CN116540207A - 基于涡旋激光的星载宽视场激光雷达 - Google Patents

基于涡旋激光的星载宽视场激光雷达 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于涡旋激光的星载宽视场激光雷达，该激光雷达搭载于卫星上，对地表或空中目标进行精确定位和成像，采用了高斯‑拉盖尔涡旋激光作为载波，具有高微弱回波信号检测能力，大视场角、大激光足印尺寸、高区域覆盖率，能够对目标进行类型识别等特点；首先根据先验信息或红外探测手段先将目标锁定在一个较大范围内；再采用逐列连续扫描的搜索策略，对该范围内全覆盖扫描搜索并结合目标类型识别能力实现目标的精确成像和识别。

Description

基于涡旋激光的星载宽视场激光雷达
技术领域
本发明涉及星载激光雷达的技术领域，具体地，涉及基于涡旋激光的星载宽视场激光雷达。
背景技术
激光雷达因为有自身具有照射光源，可全天时工作，不受白天黑夜限制，具有载波线宽窄，分辨率和灵敏度高的优势。激光雷达的载波包含幅值、相位、频率等多方面信息，在雷达成像、测风、温室气体、大气环境监测、水下探测、深空探测等诸多领域发挥着越来越大的作用。
星载激光雷达是装载在航天器上的激光雷达，运行在地球大气之外，具有全天候、受大气影响小、观测视野广等独特优势，但由于距离探测目标较远，也有回波信号较弱、视场角较小的缺点。
现有的星载激光雷达主要采用以下两种探测体制：
直接探测体制：采用直接探测体制的星载激光雷达通过调制激光信号的强度开展探测，见附图1。激光发射端发射经调制的激光脉冲信号，并在接收端对激光脉冲回波信号进行接收与处理。由于卫星距离地面距离遥远(一般在百公里量级)，星载激光雷达的回波信号十分微弱，接收端在接收激光回波信号的同时，也接收到大量噪声信号。由于直接探测激光雷达只利用了激光载波的幅值信息，所以抑制背景噪声的能力有限，探测精度较低。
相干探测体制：采用相干探测体制的星载激光雷达不仅调制激光信号强度，同时也调制激光信号相位，接收机利用本振激光加强回波信号，从而抑制噪声信号，见附图2。和直接探测体制相比，相干探测体制能提升接收信噪比，提高对微弱信号的探测能力。
以上两种体制的星载激光雷达均存在着如下问题：
激光视场角、足印直径小，覆盖性能差；星载激光雷达在作用距离、测距精度等系统性能方面有一定优势，但是由于背景光干扰等因素，在发射和接收视场较小的情况下才能发挥作用。在和探测区域的距离固定的情况下，小视场角不可避免地导致激光雷达覆盖性能受限，这将影响其搜索和捕获目标的能力。
现有星载激光雷达视场角、足印尺寸指标如表一所示：
表1现有星载激光雷达视场角、足印尺寸
由表可见，现有的星载激光雷达视场角较小，激光足印尺寸也较小(百米量级)，对较大的目标区域进行探测时只能使用窄视场扫描的方式进行工作，无法进行成像速度快、无距离修正处理、目标清晰的宽视场成像。
微弱回波信号检测能力不足：随着星载激光雷达在更加广阔的领域中获得应用，在某些情境下需要探测距离更远、速度更大的目标，或者需要探测具有低反射率的目标，这将致使回波的信号强度进一步降低。在强背景噪声干扰下，现有激光雷达在这些情境下无法实现微弱回波信号高灵敏度主动探测。即使是现有灵敏度最高，运用了单光子探测技术的激光雷达使用条件也极为苛刻，极易受到包括太阳背景噪声、人为干扰噪声在内的各种噪声影响而无法在白天或复杂环境内应用。
综上所述，亟需发明一种同时具有宽视场(激光足印尺寸宽，覆盖性能高)，和微弱回波信号探测能力强的新型星载激光雷达，具有较强的宽视场成像能力，能够对较大的范围进行探测。
因此，需要提出一种新的技术方案以改善上述技术问题。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于涡旋激光的星载宽视场激光雷达。
根据本发明提供的一种基于涡旋激光的星载宽视场激光雷达，包括种子光源、涡旋调制器、望远镜、涡旋解调器、探测器、数据处理单元；
所述种子光源与涡旋调制器相连接；所述涡旋调制器分别与望远镜与涡旋解调器相连接；所述涡旋解调器与探测器相连接；所述探测器与数据处理单元相连接。
优选地，所述种子光源产生高斯激光，所述种子光源将所述高斯激光发射至涡旋调制器。
优选地，所述涡旋调制器将高斯激光调制为涡旋激光。
优选地，所述望远镜发射涡旋激光和接收探测目标反射涡旋激光产生的回波光信号。
优选地，所述涡旋解调器将回波光信号解涡旋。
优选地，所述探测器对解涡旋后的回波光信号进行成像。
优选地，所述数据处理单元进行最终的数据处理。
优选地，所述激光雷达搭载于卫星上。
优选地，所述种子光源产生高斯激光后经过涡旋调制器后变为涡旋激光，照射到目标后产生回波由望远镜接收后经过涡旋解调器解调后进入探测器成像，最后进行数据处理。
优选地，所述数据处理单元进行成像信息和其他信息分析，完成目标捕获和成像。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明的激光雷达搭载于卫星上，对地表或空中目标进行精确定位和成像，采用了高斯-拉盖尔涡旋激光作为载波，具有高微弱回波信号检测能力，大视场角、大激光足印尺寸、高区域覆盖率，能够对目标进行类型识别等特点；
2、本发明利用涡旋激光开展探测，具有良好的微弱回波信号检测能力，同时具有大视场角、大激光足印、高区域覆盖率的特点；本发明涉及的激光雷达采用涡旋激光作为载波，可采用但不限于高斯-拉盖尔涡旋激光；涡旋激光中包含的相位信息，可使激光雷达能够在低信噪比条件下对回波信号进行分辨，特别是在地球黑体辐射以及太阳光地面反射光作为背景噪声的情况下仍然能分辨回波信号；本发明涉及的激光雷达采用涡旋激光提升了探测信噪比，因此可以在满足传统激光雷达探测信噪比指标的基础上，增大探测视场角、扩大激光足印尺寸。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明直接探测体制星载激光雷达系统框图；
图2为本发明相干探测体制星载激光雷达接收机框图；
图3为本发明涡旋激光雷达系统框图；
图4为本发明不同径向量子数、角量子数的高斯-拉盖尔激光在同一传输距离处的截面相位分布图；
图5为本发明方形目标的涡旋激光回波相位信息图；
图6为三角形目标的涡旋激光回波相位信息图；
图7为本发明圆形目标的涡旋激光回波相位信息图；
图8为本发明单次扫描光斑示意图；
图9为本发明逐列扫描全覆盖示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1：
根据本发明提供的一种基于涡旋激光的星载宽视场激光雷达，包括种子光源、涡旋调制器、望远镜、涡旋解调器、探测器、数据处理单元；种子光源与涡旋调制器相连接；涡旋调制器分别与望远镜与涡旋解调器相连接；涡旋解调器与探测器相连接；探测器与数据处理单元相连接。
种子光源产生高斯激光，种子光源将高斯激光发射至涡旋调制器；旋调制器将高斯激光调制为涡旋激光；远镜发射涡旋激光和接收探测目标反射涡旋激光产生的回波光信号；旋解调器将回波光信号解涡旋；测器对解涡旋后的回波光信号进行成像；据处理单元进行最终的数据处理；光雷达搭载于卫星上；子光源产生高斯激光后经过涡旋调制器后变为涡旋激光，照射到目标后产生回波由望远镜接收后经过涡旋解调器解调后进入探测器成像，最后进行数据处理；数据处理单元进行成像信息和其他信息分析，完成目标捕获和成像。
实施例2
涡旋激光是一种特殊的激光，其具有独特的螺旋相位及轨道角动量特性。普通高斯激光在同一传播距离的截面内光强呈现中心强外侧弱的分布且相位相同，而涡旋激光的光强分布呈环状截面内相位不同。涡旋激光有两项重要参数，径向量子数与角量子数，其中径向量子数影响涡旋激光的平面光强环状分布的环数量，角量子数影响平面相位变化的循环次数。
由于涡旋激光具有的优势，现已在粒子操控、光通信、显微成像、量子信息、测量物体旋转动量等领域。但目前尚无在卫星遥感中应用的涡旋激光应用例。
基于涡旋激光的星载宽视场激光雷达搭载于太阳同步轨道(极轨)卫星；一种基于涡旋激光的星载宽视场激光雷达，包含种子光源、涡旋调制器、望远镜、涡旋解调器、探测器、数据处理单元，系统框图如附图3所示。
涡旋调制器和涡旋解调器将输出激光雕制为涡旋激光，并将回波信号解涡旋成像。
利用涡旋激光包含规律的相位信息(如附图4所示)的特性能将最低可分辨信噪比下降至少但不限于两个数量级，本发明涉及的一种基于涡旋激光的星载激光雷达可在地球自发辐射，太阳光地面反射、大气散射等背景光辐射的干扰下有效开展回波信号检测，即本发明的一种基于涡旋激光的星载激光雷达可全天时开展工作。
由于对信噪比的要求降低，所以本发明设计的一种天基涡旋激光雷达可以在保证回波信号分辨能力的基础上增大视场角和激光足印范围；涡旋激光本身中携带规律的相位信息，再经不同外形目标的调制(反射、衍射)后，回波信号中携带有目标形状特征的信息，故可通过分析回波的相位信息特性对目标进行外形类型识别，以几种特殊外形的目标为例，回波相位信息如附图5所示；本发明所涉及的一种星载激光雷达利用了这种方法对目标进行外形类型识别；对存在于目标潜在范围中的目标进行捕获时，利用涡旋激光雷达产生涡旋激光，采用但不限于逐列连续扫描的搜索策略，对该范围内全覆盖扫描搜索，如图8和图9所示，涡旋激光照射至目标上反射接收回波信号，结合目标类型识别能力实现目标的精确成像和识别；单次扫描工作流程如下，种子光源产生的普通高斯激光后经过涡旋调制器后变为涡旋激光，照射到目标后产生回波由望远镜接收后经过涡旋解调器解调后进入探测器成像，最后进行数据处理。
本实施例基于对于一个假象的约为50m×50m尺寸的目标的定位过程，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
参考附图3所示，本发明提供一种基于涡旋激光的星载宽视场激光雷达，包含种子光源、涡旋调制器、望远镜、涡旋解调器、探测器、数据处理单元。
先验信息或红外探测手段确定目标存在于一个100km×100km的区域内，称这个区域为目标潜在区间；所述种子光源产生普通高斯激光；普通高斯激光在所述涡旋调制器调制后变为涡旋激光；涡旋激光从所述望远镜发出向目标潜在区间照射；单次扫描为一半径2.5km的圆形视场涡旋激光脉冲信号；对整个目标潜在区间采用但不限于逐列连续扫描的搜索策略进行全覆盖扫描；涡旋激光照射至目标上发生反射并由所述望远镜接收到回波信号；回波经过所述涡旋解调器后解涡旋；解涡旋后的回波信号在所述探测器成像；在所述数据处理单元进行成像信息和其他信息分析，完成目标捕获和成像。
一种基于涡旋激光的星载宽视场激光雷达技术方案，该激光雷达搭载于卫星上，由种子光源、涡旋调制器、望远镜、涡旋解调器、探测器、数据处理单元构成，其中，所述种子光源用于产生高斯激光，并将所述高斯激光发射至涡旋调制器；所述涡旋调制器用于将高斯激光调制为涡旋激光；所述望远镜用于发射涡旋激光和接收探测目标反射涡旋激光产生的回波光信号；所述涡旋解调器用于将回波光信号解涡旋；所述探测器用于解涡旋后的回波光信号的成像；所述数据处理单元用于最终的数据处理。
基于涡旋激光的星载激光雷达系统利用涡旋激光开展探测，具有良好的微弱回波信号检测能力，同时具有大视场角、大激光足印、高区域覆盖率的特点。
本发明技术方案涉及的激光雷达采用涡旋激光作为载波，可采用但不限于高斯-拉盖尔涡旋激光。涡旋激光中包含的相位信息，可使激光雷达能够在低信噪比条件下对回波信号进行分辨，特别是在地球黑体辐射以及太阳光地面反射光作为背景噪声的情况下仍然能分辨回波信号。
本发明涉及的激光雷达采用涡旋激光提升了探测信噪比，因此可以在满足传统激光雷达探测信噪比指标的基础上，增大探测视场角、扩大激光足印尺寸。
基于涡旋激光的星载激光雷达系统具有宽视场下目标成像与定位功能。由于涡旋激光雷达的高微弱信号分辨能力，视场角和足印尺寸都比传统激光雷达大，单次扫描可覆盖整个目标，对其整体进行定位与成像。
基于涡旋激光的星载激光雷达系统具有但不限于此的涡旋激光环形光斑全覆盖扫描策略，按此方法进行扫描可实现区域全覆盖，如附图2所示，列内扫描间距dr，列间距离dc如下方程所示,式中R和r分别为光斑内外直径：
基于涡旋激光的星载激光雷达系统具有目标类型识别功能。本发明涉及的激光雷达采用涡旋激光作为载波，在经过不同外形目标的反射后的回波的相位信息呈现出特异化的形态特征，可以通过分析回波中的相位信息来确定单次扫描中包含物体的外形类型，以此有效排除非目标同类别物体的干扰。
本领域技术人员可以将本实施例理解为实施例1的更为具体的说明。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种基于涡旋激光的星载宽视场激光雷达，其特征在于，包括种子光源、涡旋调制器、望远镜、涡旋解调器、探测器、数据处理单元；
所述种子光源与涡旋调制器相连接；所述涡旋调制器分别与望远镜与涡旋解调器相连接；所述涡旋解调器与探测器相连接；所述探测器与数据处理单元相连接。
2.根据权利要求1所述的基于涡旋激光的星载宽视场激光雷达，其特征在于，所述种子光源产生高斯激光，所述种子光源将所述高斯激光发射至涡旋调制器。
3.根据权利要求1所述的基于涡旋激光的星载宽视场激光雷达，其特征在于，所述涡旋调制器将高斯激光调制为涡旋激光。
4.根据权利要求1所述的基于涡旋激光的星载宽视场激光雷达，其特征在于，所述望远镜发射涡旋激光和接收探测目标反射涡旋激光产生的回波光信号。
5.根据权利要求1所述的基于涡旋激光的星载宽视场激光雷达，其特征在于，所述涡旋解调器将回波光信号解涡旋。
6.根据权利要求1所述的基于涡旋激光的星载宽视场激光雷达，其特征在于，所述探测器对解涡旋后的回波光信号进行成像。
7.根据权利要求1所述的基于涡旋激光的星载宽视场激光雷达，其特征在于，所述数据处理单元进行最终的数据处理。
8.根据权利要求1所述的基于涡旋激光的星载宽视场激光雷达，其特征在于，所述激光雷达搭载于卫星上。
9.根据权利要求1所述的基于涡旋激光的星载宽视场激光雷达，其特征在于，所述种子光源产生高斯激光后经过涡旋调制器后变为涡旋激光，照射到目标后产生回波由望远镜接收后经过涡旋解调器解调后进入探测器成像，最后进行数据处理。
10.根据权利要求1所述的基于涡旋激光的星载宽视场激光雷达，其特征在于，所述数据处理单元进行成像信息和其他信息分析，完成目标捕获和成像。
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