一种相干扫描波前探测方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种相干扫描波前探测方法及系统，属于自适应光学技术和光学计量技术领域。本发明专利技术的探测方法为：将光源生成器发出的激光同时作为信标照明光和本振光，信标照明光经信标或目标的后向散射光作为波前探测信标光；本振光经光束准直器后由光扫描器进行相位角度扫描，再与波前探测信标光经微透镜阵列的各子孔径后在阵列光电探测器上合束相干；当波检测到阵列光电探测器输出的子孔径的相干检测信号的强度为极值时，提取本振光的相位扫描角度作为该子孔径的波前探测信标光质心角度偏移，进行波前重构。本发明专利技术还公开了基于上述方法的探测系统。本发明专利技术用于测量大气湍流产生的像差，能显著提高阵列光电探测器的探测灵敏度以及抑制强噪声干扰。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于自适应光学技术和光学计量
，具体涉及一种基于相干扫描方 法测量大气湍流像差的波前探测方法及系统。
技术介绍
自适应光学技术作为天文光学观测和激光大气传输的关键技术之一，具有重大的 现实需求并得到了广泛的研宄和持续发展。自适应光学理论在20世纪80年代之前已经建 立起来，而自适应光学系统的开发正向着更高空间频率和高时间带宽方向发展，以满足地 基巨型望远镜的相位校正需求和激光在大气中稳定传输的需求。 波前探测器是自适应光学系统的核心部件之一，它主要通过对波前探测信标光的 相位进行高速高分辨率探测，并作为后端波前校正器的控制输入信号，以实现大气波前像 差的实时补偿。其中基于孔径分割的夏克_哈特曼（简称哈特曼波）波前探测器技术最成 熟，使用最为广泛。其原理可参考"Principle of Adaptive Optics"Robert K Tyson, CRC Press. "Hartmann Sensers for Optical Testing"，Robert J. Zielinski, B. Martin Levine, Brain Moneil，SPIE314, 398(1997)〇目前所采用的哈特曼波前探测器的结构与工作流程如图1所示，波前探测信标光 首先经过缩束系统，光束口径被压缩到微透镜阵列直径相同，然后分别被每个子孔径的透 镜聚焦成像在阵列光电探测器上，每个子孔径通常占据3x3像素，每个子孔径上焦斑与像 素之间的关系如图2所示。波前处理机计算阵列光电探测器上每个子孔径焦斑的质心偏 移，根据典型的波前重构算法可以复原波前探测信标光的波前形状和大小。 但是，目前所采用的哈特曼波前传感器的性能有限，制约了自适应光学系统的性 能。一方面：由于孔径分割的原因，传统的哈特曼波前探测器的灵敏度不高，抗噪声性能不 足，当波前探测信标光比较弱时，无法在白天强背景光条件下使用，无法实现自适应光学系 统的全天时工作；另一方面，为了准确计算光斑质心位置，传统的哈特曼波前探测器微透镜 阵列上每个子孔径所对应的探测器像素数至少要大于9个，使得所需的阵列光电探测器单 元数比较多，图像帧频低，限制了自适应光学系统的闭环带宽，这一缺陷使得自适应光学系 统在中远红外波段的应用严重受限。 因此，探索新的波前探测方法，提升哈特曼波前探测器的带宽和抗噪声性能，对于 自适应光学系统在白天观测和激光大气传输中的应用具有重要意义。
技术实现思路
本专利技术的专利技术目的在于：针对上述存在的问题，提供一种提高阵列光电探测器的 探测灵敏度以及抑制强噪声干扰的相干扫描波前探测方法及系统。 本专利技术改变了传统哈特曼被动探测的特性，将光源生成器同时作为主动照明信标 /目标光源以及相干扫描的本振光源，采用相干方法来滤除噪声对光斑质心探测的影响，采 用本振光扫描的方法来提取波前探测信标光的光斑质心信息，以达到削减阵列光电探测器 单元数，提升图像读出帧频的效果。本专利技术将光源生成器所发射的激光，一方面形成波前探 测信标携带了大气湍流像差信息，而在此过程中波前探测信标的频率和偏振状态基本保持 不变。同时在大气湍流冻结时间内，被波前探测信标的相位近似不变，因此可以实现与本振 光的相干检测。就微透镜阵列的每一个子孔径而言，波前探测信标与本振光之间的相位差 包含两部分，平移相位差和倾斜相位差，它们都会降低子孔径探测器（光电探测器）上的相 干检测信号的强弱，当倾斜相位差为零时，相干检测信号强度（电探测器输出的相干检测 信号具体为相干电信号）取极值（最大值或最小值），此时子孔径上波前探测信标光的倾斜 等于本振光的相位倾斜。由于波前探测信标光子孔径相位倾斜未知且彼此不同，必须对本 振光在子孔径动态范围内进行扫描，当某个子孔径上检测到相干电信号取极值时，说明该 子孔径上波前探测信标与本振光的倾斜相位差相等，因此，可以从本振光扫描角度获取该 子孔径的波前探测信标光相位倾斜（作为用于波前重构的子孔径的波前探测信标光质心 角度偏移），并且一次扫描即可完成所有子孔径的波前探测信标光倾斜相位差测量。总的来 说相干检测信号的包络由波前探测信标光与本振光之间的倾斜相位差决定，其极值之处即 为倾斜相位差为零的地方。 本专利技术的相干扫描波前探测方法，包括下列步骤： 将光源生成器发射的激光经分光器分为两束，分别作为信标照明光和本振光；信 标照明光经信标/目标的后向散射光作为波前探测信标光；本振光经光束准直器后由光扫 描器进行相位角度扫描，并与波前探测信标光经微透镜阵列的各子孔径后在阵列光电探测 器上进行合束相干；阵列光电探测器的各光电探测器将各子孔径的相干检测信号的强度输 出至波前处理与扫描控制器，由波前处理与扫描控制器控制光扫描器的扫描角度，当波前 处理与扫描控制器检测到阵列光电探测器输出的子孔径的相干检测信号的强度为极值时， 提取本振光的相位扫描角度作为当前子孔径的波前探测信标光质心角度偏移，基于各子孔 径的波前探测信标光质心角度偏移进行波前重构。 与现有的波前探测方法相比，本专利技术的波前探测信标光为主动信标方式，可以根 据探测目标的距离和发射特性对光源生成器的功率进行对应调制，从而提升波前探测信标 的强度，在白天强背景光条件下也可使用；本专利技术中与传统的哈特曼波前探测器每个子孔 径光斑需要多个像素进行探测并计算光斑质心不同，本专利技术的光电探测器不直接生成光斑 质心偏移角度信息，而仅仅提供光电转换信号强度信息，因此需要阵列光电探测器单元数 少，可以极大地提高光电探测器的读出速率；并且通过相干检测方式来获取各子孔径的波 前探测信标光相位倾角，能够极大地提高阵列光电探测器的探测灵敏度以及抑制强噪声干 扰。 进一步的，在光源生成器功率一定的条件下，为了获得高功率的波前探测信标光， 在将光源生成器发射的激光分为两束时，可以米用反射率大于透射率的分光镜，将反射光 束为信标照明光，透射光束为本振光。 本专利技术相干扫描波前探测系统，包括光源生成器、分光器、光束准直器、光扫描器、 微透镜阵列、光电探测器陈列和波前处理与扫描控制器，其中光源生成器发射的激光经分 光器（在光源生成器功率一定的条件下，为了获得高功率的波前探测信标光，可以采用反 射率大于透射率的分光镜，将反射光束为信标照明光，透射光束为本振光）分为两束，分别 作为信标照明光和本振光，信标照明光经信标/目标的后向散射光作为波前探测信标光； 本振光经光束准直器后由光扫描器进行相位角度扫描，并与波前探测信标光经微透镜阵列 的各子孔径后在阵列光电探测器上进行合束相干；阵列光电探测器的各光电探测器将各子 孔径的相干检测信号的强度输出至波前处理与扫描控制器，由波前处理与扫描控制器控制 光扫描器的扫描角度，当波前处理与扫描控制器检测到阵列光电探测器输出的子孔径的相 干检测信号的强度为极值时，提取本振光的相位扫描角度作为当前子孔径的波前探测信标 光质心角度偏移，基于各子孔径的波前探测信标光质心角度偏移进行波前重构。 为了使得通过光扫描器的光束为细光束，从而降低光扫描器尺寸，本专利技术的相干 扫描波前探测系统还包括光束扩束器，用于将经光扫描器的本振光进行扩束处理，该光束 扩束器的输出孔径大于或等于微透镜阵列的各子孔径的直径，光束扩束器的输出孔径本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种相干扫描波前探测方法，其特征在于，包括下列步骤：将光源生成器发射的激光经分光器分为两束，分别作为信标照明光和本振光；信标照明光经信标或目标的后向散射光作为波前探测信标光；本振光经光束准直器后由光扫描器进行相位角度扫描，并与波前探测信标光经微透镜阵列的各子孔径后在阵列光电探测器上进行合束相干；阵列光电探测器将各子孔径的相干检测信号的强度输出至波前处理与扫描控制器，由波前处理与扫描控制器控制光扫描器的扫描角度，当波前处理与扫描控制器检测到阵列光电探测器输出的子孔径的相干检测信号的强度为极值时，提取本振光的相位扫描角度作为当前子孔径的波前探测信标光质心角度偏移，基于各子孔径的波前探测信标光质心角度偏移进行波前重构。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：黄健，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川;51