抑制天光背景噪声的新型剪切干涉探测装置及其探测方法

1.本发明涉及光学搜索跟踪望远镜及星敏感器技术领域，特别涉及一种抑制天光背景噪声的新型剪切干涉探测装置及其探测方法。


背景技术：

2.光学搜索跟踪系统是一个用途很广泛的通用设备。可用于激光束的精确指向、飞行平台的位置和姿态保持以及大口径光电望远镜的高精度跟瞄等。恒星跟踪设备，通常被称为星敏感器，通过探测较大区域的星场分布从而获得飞行器(卫星等)的位置和姿态信息。
3.现有光学搜索跟踪望远镜受太阳和天光背景的影响，其探测时段、探测能力和测量精度受到严重制约。而现有抑制天光背景噪声的方法(主要包括：视场控制法、光谱滤波法、偏振滤波法等)均有其局限性，主要体现在以下几点：对于视场控制法，其缺点是视场较小，且在强天光背景下抑制能力不佳；对于光谱滤波法，其缺点是当目标与天光背景的光谱相近时难以区分目标光和天光背景的光谱能量峰值；对于偏振滤波法，一般需要提前预估目标光和天光背景的偏振态的差异，而由于偏振态的差异随着目标轨道运动和姿态以及太阳高度角等的变化而改变，故具体实现较为复杂且对应用时段和场景也有一定要求。
4.为了解决上述难题，daniel n.held提出了一种基于光学干涉和相位调制与解调方法(简称干涉探测技术)的星敏感器(专利号us3626192)用于抑制白天强天光背景的影响以提高对暗弱星体的探测能力。干涉探测技术利用目标与天光背景在远场的光场空间相干性的差异来提取目标光，再利用调制与解调技术提高目标光的信噪比，从而实现强天光背景下暗弱目标的探测。然而，基于电光调制器件的传统干涉探测技术存在目标光干涉对比度低和孔径利用率低的缺点。
5.为了克服基于电光调制器的干涉探测技术的上述缺点，本发明人提出了一种基于剪切干涉器件的干涉探测技术(专利号cn201911272237.4)，可显著提升目标光干涉对比度和孔径利用率。现有剪切干涉方案主要有两种，一种是基于分光器件与反射器件(两者间隔很近)的方案，另一种是基于两个光栅的方案，这两种方案均存在内在的缺陷。前一种方案的两路剪切光束不等光程，光程差与分光器件和反射器件之间的距离同数量级(远大于常见宽光谱(带宽300nm以上)目标的时间相干长度(约微米量级))，造成宽光谱目标(大多数自发光和反射光的自然与人造目标)的远距离光场难以产生干涉，干涉探测技术失效。后一种方案容易产生摩尔条纹(自然光经过两个交叠在一起的类似光栅周期性结构的物体后容易产生该条纹结构)，天光背景光经过两个光栅后也会产生摩尔条纹，且难以消除，容易在相机获取的图像背景中引入周期性条纹结构，影响对暗弱目标的发现与提取。
6.为了克服基于剪切干涉器件的干涉探测技术的上述缺点，本发明提出一种基于马赫曾德干涉仪结构的新型剪切干涉装置。本发明所述装置通过引入光程差补偿机构使得两路剪切光束等光程，有利于宽光谱目标光的干涉(克服基于分光器件与反射器件的剪切干涉探测方案的缺点)。本发明所述装置没有类似光栅的周期性结构，故天光背景光无法产生
摩尔条纹，不会在图像背景中引入条纹结构噪声(克服基于两个光栅的剪切干涉探测方案的缺点)。


技术实现要素：

7.鉴于上述问题，本发明的目的是提出一种抑制天光背景噪声的新型剪切干涉探测装置及其探测方法，可放置在已有光学搜索跟踪望远镜或星敏感器等光学探测系统(以下简称传统光学探测系统)中，可以实现大型望远镜的全天时暗弱小目标的发现与跟踪，激光束的全天时精确指向、飞行器的全天时姿态控制等功能。
8.为实现上述目的，本发明采用以下具体技术方案：
9.本发明提供一种抑制天光背景噪声的新型剪切干涉探测装置，包括：马赫曾德干涉仪、光学延迟装置、相位调制装置和剪切平移机构；
10.目标和天光背景发出的混合光束入射至马赫曾德干涉仪；
11.马赫曾德干涉仪包括：第一分光镜、第一反射镜、第二反射镜和第二分光镜；
12.相位调制装置包括微位移机构，微位移机构与第一反射镜或第二反射镜固定连接，用于调节第一反射镜或第二反射镜的位置；剪切平移机构与微位移机构进行固定连接；
13.其中第一分光镜、第一反射镜和第二分光镜组成干涉仪上臂，第一分光镜、第二反射镜和第二分光镜组成干涉仪下臂；
14.光学延迟装置包括：第一光学延迟线和第二光学延迟线；
15.第一光学延迟线放置在第一分光镜和第一反射镜之间；
16.第二光学延迟线放置在第二反射镜和第二分光镜之间；
17.混合光束首先入射至第一分光镜被分成第一光束和第二光束；
18.第一光束和第二光束分别经过干涉仪上臂和干涉仪下臂传输后，经第二分光镜合束并产生干涉，形成第一剪切光束和第二剪切光束。
19.优选地，
20.微位移机构固定安装在第一反射镜或第二反射镜的背面，剪切平移机构与微位移机构进行固定连接；
21.通过微位移机构的伸缩运动实现第一反射镜或第二反射镜的周期性往返移动，从而引起第一剪切光束和第二剪切光束的光程差的周期性变化；
22.剪切平移机构用于改变第一反射镜或第二反射镜的位置，从而引起第一反射镜或第二反射镜的反射光束在第二分光镜上落点位置的变化，进而改变第一剪切光束和第二剪切光束之间的剪切量。
23.优选地，探测装置放置在传统光学探测器系统的前端或传统光学探测器系统内部的二次瞳面位置处，传统光学探测器系统包括：第一成像镜头、相机和图像处理与显示设备；
24.混合光束经探测装置出射后，经过第一成像镜头进入相机得到目标图像的帧序列数据，图像处理与显示设备用于对帧序列数据进行解调后得到目标信号，并通过图像处理得到目标的位置坐标和形状。
25.本发明还提供一种抑制天光背景噪声的新型剪切干涉探测装置，包括：马赫曾德干涉仪、光学延迟装置、相位调制装置和剪切平移机构；
26.目标和天光背景发出的混合光束入射至马赫曾德干涉仪；
27.马赫曾德干涉仪包括：第一分光镜、第一反射镜、第二反射镜和第二分光镜；剪切平移机构与第一反射镜或第二反射镜固定连接，用于调节第一反射镜或第二反射镜的位置；
28.其中第一分光镜、第一反射镜和第二分光镜组成干涉仪上臂，第一分光镜、第二反射镜和第二分光镜组成干涉仪下臂；
29.光学延迟装置包括：第一光学延迟线和第二光学延迟线；相位调制装置包括：第一相位调制器件和第二相位调制器件；
30.第一光学延迟线和第一相位调制器件依次放置在第一分光镜和第一反射镜之间；
31.第二光学延迟线和第二相位调制器件放置在第二反射镜和第二分光镜之间；
32.混合光束首先入射至第一分光镜被分成第一光束和第二光束；
33.第一光束和第二光束分别经过干涉仪上臂和干涉仪下臂传输后，经第二分光镜合束并产生干涉，形成第一剪切光束和第二剪切光束。
34.优选地，在第一相位调制器件和第二相位调制器件中：
35.其中一个相位调制器件不工作，提供静态相位延迟，另一个相位调制器件正常工作，在静态相位延迟基础上提供动态周期性的相位调制。
36.优选地，探测装置放置在传统光学探测系统的前端或位于传统光学探测系统内部的二次光瞳面处；
37.传统光学探测系统包括：第一成像镜头、第二成像镜头、准直镜头、相机和图像处理与显示设备；
38.混合光束首先入射至第二成像镜头，经第二成像镜头会聚到焦点位置处，第二成像镜头的后焦点与准直镜头的前焦点重合，再经过准直镜头准直后穿过探测装置入射至第一成像镜头，经第一成像镜头的会聚进入相机，得到目标图像的帧序列数据，图像处理与显示设备用于对帧序列数据进行解调后得到目标信号，并通过图像处理得到目标的位置坐标和形状。
39.优选地，通过调节第一光学延迟线和第二光学延迟线的光程差，使干涉仪上臂和干涉仪下臂的光程相等，进而使第一剪切光束和第二剪切光束的光程相等进而产生干涉；
40.光程差的补偿精度应优于平均工作波长的1/10，光程差补偿范围大于第一剪切光束和第二剪切光束所产生的最大光程差。
41.优选地，第一分光镜和第二分光镜的透射光与反射光能量比为1：1；第一分光镜和第二分光镜为分光棱镜、分光平板或分光薄膜；
42.第一反射镜和第二反射镜的反射率接近100％且反射前后光束的偏振态保持不变；第一反射镜和第二反射镜为金属反射镜、介质膜反射镜或全反射棱镜。
43.本发明还提供一种抑制天光背景噪声的新型剪切干涉的探测方法，包括以下步骤：
44.s1、对目标图像进行图像分割与序列重组得到目标图像中每个像素的序列数据；
45.s2、将像素的序列数据与目标光束的调制信号进行相关运算得到每个像素对应的解调数值；
46.s3、对每个像素的对应的解调数值进行图像重构得到整幅图像对应的解调数值。
47.优选地，还包括预处理步骤s0、通过相机获取目标图像的帧序列数据；
48.还包括后处理步骤s4、通过对整幅图像对应的解调数值进行图像处理后得到干涉探测的重构图像。
49.与现有的技术相比，本发明可放置在已有光学搜索跟踪望远镜或星敏感器等光学探测系统(以下简称传统光学探测系统)中，可以实现大型望远镜的全天时暗弱小目标的发现与跟踪，激光束的全天时精确指向、飞行器的全天时姿态控制等功能。
附图说明
50.图1是根据本发明第一个实施例提供的抑制天光背景噪声的新型剪切干涉探测装置的结构示意图。
51.图2是根据本发明实施例提供的抑制天光背景噪声的新型剪切干涉探测装置的功能框图。
52.图3是根据本发明实施例提供的抑制天光背景噪声的新型剪切干涉探测装置的重构图像示意图。
53.图4是根据本发明实施例提供的抑制天光背景噪声的新型剪切干涉探测装置的第一种应用方式示意图。
54.图5是根据本发明第二个实施例提供的抑制天光背景噪声的新型剪切干涉探测装置的结构示意图。
55.图6是根据本发明实施例提供的抑制天光背景噪声的新型剪切干涉探测装置的第二种应用方式示意图。
56.图7是根据本发明实施例提供的抑制天光背景噪声的新型剪切干涉探测方法的流程示意图。
57.其中的附图标记包括：目标1、天光背景2、第一分光镜3、第一光学延迟线4、第一反射镜5、微位移机构6、剪切平移机构7、第二反射镜8、第二光学延迟线9、第二分光镜10、第一剪切光束11、第二剪切光束12、第一成像镜头13、相机14、图像处理与显示设备15、混合光束16、本发明探测装置17、第二成像镜头18、准直镜头19、第一相位调制器件20和第二相位调制器件21。
具体实施方式
58.在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在下面的描述中，相同的模块使用相同的附图标记表示。在相同的附图标记的情况下，它们的名称和功能也相同。因此，将不重复其详细描述。
59.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。
60.图1示出了根据本发明第一个实施例提供的抑制天光背景噪声的新型剪切干涉探测装置的结构示意图。
61.如图1所示，本发明第一个实施例提供的抑制天光背景噪声的新型剪切干涉探测装置包括：马赫曾德干涉仪、光学延迟装置、相位调制装置和剪切干涉机构。
62.目标1和天光背景2发出的混合光束16作为入射光束入射至马赫曾德干涉仪结构中。目标1和天光背景2是空中实际物体，目标1可以是自然天体(恒星、行星等)，也可以是人造物体(卫星、飞机等)，天光背景2是由大气散射引起的背景光分布(晴朗的天光背景是蓝色的)。
63.马赫曾德干涉仪包括：第一分光镜3、第一反射镜5、第二反射镜8和第二分光镜10。
64.其中第一分光镜3、第一反射镜5和第二分光镜10组成干涉仪上臂，第一分光镜3、第二反射镜8和第二分光镜10组成干涉仪下臂。
65.混合光束首先入射至第一分光镜3，混合光束被第一分光镜3分成第一光束和第二光束。
66.第一光束和第二光束分别经过干涉仪上臂和干涉仪下臂传输后，经第二分光镜10合束并产生干涉，形成第一剪切光束11和第二剪切光束12。
67.第一分光镜3和第二分光镜10尽量保证产生的第一剪切光束11和第二剪切光束12的偏振态相同且光强(或能量)相等，第一分光镜3和第二分光镜10可选择透射与反射光能量比为1：1的保偏分光器件(即分光前后光束的偏振态保持不变)。分光器件的类型不限，可选择分光棱镜、分光平板、分光薄膜等分光器件。
68.第一反射镜5和第二反射镜8尽量反射更多的光强(或能量)且保证反射前后的光束偏振态相同，第一反射镜5和第二反射镜8可选反射率接近100％的保偏反射镜(即反射前后光束的偏振态保持不变)。反射镜的类型不限，可选择金属反射镜、介质膜反射镜、全反射棱镜等反射器件。
69.光学延迟装置包括：第一光学延迟线4和第二光学延迟线9。
70.第一光学延迟线4放置在干涉仪上臂的光路中，具体放置在第一分光镜3和第一反射镜5之间；
71.第二光学延迟线9放置在干涉仪下臂的光路中，具体放置在第二反射镜8和第二分光镜10之间。
72.通过调节第一光学延迟线4和第二光学延迟线9的光程差，使得干涉仪上臂和干涉仪下臂的光程相等，使得到的第一剪切光束11和第二剪切光束12的光程相等，容易实现宽带光目标光的干涉。
73.第一光学延迟线4和第二光学延迟线9实现对干涉仪上臂和干涉仪下臂光路的光程差(或相位差)补偿。为了产生较好的光程差补偿效果，光程差补偿精度应优于平均工作波长的1/10，光程差补偿范围应大于第一剪切光束11和第二剪切光束12所能产生的最大光程差。另外，本发明光路中没有类似光栅的周期性波面调制器件，故天光背景光不会在相机靶面产生摩尔条纹结构。
74.第一光学延迟线4和第二光学延迟线9的具体类型不限，可选择由多块反射镜与平移机构组成的光学延迟线，由多块棱镜组成的可变厚度的光学延迟线，以及光纤相位延迟器等。
75.相位调制装置包括微位移机构6，微位移机构6安装在第一反射镜5或第二反射镜8的背面，与第一反射镜5或第二反射镜8之间进行固定连接，微位移机构6与第一反射镜5或第二反射镜8共同组成相位调制装置，用于调节第一反射镜5或第二反射镜8的位置。
76.相位调制装置是由第一反射镜5(或第二反射镜8)与微位移机构6组成的组合机
构，通过微位移机构6的伸缩运动可实现第一反射镜5(或第二反射镜8)的周期性往返移动，引起第一光束和第二光束经第二分光镜10合束后产生的第一剪切光束11和第二剪切光束12的光程差的周期性变化，从而实现对目标光能量的调制(即将目标光能量搬移到更高频率)。
77.微位移机构6的功能是，通过其伸缩运动可实现第一反射镜5(或第二反射镜8)的周期性往返移动，引起第一光束和第二光束经分光镜10合束后产生的第一剪切光束11和第二剪切光束12的光程差的周期性变化，从而实现对目标光能量的调制(即将目标光能量搬移到更高频率)。为了产生较好的目标光调制效果，微位移机构6的位移精度应优于平均工作波长的1/10，位移范围应大于平均工作波长的1/2，在器件性能允许情况下往返运动频率越高越好，通常可选几十hz至几khz(甚至更高频率)。微位移机构6的类型不限，可选择压电陶瓷促动器或者音圈电机促动器等。
78.剪切平移机构7固定在第一反射镜5(或第二反射镜8)的背面且与微位移机构6固定连接。
79.剪切平移机构7可较大范围改变第一反射镜5(或第二反射镜8)的位置，从而引起第一反射镜5(或第二反射镜8)的反射光束在第二分光镜10上的落点位置的变化，进而改变第一剪切光束11和第二剪切光束12之间的剪切量(即光束中心间距)。
80.第一剪切光束11和第二剪切光束12的剪切量的选择应大于天光背景2的远场相干区域直径(微米量级)，小于目标1光的远场相干区域直径(mm量级)。为了使目标光产生对比度较高的干涉效果并且抑制天光背景干涉，剪切平移机构7的位移精度应优于微米量级，位移行程应大于cm级。剪切平移机构7的类型不限，可选螺纹杆驱动的手动或电动平移台、电磁驱动的滑槽式平移台等。
81.第一成像镜头13、相机14和图像处理与显示设备15均为传统光学探测系统中的器件(或设备)。
82.第一剪切光束11和第二剪切光束12经过第一成像镜头13会聚在相机14的靶面。
83.在相机14的靶面上：目标光1将形成随时间亮暗变化的光斑(光强周期性变化源于目标光的调制)，天光背景2将充满整个相机靶面(不随时间发生周期性亮暗变化)。
84.图2示出了根据本发明实施例提供的抑制天光背景噪声的新型剪切干涉探测装置的功能框图。
85.图3示出了根据本发明实施例提供的抑制天光背景噪声的新型剪切干涉探测装置的重构图像示意图。
86.如图2和图3所示，在图像处理与显示设备15中安装本发明所述装置所需的信号解调与图像重构软件功能可实现利用微弱信号检测技术(例如相关运算等)从相机14获取的图像帧序列数据中解调出目标信号，并通过图像处理技术生成目标在探测视场中的位置坐标和形状(干涉探测重构图像如图3所示)。
87.图4示出了根据本发明实施例提供的抑制天光背景噪声的新型剪切干涉探测装置的第一种应用方式示意图。
88.如图4所示，为本发明实施例提供的抑制天光背景噪声的新型剪切干涉探测装置的第一种放置和应用方案。
89.该应用方案适用于传统光学探测系统的入瞳(一般为第一个光学镜)口径小于本
发明探测装置17的有效口径的情况。图4中本发明探测装置17放置在传统光学探测系统的前端，目标光与天光背景组合光16先入射本发明探测装置17，再入射传统光学探测系统(由第一成像镜头13、相机14和图像处理与显示设备15组成)。在图像处理与显示设备15中安装本发明探测装置17所需的信号解调与图像重构软件，软件主要功能是利用微弱信号检测技术从相机14所获取的图像帧序列数据中解调出目标信号，并通过图像处理技术生成探测视场中目标1的位置坐标和形状。
90.图5示出了根据本发明第二个实施例提供的抑制天光背景噪声的新型剪切干涉探测装置的结构示意图。
91.如图5所示，第二个实施例提供的抑制天光背景噪声的新型剪切干涉探测装置与第一个实施例的区别之处在于：
92.(1)不包括微位移机构6。
93.(2)相位调制装置包括：第一相位调制器件20和第二相位调制器件21。
94.第一相位调制器件20和第二相位调制器件21是两个独立的器件，分别在干涉仪上臂和干涉仪下臂光路中各放置一个，其中一个相位调制器件不工作，提供静态相位延迟，另一个相位调制器件正常工作，在静态相位延迟基础上提供动态周期性的相位调制。
95.第一相位调制器件20具体位于第一光学延迟线4和第一反射镜5之间；
96.第二相位调制器件21具体位于第二光学延迟线9和第二分光镜10之间。
97.当第一光学延迟线4和第二光学延迟线9的相位补偿量足够大时(大于两束剪切光束的相位差与一个相位调制器件的静态相位延迟之和时)，只需要在干涉仪的上臂(或下臂)中放置一个第一相位调制器件20(或第二相位调制器件21)即可实现对目标光能量的周期性调制。
98.为了产生较好的目标光调制效果，第一相位调制器件20和第二相位调制器件21的与相位对应的光程变化精度应优于平均工作波长的1/10，与相位对应的光程变化范围应大于平均工作波长的1/2，在器件性能允许情况下相位调制频率越高越好，通常可选几十hz至几khz(甚至更高频率)。第一相位调制器件20和第二相位调制器件21的类型不限，可选择声光调制器、电光调制器或者光纤相位调制器等。
99.图6示出了根据本发明实施例提供的抑制天光背景噪声的新型剪切干涉探测装置的第二种应用方式示意图。
100.如图6所示，在本发明实施例提供的抑制天光背景噪声的新型剪切干涉探测装置的第二种应用方案中：
101.第二成像镜头18、准直镜头19、第一成像镜头13、相机14和图像处理与显示设备15均属于传统光学探测系统。
102.本发明第二个实施例提供的探测装置适用于传统光学探测系统的入瞳(一般为第一个光学镜头)口径大于本发明探测装置17的有效口径的情况。
103.本发明探测装置17放置在传统光学探测系统的内部，位于二次光瞳面处(二次光瞳是指利用光学系统的中间焦点再次准直后所产生的瞳面)。具体放置在准直镜头19与第一成像镜头13之间。为了使本发明探测装置17可以高性能工作，二次瞳面口径应小于本发明探测装置17的有效口径。
104.目标光与天光背景混合光束16先入射第二成像镜头18，经第二成像镜头18会聚到
焦点位置之后的准直镜头19，再通过准直镜头19将焦点准直为平面波。本发明探测装置17放置在准直镜头19后面的二次光瞳面处，穿过本发明探测装置17的光束利用第一成像镜头13会聚到相机14的靶面。在图像处理与显示设备15中安装本发明所述装置17所需的信号解调与图像重构软件，软件主要功能是利用微弱信号检测技术从相机14所获取的图像帧序列数据中解调出目标信号，并通过图像处理技术生成探测视场中目标的位置坐标和形状。
105.图7示出了根据本发明实施例提供的抑制天光背景噪声的新型剪切干涉探测方法的流程示意图。
106.如图7所示，本发明实施例提供的抑制天光背景噪声的新型剪切干涉探测方法包括以下步骤：
107.预处理步骤s0、通过相机获取目标图像的帧序列数据。
108.s1、对目标图像进行图像分割与序列重组得到目标图像中每个像素的序列数据。
109.图像分割与序列重组的过程为：
110.首先，通过相机获取多帧图像数据(即很多幅图像，并且每幅图像均包含相机靶面所有像素的灰度信息和位置信息)，这些图像数据按照时间先后顺序形成图像帧序列；然后，把相机靶面上每一个像素所对应的图像帧序列数据提取出来(即获得相机靶面上每一个像素的时间序列数据)。
111.s2、将像素的序列数据与目标光束的调制信号进行相关运算得到每个像素对应的解调数值。
112.目标光束调制信号指的是通过相位调制装置得到的调制信号，即解调信号采用与调制信号相同频率的单频信号(例如正弦波信号)。调制信号频率是根据实际情况设定的，一旦确定，解调信号的频率也就确定(与调制信号相等)，利用计算机编程可生成解调信号(单频信号，例如正弦波信号)。
113.两个一维函数(即两个一维信号)的相关运算表达式为：h(τ)＝∫f(x)g(x-τ)dx，
114.式中，
115.f(x)和g(x)为两个参加相关运算的函数，h(τ)为相关运算结果，x为函数自变量(也是积分变量)，τ为相关参数(对于自相关来说，f(x)＝g(x)，一般情况下τ越大，相关结果h(τ)越小，即两个函数的相关性越差)。
116.s3、对每个像素的对应的解调数值进行图像重构得到整幅图像对应的解调数值。
117.图像重构的过程为：每个像素的解调数值放置在最终图像中的位置等于该像素所在相机靶面位置，从而将所有像素的解调数值组成一幅图像。
118.s4、通过对整幅图像对应的解调数值进行图像处理后得到干涉探测的重构图像。
119.步骤s4中的图像处理为非必要步骤，一般到步骤s3就可以获得干涉探测图像，只不过该图像可能不是最佳效果，可以通过图像处理提升效果。常用的图像处理就是图像对比度调节和图像亮度调节。
120.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
121.以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范
围内。