CN116337225B - 基于涡旋光的提高光电信号探测信噪比的方法及实验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于涡旋光的提高光电信号探测信噪比的方法，包括步骤：将混叠的信号光和非信号光通过光路进行调制，形成圆环形的信号光和圆点形的非信号光；确定几何中心坐标和总体探测范围，并计算总体探测范围内每一点与中心坐标的距离，并将光强分布转换为极坐标形式；分别输入信号光或者非信号光，根据极坐标得到相应光强分布函数和光强；计算信噪比，遍历所有可能的信号通道内径r1和外径r2取值组合，得到r1，r2与信噪比的关系图；选择不低于阈值的信噪比，并根据该关系图中对应的r1、r2的取值范围选择或者调节光路中相应的光学器件。本发明通过信号通道内径与外径的优化算法，可以针对不同光学系统进行信噪比优化设计。
Description
技术领域
本发明涉及激光遥感和激光通信领域，尤其涉及一种基于涡旋光的提高探测信噪比的方法及实验装置。
背景技术
在激光遥感，激光通信技术的发展中，提升探测信噪比以提高探测精度是其中的关键。特别是在强背景光（阳光）或强散射介质（水、雾霾）情况下，非相干的背景光和多次散射光会降低信号的时间和空间分辨率，使得探测精度下降，甚至于完全丢失目标信息。
传统的去除背景光和多次散射光的方法主要利用距离选通、窄带滤波、偏振、小视场角等技术。这些技术对于距离选通范围内、波长通带范围内、同一偏振态、视场角范围内的背景光和多次散射光难以奏效。
利用光的相干性对相干光（信号光）和非相干光（背景光、多次散射光）进行空间分离，为提升探测信噪比提供了一个全新的维度。涡旋光则是实现的一种具体形式。涡旋光的独特光量子性质决定了它是一种具备特殊结构的光束，涡旋光的中心区域是一个光强为零的光学奇点，涡旋光的能量分布于圆环区域。暗心区域的大小与涡旋光的级数相关。
产生涡旋光的方式有多种，包括光场调制器或者光学全息等方法。利用这些方法可以产生标量涡旋光束或矢量涡旋光束。其中标量涡旋光束具备螺旋相位波前，携带轨道角动量（OAM）；在同一波前截面上，矢量涡旋光束的偏振方向随位置发生改变。它们的共同点是入射光须具备相干性才能形成涡旋光。
目前基于涡旋光的，利用光的相干性来提升光电探测信噪比的技术，一般将非相干光的信号作为一个均匀的背景扣除。虽然这种方法能在一定程度上提升信噪比，但是非相干光和相干光仍然存在空间上的混叠。
此外，在发明人之前的论文中，实现了相干光和非相干光的空间分离，但是没有讨论其与信噪比之间的关系，也没有找到优化信噪比的方法。
发明内容
本发明主要目的在于提供一种基于涡旋光的提高光电信号探测信噪比的方法及实验装置。
本发明所采用的技术方案是：
提供一种基于涡旋光的提高光电信号探测信噪比的方法，包括以下步骤：
S1、将混叠在一起的信号光和非信号光通过光路进行涡旋调制，使两者空间分离，形成圆环形的位于信号通道内的信号光和圆点形的位于非信号通道内的非信号光，但几何中心重合；
S2、确定几何中心坐标和总体探测范围，并计算总体探测范围内每一点与中心坐标的距离，并将光强分布转换为极坐标形式；
S3、仅输入信号光，根据转化为极坐标形式的信号光光强分布函数，计算信号通道内的信号光的光强/>；仅输入非信号光，根据转化为极坐标形式的非信号光光强分布函数/>，计算信号通道内的非信号光的光强/>；其中信号通道的内径r1、外径r2满足/>，L为总体探测范围的半径；
S4、计算信噪比，遍历所有可能的r1，r2取值组合，得到r1，r2与SNR的关系图；
S5、选择不低于阈值的信噪比，并根据该关系图中对应的内径r1、外径r2的取值范围选择或者调节光路中相应的光学器件。
接上述技术方案，信号光为相干光，非信号光为包括背景光或者多次散射光的非相干光。
光路采用光场调制器或者光学全息的方法产生涡旋光，其中光调制器包括涡旋波片、螺旋相位片、Q片或者S片。
接上述技术方案，若通过在光路中加入涡旋波片产生涡旋光，在光路系统中光学器件焦距不变的情况下，通过调节涡旋波片的级数改变高于信噪比阈值的对应的内径r1、外径r2的取值范围。
接上述技术方案，若通过在光路中加入涡旋波片产生涡旋光，在光路系统中涡旋波片级数不变的情况下，通过调节光学器件的焦距改变高于信噪比阈值的对应的内径r1、外径r2的取值范围。
本发明还提供一种基于涡旋光的提高光电信号探测信噪比的实验装置，该实验装置用于实现上述技术方案所述的基于涡旋光的提高光电信号探测信噪比的方法，该实验装置包括：
激光器，用于产生相干的信号光；
反射镜，用于改变光路；
扩束镜，用于将经过反射镜的激光进行扩束，使得光束的大小与涡旋波片的有效面积相匹配；
衰减片，用于调节激光的强度与非信号光强度的比例；
非相干光源，用于产生非信号光；
合束镜，用于将信号光与非信号光合为一束；
缩束透镜组，用于将合束光进行缩束；
光场调制器，用于将经过缩束后的光调制为涡旋光；
成像透镜，用于光束的成像；
面阵探测器，用于探测信号光和非信号光的空间分布。
接上述技术方案，缩束透镜组依次包括同光轴的第一凸透镜、视场光阑和第二凸透镜。
接上述技术方案，通过改变衰减片的衰减比例调节激光的强度。
接上述技术方案，在成像透镜焦距不变的情况下，选择不同级数的涡旋波片进行实验。
接上述技术方案，在涡旋波片级数不变的情况下，选择不同焦距的成像透镜进行实验。
接上述技术方案，非信号光源选用非相干的卤素灯。
本发明产生的有益效果是：本发明以光的相干性作为区分条件，以涡旋光的特殊光强分布模式作为载体，实现了相干光（光环）与非相干光（光点）的空间分离，并提出了信号通道内径与外径的优化算法，根据相干光和非相干的光强分布函数计算信噪比，从而找到信号通道内外径与信噪比之间的关系图，再根据该关系图中所要选定信噪比所对应的内外径，通过挑选与内外径相关的光学器件及相应的参数，最终提高整个光学系统的信噪比，从而可以针对不同接收光学系统进行信噪比优化设计。本发明在激光遥感、激光通信等领域存在重大的应用前景。
进一步地，通过在成像透镜焦距不变的情况下，选择不同级数的涡旋波片进行实验，或者在涡旋波片级数不变的情况下，选择不同焦距的成像透镜进行实验，最终通过横向和纵向比较可以得到较为理想的系统信噪比。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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是本发明实施例基于涡旋光的提高光电信号探测信噪比的方法流程图一；
图2是本发明实施例基于涡旋光的提高光电信号探测信噪比的方法流程图二；
图3是本发明实施例涡旋波片级数L=128，光阑直径200μm，成像透镜焦距200mm时，同时输入激光和卤素灯光的成像结果示意图；
图4（a）是本发明实施例基于涡旋波片的提高光电信号探测信噪比的实验装置结构示意图；
图4（b）是本发明实施例基于空间光调制器的提高光电信号探测信噪比的实验装置结构示意图；
图5是本发明实施例选择光阑直径200μm，涡旋波片级数L=32，64，128；成像透镜焦距为150mm，200mm，250mm时的SNR与内外径的关系图；其中纵向为当保持成像透镜焦距不变时，不同涡旋波片级数下的内外径与信噪比关系图；横向为相同涡旋波片级数时，改变成像透镜焦距下的内外径与信噪比关系图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
激光可以产生具备良好相干性的高斯光束，激光在强散射介质中传输时，由于发生多次散射会使得部分激光的相干性被破坏而产生非相干光，同时环境中的背景光也是非相干光的来源之一。此时，在光学接收系统中，相干光和非相干光存在空间混叠现象。对接收到的混叠在一起的相干光和非相干光可以先进行涡旋调制（包括涡旋波片，空间光调制器，螺旋相位片等方式）后，再使用透镜聚焦以实现相干光和非相干光的空间分离，即相干光汇聚成环位于信号通道内，非相干光汇聚成点位于非信号通道内。该方法在发明人的论文“Separation of coherent and incoherent light by using optical vortex viaspatial mode projection；Xiang Li, Xuan Wang, Yang Yi , Yifan Zhou, QianyuanChen, Anzhou Wang, Song Mao, Yuqi Yan; Optics Communications 527 (2023)128986”有详细的描述。但是该论文仅仅实现了相干光和非相干光的空间分离，但没有找到优化信噪比的方法。本发明针对于不同光学系统的选择机制，通过改变系统中的调制级数，成像透镜焦距，视场光阑孔径等参数，得到不同情况下信号通道内径r1,外径r2与SNR的关系图，可寻找出最优的取值范围。本发明不仅让相干光和非相干光更好地分离，还可以进一步提高光电探测信噪比，因此本发明的目的就是为了探究信号通道内径r1，外径r2与信噪比的关系，与空间分离效果的关系。本发明所说的涡旋光的定义：中心存在光强为零的光学奇点的光束。
如图3所示，当同时输入信号光（相干光）和非信号光（非相干光）后，信号光形成圆环，非信号光形成光点。在实现了相干光（光环）与非相干光（光点）的空间分离后，将探测区域划分为了信号通道和非信号通道。信号通道定义为，非信号通道定义为。将r1，r2称为信号通道的内径和外径，需满足/>，L是总体探测区域的半径。
本发明的基于涡旋光的提高光电信号探测信噪比的方法，如图1、2所示，主要包括以下步骤：
S1、将混叠在一起的信号光和非信号光通过光路进行涡旋调制，使两者空间分离，形成圆环形的位于信号通道内的信号光和圆点形的位于非信号通道内的非信号光，但几何中心重合；
S2、确定几何中心坐标和总体探测范围，并计算总体探测范围内每一点与中心坐标的距离，并将光强分布转换为极坐标形式；
S3、仅输入信号光，根据转化为极坐标形式的信号光光强分布函数，计算信号通道内的信号光的光强/>；仅输入非信号光，根据转化为极坐标形式的非信号光光强分布函数/>，计算信号通道内的非信号光的光强/>；其中信号通道的内径r1、外径r2满足/>，L为总体探测范围的半径；
S4、计算信噪比，遍历所有可能的r1，r2取值组合，得到r1，r2与SNR的关系图；
S5、选择不低于阈值的信噪比，并根据该关系图中对应的r1、r2的取值范围选择或者调节光路中相应的光学器件。
进一步地，产生涡旋光束的方法有多种，例如光调制器或者光学全息（Holography）的方法产生涡旋光，其中光场调制器包括但不限于涡旋波片（VortexRetarder）、空间光调制器（Spatial Light Modulator）、螺旋相位片（Spiral PhasePlate）、Q片（Q Plate）、S片（S Plate）等。
若通过在光路中加入涡旋波片、螺旋相位片、Q片或者S片产生涡旋光，则通过调节相应片的级数改变高于信噪比阈值的对应的内径r1、外径r2的取值范围，从而提高信噪比。
进一步地，若通过在光路中加入涡旋波片、螺旋相位片、Q片或者S片产生涡旋光，则在光路中相应片级数不变的情况下，通过调节光学器件的焦距改变高于信噪比阈值的对应的内径r1、外径r2的取值范围，从而提高信噪比。
上述实施例的方法可以很好地应用在各个基于涡旋光技术的领域，比如脉冲激光雷达中，通过上述提高信噪比的方法所计算出来的信号通道内外径与信噪比的关系，在产品研发之前就可以确定并优化光学器件的参数，使得探测效果更接近提高探测信噪比的情形，从而缩减产品研发时间，提高产品的探测能力。
为了实现上述实施例的方法，在实验室条件下，可用激光模拟相干光，用背景灯（如卤素灯）模拟非相干光。如图4（a）所示，该实施例基于涡旋波片的提高光电信号探测信噪比的实验装置，其包括激光器、反射镜、扩束镜、衰减片、非相干光源、合束镜、缩束透镜组（L1+光阑+L2）、涡旋波片、成像透镜（L3）、准直透镜L4以及面阵探测器（如CCD探测器）。
其中，激光器，用于产生相干光；反射镜，用于改变光路；扩束镜，用于将经过反射镜的激光进行扩束，使得光束的大小与涡旋波片的有效面积相匹配；衰减片，用于调节激光的强度与非信号光强度的比例；非相干光源，用于产生非相干光，如可选用背景灯；合束镜，用于将相干光与非相干光合为一束；缩束透镜组，用于将合束光进行缩束；涡旋波片，用于将经过缩束后的调制为涡旋光；成像透镜，用于光束的成像；该实施例中涡旋波片（VortexRetarder）是基于玻璃基底和液晶聚合物（Liquid Crystal Polymers，LCP）材料制成的。涡旋波片具有偏振相关的光学特性，根据入射光束偏振态的不同，可用于生成标量涡旋光束或矢量涡旋光束，相较于传统的光场调控方式，涡旋波片具有高效稳定、操作简易、功能专一的优势。准直透镜L4用于准直非相干光。面阵探测器用于记录光强分布。其分辨率为2048X2048，像素间距为5.5μm。
本发明采用涡旋波片产生涡旋光，其具有光路透射式、高效稳定、易于调节、性价比高的优点，其真零级特点也帮助实现了较低的波长敏感性、较高的温度稳定性和较大的入射角范围，适合于使用在激光雷达系统中。
在本发明中，综合考虑了信号通道内径r1和外径r2的取值对SNR的影响，并制定了相应的选择机制。
在光路系统中光学器件焦距不变的情况下，若通过在光路中加入涡旋波片、螺旋相位片、Q片或者S片产生涡旋光，则通过调节相应片的级数改变内径r1、外径r2，提高信噪比；若通过空间光调制器产生涡旋光，则通过改变加载的相位信息，提高信噪比；若通过光学全息的方法产生涡旋光，则通过改变加载的相位信息来提高信噪比。
若通过在光路中加入涡旋波片、螺旋相位片、Q片或者S片产生涡旋光，则在光路中相应片级数不变的情况下，通过调节光学器件的焦距改变高于信噪比阈值的对应的内径r1、外径r2的取值范围，来提高信噪比。
图3所示，为涡旋波片级数L=128，光阑直径200μm时，同时输入激光和卤素灯光的成像结果图。
如图4（a）所示，本发明的一较佳实施例中，激光器输出激光波长为532nm，输出功率0.1W，发散角0.15mrad，反射镜用于改变光路，扩束镜的放大倍数是5倍，衰减片可以调节激光的强度与非信号光强度的比例。卤素灯用于模拟非相干光。通过合束镜将激光光束与卤素灯光束合为一束。L1和L2是缩束透镜组的两个凸透镜，其尺寸和焦距分别为2英寸，150mm和1英寸，50mm。缩束透镜组还包括视场光阑，置于两个凸透镜L1和L2之间。准直透镜L4的焦距是150mm。视场光阑的大小为100μm、200μm和300μm时分别进行了实验。涡旋光的级数为32、64、128时分别进行了实验。成像透镜L3焦距为50-400mm不同值时分别进行了实验。
如图4（b）所示，本发明的另一较佳实施例的实验装置基于空间光调制器产生涡旋光。相干光由全固态主动调Q的532nm激光器产生, 输出功率0.38W，发散角0.23mrad。非相干光由功率20W的卤素灯产生，并准直为平行光。在该光学系统中，激光器发出的是准高斯光束，并通过放大倍数为5倍的扩束镜。然后激光和卤素灯光通过非偏振（Non-Polarizing）合束镜合为一束混叠光。一个可调圆形光阑被用于限制入射的混叠光的直径，使得其能恰好充满空间光调制器（Hamamatsu,LCOS-SLM X13138）的有效面积。空间光调制器的分辨率是1072X1024，像素尺寸是12.5μm。该空间光调制器是一种电致反射式相位空间光调制器，由一个液晶屏幕和一个控制器组成。调制相位信息由计算机软件获得，然后发送到空间光调制器的控制器上，控制器再将相位图信息转换到液晶屏幕上。液晶分子矩阵根据相位图信息，由电压控制倾斜的角度，进而改变光程，以改变反射光的相位。一个8-bit的相位图可转换成由256级灰度值组成的图像，模拟0-2π的相位。面阵探测器用于记录光强分布，其分辨率为2048X2048，像素间距为5.5μm。衰减片（中性密度滤光片）用于衰减激光光束的强度。半波片用于调整激光的偏振方向与空间光调制器相匹配。L1是准直透镜，其焦距均为150mm。L3是成像透镜，其焦距为150mm。
如图5所示，是基于图4（a）涡旋波片调制的实验装置中，光阑直径100μm，涡旋波片的级数为32、64、128，成像透镜焦距为150mm，200mm，250mm时的信噪比SNR与信号通道内径、外径的关系图。通过对比图5中(a)(b)(c)和 (d)(e)(f)，当保持涡旋波片级数不变时，成像透镜的焦距为200mm时信噪比结果最优。通过对比图5中的(a)(d)、(b)(e)、(c)(f)，当保持成像透镜的焦距不变时，涡旋片级数L越大信噪比效果越好。由于制备工艺限制，本实施例中取L=128。
通过上述基于涡旋光的提高光电信号探测信噪比的实验装置可以控制输入光的状态，即仅输入信号光、仅输入非信号光、同时输入信号光和非信号光这三种情况。仅输入信号光时，可以获取信号光数据；仅输入非信号光时，可以获取非信号光数据。通过光路的调节，使得信号光信号和非信号光信号的几何中心重合，确定中心坐标（X0,Y0）。选取总体探测范围半径L，即仅考虑范围内的数据，而将其他数据（电噪声）舍弃。计算总体探测范围内的每一点与中心坐标的距离，将光强分布转换为极坐标形式。仅输入信号光时，计算信号光强分布函数/>，即单位长度的光强。例如/>为/>范围内的光强。同理，计算非信号光强分布函数/>。仅输入信号光时，计算信号通道内的信号光强。仅输入非信号光时，计算信号通道内的非信号光强/>。
为了优化信号通道内的探测信噪比（SNR），可定义其表达式为。遍历所有可能的r1，r2取值组合（/>），可以得到r1，r2与SNR的关系图，如图5所示。横坐标为外径r2，纵坐标为内径r1，灰度值代表SNR值的大小，星号标志代表SNR的极大值处。对于不同的涡旋光级数，相同的成像透镜焦距，涡旋光级数越大SNR越大。这是因为涡旋光的暗心区域直径与涡旋级数成正比。对于相同的涡旋级数，存在一个最佳的成像透镜焦距，该透镜焦距与接收光学系统中的光阑大小，激光器发散角，激光光斑大小等参数均相关，需要通过实验的方法确定其值。
综合以上，本发明提出了一种基于涡旋光的提高光电信号探测信噪比的方法，该方法以光的相干性作为区分条件，以涡旋光的特殊光强分布模式作为载体，实现了相干光（光环）与非相干光（光点）的空间分离，在激光遥感、激光通信等方面存在重大的应用前景。在此基础上，所提出的信号通道内径与外径的优化算法，可以针对不同接收光学系统进行信噪比优化设计。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于涡旋光的提高光电信号探测信噪比的方法，其特征在于，该方法用于光学接收系统中，包括以下步骤：
S1、将混叠在一起的信号光和非信号光通过光路进行涡旋调制，使两者空间分离，形成圆环形的位于信号通道内的信号光和圆点形的位于非信号通道内的非信号光，但几何中心重合；
S2、确定几何中心坐标和总体探测范围，并计算总体探测范围内每一点与中心坐标的距离，并将光强分布转换为极坐标形式；
S3、仅输入信号光，根据转化为极坐标形式的信号光光强分布函数，计算信号通道内的信号光的光强/>；仅输入非信号光，根据转化为极坐标形式的非信号光光强分布函数/>，计算信号通道内的非信号光的光强/>；其中信号通道的内径r1、外径r2满足/>，L为总体探测范围的半径；
S4、计算信噪比，遍历所有可能的r1，r2取值组合，得到r1，r2与SNR的关系图；
S5、选择不低于阈值的信噪比，并根据该关系图中对应的内径r1、外径r2的取值范围选择或者调节光路中相应的光学器件。
2.根据权利要求1所述的基于涡旋光的提高光电信号探测信噪比的方法，其特征在于，信号光为相干光，非信号光为包括背景光或者多次散射光的非相干光。
3.根据权利要求1所述的基于涡旋光的提高光电信号探测信噪比的方法，其特征在于，光路采用光场调制器或者光学全息的方法产生涡旋光，其中光场调制器包括涡旋波片、空间光调制器、螺旋相位片、Q片或者S片。
4.根据权利要求3所述的基于涡旋光的提高光电信号探测信噪比的方法，其特征在于，若通过在光路中加入涡旋波片产生涡旋光，在光路系统中其他光学器件参数不变的情况下，通过调节涡旋波片的级数改变高于信噪比阈值的对应的内径r1、外径r2的取值范围；或者在光路中涡旋波片级数不变的情况下，通过调节光学器件的焦距改变高于信噪比阈值的对应的内径r1、外径r2的取值范围。
5.一种基于涡旋光的提高光电信号探测信噪比的实验装置，其特征在于，该实验装置用于实现权利要求1所述的基于涡旋光的提高光电信号探测信噪比的方法，该实验装置包括：
激光器，用于产生相干的信号光；
反射镜，用于改变光路；
扩束镜，用于将经过反射镜的激光进行扩束，使得光束的大小与涡旋波片的有效面积相匹配；
衰减片，用于调节激光的强度与非信号光强度的比例；
非相干光源，用于产生非信号光；
合束镜，用于将信号光与非信号光合为一束；
缩束透镜组，用于将合束光进行缩束；
光场调制器，用于将经过缩束后的光调制为涡旋光；
成像透镜，用于光束的成像；
面阵探测器，用于探测信号光和非信号光的光强空间分布。
6.根据权利要求5所述的基于涡旋光的提高光电信号探测信噪比的实验装置，其特征在于，缩束透镜组依次包括同光轴的第一凸透镜、视场光阑和第二凸透镜。
7.根据权利要求5所述的基于涡旋光的提高光电信号探测信噪比的实验装置，其特征在于，通过改变缩束透镜组的透镜焦距的比例调节准直后光斑的大小。
8.根据权利要求5所述的基于涡旋光的提高光电信号探测信噪比的实验装置，其特征在于，在成像透镜焦距不变的情况下，选择不同级数的涡旋波片进行实验。
9.根据权利要求5所述的基于涡旋光的提高光电信号探测信噪比的实验装置，其特征在于，在涡旋波片级数不变的情况下，选择不同焦距的成像透镜进行实验。
10.根据权利要求5-9中任一项所述的基于涡旋光的提高光电信号探测信噪比的实验装置，其特征在于，非信号光源选用非相干光源，非相干光源包括卤素灯。
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