一種用時間相位補(bǔ)償空間相位畸變的外差探測方法
【專利摘要】該發(fā)明公開了一種用時間相位補(bǔ)償空間相位畸變的外差探測方法，屬于激光外差探測領(lǐng)域。該方法采用陣列探測單元進(jìn)行外差探測，每一個探測單元包括：探測器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器；通過探測器獲得信號，再對該信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換獲得各探測單元的外差電流采樣序列，根據(jù)各探測單元對應(yīng)的空間相位畸變，將各探測單元的外差電流采樣序列進(jìn)行位移，將位移后的外差電流采樣序列求和獲得探測結(jié)果序列。該方法通過采用陣列探測單元對外差信號進(jìn)行探測，在探測結(jié)果序列計算過程中對各探測探測單元的時間相位進(jìn)行位移，從而補(bǔ)償外差信號的空間相位畸變，從而具有成本低、運(yùn)算量小的優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】
一種用時間相位補(bǔ)償空間相位畸變的外差探測方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于激光外差探測領(lǐng)域。針對光束空間相位畸變對外差探測的嚴(yán)重影響。 利用陣列探測器代替單點(diǎn)探測器進(jìn)行外差探測，對陣列探測器各單元的采樣序列采取移位 后求和的探測方式，實(shí)現(xiàn)光束空間相位畸變補(bǔ)償，從而提高外差探測的信號信噪比。本發(fā)明 本質(zhì)上是一種新穎的時間相位補(bǔ)償空間相位畸變的方法
【背景技術(shù)】
[0002] 激光外差探測具備眾多優(yōu)點(diǎn)，但在實(shí)際應(yīng)用中，大氣湍流、接收系統(tǒng)像差、信號光 與本振光之間的夾角等因素都將造成光束的空間相位畸變。而這種畸變將降低外差探測系 統(tǒng)的信噪比。為了減小相位畸變對外差探測的影響，在實(shí)際應(yīng)用中，一些苛刻的要求必須被 滿足，如良好的光學(xué)器件像差矯正，精確的光學(xué)調(diào)整，精度極高的光束準(zhǔn)直。但實(shí)際上，這些 條件是難以充分滿足的，也即是說這種畸變是難以避免的，因此補(bǔ)償或者矯正空間相位畸 變的就成為一種重要的技術(shù)。
[0003] 目前可用于外差探測中畸變相位的補(bǔ)償矯正方法有兩種，一是用自適應(yīng)光學(xué)技 術(shù)。該技術(shù)利用剪切干涉儀或哈特曼傳感器首先探測信號光的畸變波面，然后用一個由聲 光器件、電光器件和變形鏡組成的復(fù)雜系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)畸變相位補(bǔ)償。這種技術(shù)需要一個運(yùn)算量 很大的計算機(jī)系統(tǒng)以及變形鏡的伺服驅(qū)動系統(tǒng)，無論從成本和工程應(yīng)用的角度考慮，都難 以實(shí)現(xiàn)。因此，這種相位矯正技術(shù)一般只用于少數(shù)的天文臺。另一種用來矯正相位畸變的方 法是基于相位共輒鏡。相位共輒鏡可以產(chǎn)生相位畸變光波的共輒波。利用自栗浦和互栗浦 共輒現(xiàn)象，可以獲得和畸變波前一樣分布的共輒波前，從而實(shí)現(xiàn)畸變波前的匹配探測。但自 栗浦和互栗浦現(xiàn)象只有當(dāng)入射到非線性晶體上的光束入射角和位置滿足一定條件時才會 產(chǎn)生，這使得晶體和光束的相對位置必須嚴(yán)格調(diào)整，而這給工程應(yīng)用增加了難度。即使他們 之間的位置調(diào)整良好，共輒反射率依然很低，產(chǎn)生的匹配相位畸變光波的能量損失嚴(yán)重。因 此，目前這種方法在實(shí)際工程中的應(yīng)用并未見到。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明針對【背景技術(shù)】的不足之處，改進(jìn)設(shè)計了一種成本低且性能優(yōu)良的，用時間 相位補(bǔ)償空間相位畸變的外差探測方法。
[0005] 空間相位畸變對外差探測的影響可以從外差效率的表達(dá)式描述。外差效率是衡量 外差系統(tǒng)信噪比的重要指標(biāo)。當(dāng)外差效率為最大值1時，信噪比可以達(dá)到理論上的最大值， 當(dāng)外差效率下降時，信噪比隨之降低。外差效率可以表示為
[0007] 其中，Δρ(Τ，是信號光Es和本振光El之間的空間相位差，Es表不信號光振幅，El 表示本振光振幅，A表示探測器光敏面的積分面積。從上式可以看出，當(dāng)Δ供(X,少)為常數(shù)時， ξ有最大值;因此，當(dāng)Δ0(χ，.ν)不是常數(shù)，或者與空間位置有關(guān)時，可以定義其為空間相位畸 變，Δρ(χ，少')也正是要補(bǔ)償?shù)哪繕?biāo)。
[0008]替代通常的單點(diǎn)探測器進(jìn)行外差探測，本發(fā)明探測器結(jié)構(gòu)及其后續(xù)處理模塊如圖 1所示，各個探測單元對應(yīng)各自位置的空間相位畸變。由于外差信號具有余弦函數(shù)的形式， 即每個單元探測器輸出的信號隨時間的變化具有+爐)的形式，其中f為外差 信號的頻率。當(dāng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的采樣頻率是外差頻率的c倍，且采樣時間間隔為At時， 有At=l/fc。設(shè)k為采樣序號。則在陣列探測器中第m行、第η列的單元輸出的外差電流的第 k次采樣序列可以表示為i(m，n，k)。則采樣后的序列中，相鄰兩個數(shù)據(jù)i(m，n，k)和i(m，n，k+ 1)可以表示為
[0011] 其中Δ供(Μ，/?)是該單元對應(yīng)的空間相位畸變，則這兩個數(shù)據(jù)間應(yīng)存在相位差Δ 小=2對八1因此，為了補(bǔ)償各單元對應(yīng)的空間相位畸變，或者說將Δ^Χ,.ν)矯正為常數(shù)， 只需將各單元的數(shù)據(jù)序列移位不同的步數(shù)，然后所有序列求和輸出。當(dāng)各個單元的序列移 動步數(shù)正好時，可以將個單元的Α識矯正為近似相等，從而實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償其對應(yīng)的空間相 位畸變，此時求和輸出的信噪比可以得到提高。這種思想可以用圖2來描述。例如，設(shè)第m行、 第η列的單元位置的空間相位畸變?yōu)檑?7^?；) = 0，則該單元的序列移動步數(shù)應(yīng)該為1",11 ?。(^^，其中符號口^表示取整的含義淇他單元做類似移位處理油于當(dāng)各個移 位步數(shù)合適時，外差信號的信噪比可以得到很大的提高，因此，各個序列的移動步數(shù)可以以 信噪比為評價函數(shù)，通過搜索算法搜索確定，如遺傳算法。
[0012] 因而本發(fā)明一種用時間相位補(bǔ)償空間相位畸變的外差探測方法，該方法采用陣列 探測單元進(jìn)行外差探測，每一個探測單元包括:探測器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器;通過探測器獲得信號， 再對該信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換獲得各探測單元的外差電流采樣序列，根據(jù)各探測單元對應(yīng)的空 間相位畸變，將各探測單元的外差電流采樣序列進(jìn)行位移，將位移后的外差電流采樣序列 求和獲得探測結(jié)果序列。
[0013] 進(jìn)一步的，所述各探測單元的外差電流采樣序列位移步數(shù)的計算方法為：以探測 結(jié)果序列的信噪比為評價函數(shù)，通過搜索算法，搜索確定各探測單元外差電流采樣序列位 的移步數(shù)。
[0014] 本發(fā)明一種用時間相位補(bǔ)償空間相位畸變的外差探測方法，該方法通過采用陣列 探測單元對外差信號進(jìn)行探測，在探測結(jié)果序列計算過程中對各探測探測單元的時間相位 進(jìn)行位移，從而補(bǔ)償外差信號的空間相位畸變，從而具有成本低、運(yùn)算量小的優(yōu)點(diǎn)。
【附圖說明】
[0015] 圖1為本發(fā)明的硬件構(gòu)成，由陣列探測、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和MCU處理模塊構(gòu)成。
[0016] 圖2為本發(fā)明的基本原理示意圖，即如何實(shí)現(xiàn)用時間相位補(bǔ)償空間相位畸變。
[0017]圖3以3 X 3陣列為例，給出了采樣序列的移位求和示意圖。
[0018] 圖4為本發(fā)明中相關(guān)的外差效率的數(shù)值計算結(jié)果。
【具體實(shí)施方式】
[0019] 在探測中，本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】分硬件和軟件兩部分闡述如下：
[0020] 1.硬件部分
[0021] 陣列探測器各單元都有各自的模數(shù)轉(zhuǎn)換器對其輸出信號進(jìn)行采集。采集后數(shù)據(jù)序 列送入MCU進(jìn)行存儲等待后續(xù)處理。
[0022] 2.軟件部分
[0023] 當(dāng)采集數(shù)據(jù)足夠后，送入MCU進(jìn)行處理。給各單元的數(shù)據(jù)序列賦予初始隨機(jī)移位步 數(shù)，以遺傳算法為基礎(chǔ)，以信噪比為評價函數(shù)，通過足夠多的迭代，搜索確定最佳移位步數(shù)。
[0024] 以3X3探測器陣列為例。若模數(shù)轉(zhuǎn)換器的采樣頻率為外差信號頻率的7倍，即c = 7， 且各單元對應(yīng)的空間相位畸變?yōu)檑汤?)=:'…，Δ#2,Ι) = _;τ/2.3'…' Δ例3,1) = 01…， Δ(/?(3，；3) = ；3；Γ/4 °若要補(bǔ)償各自位置的空間相位畸變，根據(jù)相鄰采樣間相位差為δ φ = 2對 Δ t = 2Ji/c，當(dāng)移位步數(shù)滿足 1ι,ι = 3,…，l2,i = -2，···，13,2 = 0,…，13,3 = 2，時，各個單元 所對應(yīng)的空間相位畸變就可以被補(bǔ)償。因此，總的求和輸出電流it〇tai(k)應(yīng)該按下式計算；
[0025] itotal(k) = i(l，l，k+3) + · · .+i(2，l，k-2) + . · .+i(3,2，k) + . · .+i(3,3，k+2)。該求和 過程如附圖3所示。
[0026] 圖4顯示了沒有相位補(bǔ)償時的ξ:和補(bǔ)償空間相位畸變后的外差效率ξ2,其中N=3表 示陣列為3X3，N = 5和N=ll表示陣列為5X5和11\11。計算中用多階26?111?5多項式的疊 加仿真空間相位畸變，Μ表示Zernike多項式疊加的項數(shù)。Μ取值越高，表明空間相位的畸變 程度越大。補(bǔ)償了空間相位畸變后，外差效率可以得到顯著的提高，如當(dāng)Μ = 98時，ξ1 = 0.08，這表示此時沒有補(bǔ)償相位的信噪比只有理論最大信噪比的8 %，而此時有ξ2 = 0.42、ξ2 = 0.46和ξ2 = 0.66。由此可見，對空間相位畸變進(jìn)行補(bǔ)償后，可以大幅的提高外差信號的信 噪比。
【主權(quán)項】
1. 一種用時間相位補(bǔ)償空間相位畸變的外差探測方法，該方法采用陣列探測單元進(jìn)行 外差探測，每一個探測單元包括:探測器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器;通過探測器獲得信號，再對該信號進(jìn) 行模數(shù)轉(zhuǎn)換獲得各探測單元的外差電流采樣序列，根據(jù)各探測單元對應(yīng)的空間相位畸變， 將各探測單元的外差電流采樣序列進(jìn)行位移，將位移后的外差電流采樣序列求和獲得探測 結(jié)果序列。2. 如權(quán)利要求1所述的一種用時間相位補(bǔ)償空間相位畸變的外差探測方法，其特征在 于所述各探測單元的外差電流采樣序列位移步數(shù)的計算方法為：以探測結(jié)果序列的信噪比 為評價函數(shù)，通過搜索算法，搜索確定各探測單元外差電流采樣序列位的移步數(shù)。
【文檔編號】G01J9/00GK106092338SQ201610430439
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月16日
【發(fā)明人】董洪舟, 楊春平, 敖明武
【申請人】電子科技大學(xué)