本发明专利技术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。本发明专利技术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。以针对不同光学系统进行信噪比优化设计。以针对不同光学系统进行信噪比优化设计。
【技术实现步骤摘要】
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
[0001]本专利技术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。
技术介绍
[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。
[0005]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。
[0006]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。
[0007]此外，在专利技术人之前的论文中，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。
技术实现思路
[0008]本专利技术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。
[0009]本专利技术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。
[0010]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。
[0011]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。
[0012]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。
[0013]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。
[0014]本专利技术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。
[0015]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。
[0016]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。
[0017]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。
[0018]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。
[0019]接上述技术方案，非信号光源选用非相干的卤素灯。
[0020]本专利技术产生的有益效果是：本专利技术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受光学系统进行信噪比优化设计。本专利技术在激光遥感、激光通信等领域存在重大的应用前景。
[0021]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
[0022]为了更清楚地说明本专利技术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专利技术的一些实施例，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。
[0023]图1是本专利技术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是本专利技术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是本专利技术实施例涡旋波片级数L=128，光阑直径200�m，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）是本专利技术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）是本专利技术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是本专利技术实施例选择光阑直径200�m，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本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
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，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...
【专利技术属性】
技术研发人员：王宣，李想，周一帆，易洋，王恒志，赵蕾，赵晓娜，殷振平，王龙龙，伦英豪，魏昱彬，董翔宇，
申请(专利权)人：武汉量子技术研究院，
类型：发明
国别省市：
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