一种基于阵列探测器的光场匹配外差探测装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于激光外差探测领域，特别是能够利用阵列探测器进行信号光与本振光 的光场匹配校正的连续外差探测，能够提高外差探测的信号信噪比。
【背景技术】
[0002] 激光外差探测具备众多优点，但该种技术的性能却受到各种因素的限制。大气端 流、接收系统像差、信号光与本振光之间的夹角等因素都将造成外差探测信噪比下降，该些 因素都可W描述为信号光与本振光场的不匹配。
[0003] 2012年公布的一份研究文献中（董洪舟，敷明武，杨若夫等.基于阵列探测器的 空间失配角匹配外差探测研究[J]激光与光电子学进展，2012,49,081202)，提出了一种用 阵列探测器，结合数字电位器进行空间失配角的匹配外差探测技术，如附图3所示。若信号 光与本振光经准直后入射到探测器上，探测器各单元输出的电流由控制模块控制数字增益 放大模块进行调节后输出，所有单元的电流再经等相位求和模块后的输出即为中频电流信 号。数字增益放大模块可W通过数字可变电阻实现可编程控制，即控制模块发送控制指令 给各单元的数字可变电阻，可变电阻接收到指令后根据各自的指令实现电阻微调变化，从 而实现电流增益的变化。当阵列探测器需要探测某一合作目标时，只需通过增益控制模块 发送对应的指令，设置各个数字增益放大模块的放大系数，使得有效量子效率匹配该一角 度即可。而当增益控制模块发出一系列控制指令时，就实现了阵列探测器的扫描式探测。但 该种探测体制存在较大的缺陷，它仅能对空间失配角进行外差探测，又因为是不断变换有 效量子效率函数进行扫描式的探测，探测时间过长。而且当在探测中存在光学系统像差、大 气端流等因素时，该种探测体制没有增强信噪比的作用。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是针对【背景技术】的不足，设计了一种基于阵列探测器的光场匹配外 差探测装置及方法，该装置通过阵列探测器接收光信号，然后对各探测器单元接收的信号， 按本发明描述的方法进行加权叠加，从而达到提高外差探测信噪比、操作简便的目的。
[0005] 本发明的技术方案包括一种基于阵列探测器的光场匹配外差探测装置，该装置报 包括；激光器（1)、第一分束片（2)、第二分束片（4)、发射接收光学组件巧）、第=分束片 (7)、反光镜化）、透镜（11)、阵列探测器巧）、信号处理及控制系统巧），其特征在于激光器 (1)出射激光通过第一分束片（2)分为两束激光，其中一束依次穿过第二分束片（4)、发射 接收光学组件（5)照射到探测目标上，另一束依次穿过第=分束片（7)、透镜（11)照射到阵 列探测器（8)上；从探测目标上返回的激光首先穿过发射接收光学组件巧），依次由第二分 束片（4)的反射和反光镜（6)的反射达到第=分束镜（7)，经过第=分束镜（7)的反射与穿 过第S分束镜（7)的本振光一起照射到阵列探测器巧）；阵列探测器（8)将探测到的信号 传输给信号处理及控制系统（9)处理；在第一分束片（2)与第二分束片（4)之间设置第一 激光通断开关（3)，在第一分束片（2)与第=分束片（7)之间设置第二激光通断开关（10)， 两激光通断开关由信号处理及控制系统（9)控制其通断。
[0006] 一种基于阵列探测器的光场匹配外差探测方法，该方法包括：
[0007] 步骤1 ;打开激光器（1)使光场匹配外差探测装置的出射激光照射在探测目标 上；
[000引步骤2 ;打开第一激光通断开关（3)，关断第二激光通断开关（10)，记录阵列探测 器探测到的信号光在探测器光敏面上的光场分布Us，并传输到信号处理及控制系统（9)存 储为Us [n，m]，其中n表示阵列探测器中各探测单元的编号；
[0009] 步骤3 ;关断第一激光通断开关（3)，打开第二激光通断开关（10)，记录阵列探测 器探测到的本振光在各探测器光敏面上的光场分布Ui，并传输到信号处理及控制系统巧） 存储为Ui[n，m];
[0010] 步骤4 ;信号处理及控制系统（9)计算出Uj[n, m] = |Us[n, m] |/|Ui[n, m] I，其中 Uj. [n，m]表示阵列探测器中第n行，第m列个探测单元的加权系数；
[0011] 步骤5 ;同时打开第一激光通断开关（3)和第二激光通断开关（10)，对阵列探测器 各探测单元接收到的信号按照步骤4计算出的加权系数，再根据该系数将各探测单元的输 出进行加权叠加输出；
[001引步骤6;计算步骤5得到的组合信号的信噪比，将该信噪比与事先设定的信噪比阔 值比较，若大于阔值则输出该叠加信号，若小于阔值则返回步骤2,直到输出足够信噪比的 叠加信号为止。
[0013] 本发明一种基于阵列探测器的光场匹配外差探测装置及方法，该装置通过阵列探 测器接收光信号，然后对探测单元接收信号进行加权叠加。在目标探测过程中，首先单独接 收目标反射回来的信号光，再单独接收本振光，再根据信号光和本振光各自的光场分布，计 算出阵列探测器中各探测单元的加权系数。然后同时接收信号光和本振光，各探测单元探 测信号按照计算出的加权系数叠加，最后输出叠加后的信号。从而具有提高外差探测信噪 比、操作简便的效果。
【附图说明】
[0014] 图1为阵列探测器提高外差探测信噪比原理图（一维示意图）；
[0015] 图2为基于阵列探测器的外差探测接收系统示意图；
[0016] 图3为空间失配角扫描式匹配探测系统示意图；
[0017] 图4(a)为信号光与本振光W夹角丫形成的崎变干设光场示意图；图4(b)为本发 明具体实施例计算出的Uj.[n，m]分布图；
[001引图5为根据Uj.[n，m]求和输出的中频信号强度随夹角丫的变化情况曲线图。 [0019] 图1中（a)为只打开第一激光通断开关（3)，或第二激光通断开关（10)时阵列探 测器探测到的光信号Us或Ui，化）为同时打开两个激光通断开关时，阵列探测器探测到的 两路光的干设信号；图2中；1.激光器，2.第一分束片，3.第一激光通断开关，4.第二分束 片，5.发射接收光学组件，6.反光镜，7.第S分束镜，8.阵列探测器，9.信号处理及控制系 统，10.第二激光通断开关，11.透镜。
【具体实施方式】
[0020] 外差探测的外差效率是衡量一个探测系统信噪比的通用指标，对于阵列探测器， 其信噪比可W描述为
[002U 说=R X r
[0022] 其中 R= nPsFsAvBiF，
[0023]
【主权项】
1. 一种基于阵列探测器的光场匹配外差探测装置，该装置报包括： 激光器（1)、第一分束片（2)、第二分束片（4)、发射接收光学组件（5)、第三分束片（7)、 反光镜（6)、透镜（11)、阵列探测器（8)、信号处理及控制系统（9)，其特征在于激光器（1) 出射激光通过第一分束片（2)分为两束激光，其中一束依次穿过第二分束片（4)、发射接收 光学组件（5)照射到探测目标上，另一束依次穿过第三分束片（7)、透镜（11)照射到阵列探 测器（8)上；从探测目标上返回的激光首先穿过发射接收光学组件（5)，依次由第二分束片 (4)的反射和反光镜（6)的反射达到第三分束镜（7)，经过第三分束镜（7)的反射与穿过第 三分束镜（7)的本振光一起照射到阵列探测器⑶；阵列探测器⑶将探测到的信号传输 给信号处理及控制系统（9)处理；在第一分束片（2)与第二分束片（4)之间设置第一激光 通断开关（3)，在第一分束片（2)与第三分束片（7)之间设置第二激光通断开关（10)，两激 光通断开关由信号处理及控制系统（9)控制其通断。
2. -种基于阵列探测器的光场匹配外差探测方法，该方法包括： 步骤1 :打开激光器（1)使光场匹配外差探测装置的出射激光照射在探测目标上； 步骤2 :打开第一激光通断开关（3)，关断第二激光通断开关（10)，记录阵列探测器探 测到的信号光在探测器光敏面上的光场分布Us，并传输到信号处理及控制系统（9)存储为 Us [n，m]，其中η表示阵列探测器中各探测单元的编号； 步骤3 :关断第一激光通断开关（3)，打开第二激光通断开关（10)，记录阵列探测器探 测到的本振光在各探测器光敏面上的光场分布U1，并传输到信号处理及控制系统（9)存储 为 U1 [n，m]; 步骤4 :信号处理及控制系统（9)计算出Uj[n，m] = |Us[n，m] l/IUjn，!!!] I，其中Uj[n，m] 表示阵列探测器中第η行，第m列个探测单元的加权系数； 步骤5 :同时打开第一激光通断开关（3)和第二激光通断开关（10)，对阵列探测器各探 测单元接收到的信号按照步骤4计算出的加权系数，再根据该系数将各探测单元的输出进 行加权叠加输出； 步骤6 :计算步骤5得到的组合信号的信噪比，将该信噪比与事先设定的信噪比阈值比 较，若大于阈值则输出该叠加信号，若小于阈值则返回步骤2,直到输出足够信噪比的叠加 信号为止。
【专利摘要】该发明公开了一种基于阵列探测器的光场匹配外差探测装置及方法，属于激光外差探测领域，特别是能够利用阵列探测器进行信号光与本振光的光场匹配校正的连续外差探测，能够提高外差探测的信号信噪比。通过阵列探测器接收光信号，然后对阵列探测器各单元的接收信号进行加权叠加，最后输出叠加后的总的中频信号。在目标探测过程中，首先单独接收目标反射回来的信号光，再单独接收本振光，在根据探测到的信号光和本振光的光场分布，计算出阵列探测器中各探测单元的加权系数，然后同时接收信号光和本振光，各探测单元输出的探测信号按照计算出的加权系数进行加权叠加，最后输出叠加的组合信号。从而具有提高外差探测信噪比、操作简便的效果。
【IPC分类】G01J9-02
【公开号】CN104568174
【申请号】CN201510002065
【发明人】董洪舟, 杨若夫, 杨春平, 敖明武
【申请人】电子科技大学
【公开日】2015年4月29日
【申请日】2015年1月4日