每个元素的滤噪环呈现最佳环宽。云雾能见度对激光的后向散射和吸收衰减的程度都有影响，对于后向散射光，云雾能见度越低，云雾的后向散射效应越强，后向散射光的空间分布越趋向类高斯分布；对于从目标表面返回的环状中空信号，云雾能见度越低，环状中空光信号的功率越低。两个因素的共同影响下，使得滤噪环存在一个最佳环宽，利用该环宽的滤噪环筛选信号，能够滤除最多的后向散射噪声，同时尽可能地多保留从目标返回的信号，实现对目标的测量。
回到接收系统的能量信号包括两种，一种是目标反射的、用于计算目标距离的有效信号，它是穿过云雾被目标反射的信号，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。另一种是云雾后向散射的信号，这个是噪声。鉴于云雾的不均匀性，返回信号采用阵列方式，分别计算每个元素的能见度，对应目标场景的每一个目标点，在探测时，每个阵列元素都会筛选出回波信号和后向散射噪声，因此每个目标点都需要加载一个滤噪环，只是不同目标点的环宽有区别。通过估计的云雾能见度与经验数据库相匹配，得到当前环境下最佳滤噪环环宽，生成控制信号发送给DMD数字微镜阵列调控阵列滤噪环，在下一个激光脉冲周期内获得最佳后向散射噪声滤除效果，实现探测信噪比最优提升。
本实施方式系统以阵列轨道角动量量子调控为基础，利用阵列轨道角动量光束与目标作用的回波信号和其与云雾作用形成的后向散射噪声的空间分布具有差异的特征，在空间分布的新维度上滤除云雾散射环境中同波长后向散射噪声，实现信噪比超越经典探测极限的量子探测成像。
具体实施方式二、本实施方式对实施方式一作进一步限定。
目标距离的获取过程：
激光器1出射激光信号进入信号同步模块2标记激光脉冲出射时刻；
点探测器9响应后向散射光能量并转化为电信号，输入信号处理模块10，获得回波信号峰的到达时刻；
信号处理模块10将回波信号峰的到达时刻与激光脉冲出射时刻作差，得到激光脉冲的飞行时间，从而获得目标距离图像。
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它所述实施例中。
Claims (5)
1.阵列轨道角动量穿云透雾量子探测成像系统，其特征在于，包括激光发送装置，用于发射阵列轨道角动量激光信号至云雾环境内的目标；所述阵列轨道角动量激光信号为阵列环状空间分布，阵列中的元素为中间暗四周亮的环形光斑；
激光接收装置，用于接收目标返回的能量信号，所述能量信号为阵列式结构，且包括阵列轨道角动量光束回波信号和后向散射噪声两类信息，阵列轨道角动量光束回波信号光强为阵列环状空间分布，云雾后向散射噪声的光强空间分布为阵列高斯分布的特征；
激光接收装置利用阵列滤噪环对能量信号进行分选，分选输出阵列轨道角动量光束回波信号和高斯分布的后向散射噪声两类信息，阵列中每个元素分选出的回波信号用于获取目标距离，阵列中每个元素分选出的后向散射噪声用于获取该元素对应位置云雾能见度，所述每个元素获取的云雾能见度用于调整阵列滤噪环中对应元素的环宽；
所述阵列滤噪环为m×n阵列，阵列每个元素均为一个环形结构的滤噪环，所有元素滤噪环的初始环宽相等，进行测量获取目标场景各点的云雾能见度作为下一次测量时云雾能见度估计值；
在上一次测量结束后，利用目标场景各点云雾能见度估计值与最佳环宽选择经验数据库进行比对，得到不同目标点的滤噪环环宽，然后根据各点的环宽在DMD上加载对应的宽度的滤噪环，生成各点滤噪环的环宽不同的阵列环作为阵列滤噪环，所述阵列滤噪环为各点环宽的自适应选择，根据阵列滤噪环获取不均匀云雾环境下目标场景中各点距离像。
2.根据权利要求1所述阵列轨道角动量穿云透雾量子探测成像系统，其特征在于，最佳环宽选择经验数据库通过仿真实验获得，其获取过程：通过对常见场景下云雾能见度建模，比较研究不同云雾能见度下不同宽度滤噪环对后向散射噪声的滤除前后的信噪比提升，选择不同能见度条件下信噪比提升最大的滤噪环环宽作为最佳环宽，从而建立云雾能见度与滤噪环最佳环宽对应关系的数据库。
3.根据权利要求1所述阵列轨道角动量穿云透雾量子探测成像系统，其特征在于，激光接收装置包括接收光学系统(6)、DMD数字微镜阵列(7)、APD阵列探测器(8)、点探测器(9)和信号处理模块(10)；
接收光学系统(6)接收云雾环境内的目标反射的阵列式结构能量信号并投射到处于接收光学系统后焦面上的DMD数字微镜阵列(7)表面，该阵列每个元素包括环状光斑及光斑区域内的圆形光束，DMD数字微镜阵列上加载阵列滤噪环，其环宽与能量信号中的回波信号光的阵列环状光强空间分布相匹配；阵列滤噪环将能量信号中具有阵列环状光强空间分布特征的光能量筛选后偏折到APD阵列探测器(8)表面，该部分光能量为目标反射的激光能量，APD阵列探测器(8)响应该部分激光能量转化为电信号，输入信号处理模块(10)获得目标距离图像；
DMD数字微镜阵列(7)将返回的能量信号中呈阵列高斯分布特征的光能量偏折到点探测器(9)，该部分光能量为云雾散射产生的后向散射光能量，点探测器(9)响应后向散射光能量并转化为电信号，输入信号处理模块(10)，信号处理模块(10)根据出射激光能量和后向散射光能量估计阵列每个元素对应的云雾能见度。
4.根据权利要求3所述阵列轨道角动量穿云透雾量子探测成像系统，其特征在于，激光发射装置包括激光器(1)、信号同步模块(2)、阵列轨道角动量调制模块(3)和发射光学系统(4)；
激光器(1)产生脉冲激光信号，出射激光信号分成两部分，一部分进入信号同步模块(2)用于标记脉冲激光的出射时刻以获得目标距离，另一部分进入阵列轨道角动量调制模块(3)，将出射激光光束调控成为具有阵列环状光强空间分布特征的激光光束，然后经过发射光学系统(4)准直后照射到云雾复杂环境中的目标(5)，经过云雾往返传输和目标漫射返回的激光能量信号进入激光接收装置。
5.根据权利要求4所述阵列轨道角动量穿云透雾量子探测成像系统，其特征在于，目标距离的获取过程：
激光器(1)出射激光信号进入信号同步模块(2)标记激光脉冲出射时刻；
点探测器(9)响应后向散射光能量并转化为电信号，输入信号处理模块(10)，获得回波信号峰的到达时刻；
信号处理模块(10)将回波信号峰的到达时刻与激光脉冲出射时刻作差，得到激光脉冲的飞行时间，从而获得目标距离图像。
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