【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种激光器及其探测目标的方法，具体涉及一种基于自聚焦光场的大视场低慢小目标激光探测方法以及用于实现该探测方法的探测装置。
技术介绍
1、近年来，在国际形势紧张的情况下，随着激光技术的不断进步和光学领域的日益发展，引起人们对激光器前景应用的广泛关注。目前制约激光器发展的瓶颈存在于两个方面：一是战场的烟雾环境以及雨、雪、雾等大气混浊介质和大气湍流扰动等引起的散射效应对光束质量、远场上靶光斑面积和功率密度造成的影响：二是传统激光雷达以机械式、半机械式等为主的周视探测方案存在探测周期长、探测盲区大等问题。
2、传统激光探测技术是在激光测距技术基础上进行空间扫描实现目标探测，而传统激光器在远场受空气介质因素干扰严重，准备时间长、占比空间大、探测目标单一的问题暴露严重。因此，如何增大探测低慢小目标的视场，提升探测精度是激光器探测的难点。
技术实现思路
1、本专利技术的目的是解决采用传统激光器进行目标探测时存在探测周期长、探测盲区大、占比空间大、探测目标单一的技术问题，提出一种基于自聚焦光场的大视场低慢小目标激光探测方法及装置。
2、为了实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案是：
3、本专利技术技术方案总体上分为三个环节。首先是矢量自聚焦光场定制，基于矢量衍射理论和光场调控技术设计光场的复振幅结构，并通过光学超表面实现所需自聚焦光场的定制；然后将复杂环境看作是大气湍流、不规则气溶胶粒子和团簇物的混合，从研究随机问题的抛物型方程出发，结合光散射理
4、本专利技术基于自聚焦光场的大视场低慢小目标激光探测方法，包括以下步骤：
5、步骤1、构建自聚焦光场；
6、步骤2、将复杂大气环境看作大气湍流、混浊介质的混合；将光场在复杂大气环境中的传输分解为相互独立且又同时进行的真空传输和大气扰动两个过程；采用抛物线方程结合光散射理论和相位屏理论建模，对自聚焦光场进行能流分布与调控，获得自聚焦光场参数；所述混浊介质包括不规则气溶胶粒子和团簇物；
7、步骤3、利用超表面对自聚焦光场进行调制后得到预设的矢量自聚焦光场；矢量自聚焦光场急剧发散形成大的光场空间分布，照射至待测目标，实现大视场内的待测目标探测。
8、上述步骤1具体为：
9、1.1)通过pancharatnam-berry相位理论对自聚焦光场的偏振态、相位和传输轨迹进行重构，得到预设的焦场分布矩阵；
10、1.2)根据richards-wolf矢量衍射理论和光学坐标变换得到求解源场分布所需的传输矩阵，将焦场分布矩阵与传输矩阵相乘得到光场的源场分布，获得自聚焦光场。
11、上述超表面为硅基绝缘体电介质超表面。
12、上述步骤2具体为：
13、2.1)对光束在真空中传输过程进行分析，构建任意传输距离处的衍射光场分布模型；
14、2.2)对大气湍流和混浊介质的混合折射功率谱进行反演形成随机相位屏，并利用谐波补偿法对随机相位屏的低频部分进行补偿；
15、2.3)基于分步传输法对抛物线方程求解，得到光场分布，建立光场在大气介质中传输的多层湍流相位屏传输模型；
16、所述抛物线方程为：
17、
18、式中：e表示光场强度，k表示波矢，n1是空气折射率，(x,y,z)是笛卡尔坐标，i是虚数单位；
19、2.4)利用多层湍流相位屏传输模型对大气介质干扰后的自聚焦光场强度和相位分布进行m次统计，得到自聚焦光场参数，所述自聚焦光场参数包括自聚焦光场的强度和相位分布特征。
20、上述步骤2.1)具体为：
21、将光束在真空中传输过程看作一个线性变换过程，通过在笛卡尔坐标系下对helmholtz方程进行求解，得到光束初始空间频率与目标距离处的空间频率之间的关系，对目标距离处的空间频率进行逆傅里叶变换，获得目标距离处的光场方程，构建出目标距离处的衍射光场；
22、上述步骤2.2)具体为：
23、a.将大气混浊介质按照形状分为球形、椭球形及任意形状，分别采用mie理论、转移矩阵法、离散偶极子近似法，结合各种形状粒子在大气中的谱分布，计算混浊粒子在目标距离处的衍射光场的随机散射场，并对随机散射场相位信息进行提取，得到相位空间功率谱；
24、b.根据相位相关函数bs(r1-r2)与折射率相关函数bn(r1-r2)的关系，得到混浊介质等效折射率功率谱
25、
26、式中，r1和r2分别为极坐标下相位平面上任意两点处的位置矢量；k表示空间频率；k为波矢；z为传输距离；i为虚数单位；r是极坐标径向分量；
27、c.将混浊介质等效折射率功率谱与典型大气折射率功率谱进行叠加，得到复合大气折射率功率谱φn(k)：
28、
29、d.对复合大气折射率功率谱φn(k)进行变换，得到相位二维频谱fs(kx,ky,z)：
30、fs(kx,ky,z)＝2πk2φn(kx,ky,kz＝0,z)am
31、式中，am为均值为0且方差为1的hermitian复高斯随机矩阵；kx和ky分别为空间频率在x轴和y轴上的分量；
32、e.利用相位二维频谱fs(kx,ky,z)对am进行滤波，得到相空间的二维复随机场，对相空间的二维复随机场进行傅里叶变换，获得二维随机相位场φ(x,y)，即随机相位屏：
33、
34、f.利用谐波补偿法对随机相位屏的低频部分进行补偿，获得补偿后的随机相位屏。
35、上述步骤2.4)中，m不小于1000。
36、上述步骤3具体为：
37、3.1)利用超表面对自聚焦光场进行调制后得到预设的矢量自聚焦光场；矢量自聚焦光场急剧发散形成大的光场空间分布；
38、3.2)对目标进行几何建模、面元分析；
39、3.3)根据椭偏仪测量的目标表面材质折射率和消光系数反演出目标的双折射分布函数，通过菲涅耳反射公式与目标的双折射分布函数，建立目标偏振双向反射分布函数模型，计算目标表面元的偏振激光雷达散射截面；
40、3.4)采用蒙特卡洛方法分析自聚焦光场在复杂环境中的散射特性，并统计光子的偏振态分布，结合目标真空激光雷达散射截面，得到复杂环境下目标的激光雷达散射截面。
41、本专利技术基于自聚焦光场的大视场低慢小目标激光探测装置，包括激光器、光束调制系统以及探测单元；所述激光器为氦氖激光器，用于发出探测激光；所述光束调制系统用于产生衍射光；其特殊之处是：还包括光场调控系统和超表面；所述光场调控系统用于对衍射光进行光场调制，获得自聚焦光场；所述本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于自聚焦光场的大视场低慢小目标激光探测方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述基于自聚焦光场的大视场低慢小目标激光探测方法，其特征在于，所述步骤1具体为：
3.根据权利要求1所述基于自聚焦光场的大视场低慢小目标激光探测方法，其特征在于：所述超表面为硅基绝缘体电介质超表面。
4.根据权利要求1-3任一所述基于自聚焦光场的大视场低慢小目标激光探测方法，其特征在于，所述步骤2具体为：
5.根据权利要求4所述基于自聚焦光场的大视场低慢小目标激光探测方法，其特征在于，所述步骤2.1)具体为：
6.根据权利要求4所述基于自聚焦光场的大视场低慢小目标激光探测方法，其特征在于：所述步骤2.4)中，M不小于1000。
7.根据权利要求4所述基于自聚焦光场的大视场低慢小目标激光探测方法，其特征在于，所述步骤3具体为：
8.一种基于自聚焦光场的大视场低慢小目标激光探测装置，包括激光器、光束调制系统以及探测单元；所述激光器为氦氖激光器，用于发出探测激光；所述光束调制系统用于产生衍射光；其特征在于
9.根据权利要求8所述基于自聚焦光场的大视场低慢小目标激光探测装置，其特征在于：
...【技术特征摘要】
1.一种基于自聚焦光场的大视场低慢小目标激光探测方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述基于自聚焦光场的大视场低慢小目标激光探测方法，其特征在于，所述步骤1具体为：
3.根据权利要求1所述基于自聚焦光场的大视场低慢小目标激光探测方法，其特征在于：所述超表面为硅基绝缘体电介质超表面。
4.根据权利要求1-3任一所述基于自聚焦光场的大视场低慢小目标激光探测方法，其特征在于，所述步骤2具体为：
5.根据权利要求4所述基于自聚焦光场的大视场低慢小目标激光探测方法，其特征在于，所述步骤2...
【专利技术属性】
技术研发人员：闫旭，卜浩，高睿怡，薛久文，宁家润，
申请(专利权)人：中国人民解放军空军工程大学，
类型：发明
国别省市：
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