CN106680831B - 激光主动相干平衡探测偏振分析仪 - Google Patents
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Abstract
一种激光主动相干平衡探测偏振分析仪，包括激光器、本振光分光模块、偏振态发生模块、光学发射天线、回波接收光学天线、回波偏振分光棱镜、水平振动处理模块、垂直振动处理模块和数据处理器；所述的本振光分光模块包括第一分光棱镜、第二分光棱镜、第一半波片和第二半波片；所述的水平振动处理模块包括第一90°2×4空间光桥接器、第一左通道平衡接收机、第一右通道平衡接收机和第一复数化器；所述的垂直振动处理模块包括第二90°2×4空间光桥接器、第二左通道平衡接收机、第二右通道平衡接收机和第二复数化器。本发明具有接收灵敏度高、探测能力强、信噪比高、作用距离范围广的特点，是主动照明获取目标偏振信息的重要技术改进。
Description
技术领域
本发明涉及目标偏振反射特性的测量，尤其是涉及一种基于90°2×4空间光桥接器的激光主动相干平衡探测偏振分析仪。
背景技术
采用激光作为照明光源的主动偏振探测技术近年来成为国内外研究的热点，通过目标反射后偏振态的改变计算其Mueller矩阵，分析目标反射光强度、偏振度、消偏振等特性，进而可以得到目标自身的特性。传统的偏振探测系统往往采用直接探测的方式，多应用于工业检测与医学生物领域。而遥感探测与军事目标识别领域对系统的灵敏度、探测能力、信噪比等要求大幅提高，直接探测的方式有较强的距离局限性，因此开展偏振态相干平衡探测技术具有非常重要的意义。
在先进技术【(1)Tyo J Scott,Goldstein Dennis L,Chenault David B,etal.Review of passive imaging polarimetry for remote sensing applications[J].Applied Optics,2006,45(22):5453-5469；(2)王霞，张明阳，陈振跃，拜晓峰，金伟其.主动偏振成像的系统结构概述[J].红外与激光工程.2013,42(8):2244～2251】中，分别介绍了主动偏振成像技术的发展，分析了主动偏振成像的基本原理与结构组成，给出了几种典型的主动偏振成像系统结构的技术方案并分析其优缺点。这些成像系统均采用传统的直接探测方式来探测全部的斯托克斯参量，因此这些装置均无法实现高灵敏度的全斯托克斯参量测量需求。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种基于90°2×4空间光桥接器的激光主动相干平衡探测偏振分析仪。由于采取光学平衡探测的方法同时获取了携带目标偏振信息回波信号的实部和虚部，因此系统具有接收灵敏度高、探测能力强、信噪比高、作用距离范围广的特点，是主动照明获取目标偏振信息的重要技术改进。
本发明的原理是：
主动发射一系列具有不同偏振态的激光照射到一定距离处的目标平面，选取一部分发射激光作为本振激光光束。在接收端，携带目标偏振信息的回波信号经过偏振分束器等分为水平及垂直两个偏振态的振动分量，分别采用90°2×4空间光桥接器和两路平衡接收的光学外差探测器对两路不同振动分量的回波信号光进行光学外差平衡接收，分别得到两路相位具有90°相移的外差电流实数信号，并通过数字复数化处理合并为复数信号，从而得到携带目标偏振信息的水平偏振回波信号及垂直偏振回波信号。用Stokes矢量描述目标回波光场的偏振信息，并在此基础上运算得到携带目标偏振信息的Mueller矩阵，最终获得待测目标的偏振特性。
本发明的技术解决方案如下：
一种基于90°2×4空间光桥接器的激光主动相干平衡探测偏振分析仪，其特点在于，包括激光器、本振光分光模块、偏振态发生模块、光学发射天线、回波接收光学天线、回波偏振分光棱镜、水平振动处理模块、垂直振动处理模块和数据处理器；
所述的本振光分光模块包括第一分光棱镜、第二分光棱镜、第一半波片和第二半波片；
所述的水平振动处理模块包括第一90°2×4空间光桥接器、第一左通道平衡接收机、第一右通道平衡接收机和第一复数化器；
所述的垂直振动处理模块包括第二90°2×4空间光桥接器、第二左通道平衡接收机、第二右通道平衡接收机和第二复数化器；
所述激光器的激光输出主光轴上依次是所述的本振光分光模块、偏振态发生模块、和光学发射天线，激光器发射的激光经第一分光棱镜分束，一部分发射光束进入偏振态发生模块，并经过光学发射天线照射到目标表面；另一部分经过第二分光棱镜分束，一束经第一半波片在第一出射端形成水平振动方向的本振激光光束，另一束经第二半波片在第二出射端形成垂直振动方向的本振激光光束；
照射到目标表面上的发射光束经反射后，携带有目标偏振信息的回波光束进入所述的回波接收光学天线，经回波接收光学天线缩束后，射入回波偏振分光棱镜，经回波偏振分光棱镜分为二束，一束在第一出射端形成水平振动方向的目标回波光束、另一束在第二出射端形成垂直振动方向的目标回波光束；
所述的水平振动方向的本振激光光束和所述的水平振动方向的目标回波光束分别输入至第一90°2×4空间光桥接器，经过第一90°2×4空间光桥接器产生依次具有90°相位差的四路光束输出，其中两路相移180°的光束由第一左通道平衡接收机进行光电探测变成左通道实数信号，并进一步转化为左通道数字信号；另外两路相移180°的光束由第一右通道平衡接收机进行光电探测变成右通道实数信号，并进一步转化为右通道数字信号，所述的左通道数字信号和右通道数字信号经过第一复数化器合并，转化为回波信号光水平分量的复数信号；
所述的垂直振动方向的本振激光光束和所述的垂直振动方向的目标回波光束分别输入至第二90°2×4空间光桥接器，经过第二90°2×4空间光桥接器产生依次具有90°相位差的四路光束输出，其中两路相移180°的光束由第二左通道平衡接收机进行光电探测变成实数信号，并进一步转化为左通道数字信号；另外两路相移180°的光束由第二右通道平衡接收机进行光电探测变成实数信号，并进一步转化为右通道数字信号，所述的左通道数字信号和右通道数字信号经过第二复数化器合并，转化为回波信号光垂直分量的复数信号；
所述的回波信号光水平分量及垂直分量的复数信号通过数据处理器将回波光场的Stokes矢量表示出来。通过调节所述的偏振态发生模块改变发射光束的偏振态，得到多组发射光束与回波光场的Stokes矢量，并在此基础上运算得到携带目标偏振信息的Mueller矩阵，最终获得待测目标的偏振特性。
所述的偏振态发生模块有两种不同类型的装置。第一种是由线偏振片与四分之一波片构成。通过调整线偏振片的角度和四分之一波片快轴的夹角，使出射激光具有不同的偏振状态。第二种是由起偏器和相位调制器构成，通过调整作用于相位延迟调制器上的电压产生所需的不同偏振状态的激光。
所述的回波接收光学天线由焦距为f1的第一透镜、小孔光阑和焦距为f2的第二透镜构成。第一透镜与第二透镜保持共焦，小孔光阑位于共焦点起滤波作用，缩束比可由M＝f1/f2计算得到。
与现有技术相比，本发明的技术效果：
1)主动发射一系列具有不同偏振态的激光照射到一定距离处的目标平面，分别采用90°2×4空间光桥接器和两路平衡接收的光学外差探测器对两路不同振动分量的回波信号光进行光学外差平衡接收，并通过数字复数化处理合并为复数信号。
2)由于采取光学平衡探测的方法同时获取了携带目标偏振信息回波信号的实部和虚部，因此具有接收灵敏度高、探测能力强、信噪比高、作用距离范围广的特点，是主动照明获取目标偏振信息的重要技术改进。
附图说明
图1是本发明激光主动相干平衡探测偏振分析仪的结构原理框图。
图2是本发明中光学接收天线结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
请先参阅图1，图1是是本发明激光主动相干平衡探测偏振分析仪的结构原理框图。由图可见，本发明基于90°2×4空间光桥接器的一种激光主动相干平衡探测偏振分析仪，由激光器1，本振光分光模块2，偏振态发生模块3，光学发射天线4，回波接收光学天线5，回波偏振分光棱镜6，水平振动处理模块7、垂直振动处理模块8和数据处理器9。
激光器1的激光输出主光轴上依次是所述的本振光分光模块2，偏振态发生模块3，光学发射天线4。由激光器1发射的激光经本振光分光模块2的第一分光棱镜21分束，一部分发射光束进入偏振态发生模块3，并经过光学发射天线4照射到目标10表面；另一部分经过第二分光棱镜22，并通过调整第一半波片23光轴角度，在其第一出射端231形成水平振动方向的本振激光光束，同时通过调整第二半波片24光轴角度，在第二出射端241形成垂直振动方向的本振激光光束。照射到目标10表面上的发射光束经反射后，携带有目标偏振信息的回波光束进入所述的回波接收光学天线5，由回波偏振分光棱镜6分束，在第一出射端61形成水平振动方向的目标回波光束、第二出射端62形成垂直振动方向的目标回波光束。
所述的水平振动方向的本振激光光束和目标回波光束，输入至水平振动处理模块7，经过第一90°2×4空间光桥接器71产生依次具有90°相位差的四路光束输出，其中两路相移180°的光束由左通道平衡接收机72进行光电探测变成实数信号，并进一步转化为左通道数字信号；另外两路相移180°的光束由右通道平衡接收机73进行光电探测变成实数信号，并进一步转化为右通道数字信号。所述的左通道数字信号和右通道数字信号经过复数化器74合并，转化为回波信号光水平分量的复数信号。
所述的垂直振动方向的本振激光光束和目标回波光束，输入至垂直振动处理模块8，经过第二90°2×4空间光桥接器81产生依次具有90°相位差的四路光束输出，其中两路相移180°的光束由左通道平衡接收机82进行光电探测变成实数信号，并进一步转化为左通道数字信号；另外两路相移180°的光束由右通道平衡接收机83进行光电探测变成实数信号，并进一步转化为右通道数字信号。所述的左通道数字信号和右通道数字信号经过复数化器84合并，转化为回波信号光垂直分量的复数信号。
所述的回波信号光水平分量及垂直分量的复数信号通过数据处理器9将回波光场的Stokes矢量表示出来。通过调节所述的偏振态发生模块3改变发射光束的偏振态，得到多组发射光束与回波光场的Stokes矢量，并在此基础上运算得到携带目标偏振信息的Mueller矩阵，最终获得待测目标的偏振特性。
所述的偏振态发生模块3有两种不同类型的装置。第一种是由线偏振片与四分之一波片构成。通过调整线偏振片的角度和四分之一波片快轴的夹角，使出射激光具有不同的偏振状态。第二种是由起偏器和相位调制器构成，通过调整作用于相位延迟调制器上的电压产生所需的不同偏振状态的激光。
所述的发射天线模块4由焦距为F1的透镜构成，激光出射束腰半径可由计算得到。λ为激光器1的工作波长，ω0为激光器1的束腰半径。
所述的回波接收光学天线5包括焦距为f1的第一透镜51、小孔光阑52和焦距为f2的第二透镜53。所述的第一透镜51与第二透镜53共焦，且小孔光阑52位于共焦点起滤波作用，缩束比由M＝f1/f2计算得到。
下面采用一个目标点来解释本发明激光主动相干平衡探测偏振分析仪的成像原理：
系统到目标的探测距离为z，目标面的坐标系设为(xk,yk)，发射光源选择波长为λ，功率为P的保偏单模激光器，其束腰半径为ω0。发射望远镜焦距F1，,其激光出射束腰半径可以通过计算得到：目标面上的照明光场表示为：
其中，
目标面上照明光斑的直径表示为：目标反射后传播到达接收望远镜系统的回波菲涅尔衍射光场表示为：
其中ρ(xk,yk,z)exp[jφρ(xk,yk,z)]是目标的反射率。
本振光束传输距离为z0，则目标的相对时间延时为设f为回波信号频率，为发射激光的初始相位，为目标通道的相位延时，为本振通道的相位延时，则回波信号表达为：
本振信号表达为：
对于水平振动方向的本振激光光束和目标回波光束：
因此，左平衡接收机的输出为：
右平衡接收机的输出为：
其中，Ai表示与信号强度和探测器有关的常数，代表初始相移。复数化处理后，
对于垂直振动方向的本振激光光束和目标回波光束：
因此，左平衡接收机的输出为：
右平衡接收机的输出为：
复数化处理后，
设定本振信号的振幅为1，与信号光初始相移为0，则上述包含回波信息的复数信号化简为回波光场的表达形式，其偏振态可以表示为：
Ex、δx分别表示沿水平方向(x方向)的振动分量和振动相位，Ey、δy分别表示回沿垂直方向(y方向)的振动分量和相位，δ＝δy-δx表示两个分量的相位差。从而回波光场的斯托克斯矢量可通过定义公式求出：
S'2＝2E0xE0ycosδ
S'3＝2E0xE0ysinδ
回波光场的Stokes矢量可以通过出射激光光束的Stokes矢量的线性组合表示：
Mueller矩阵表示为：
。
Claims (4)
1.一种基于90°2×4空间光桥接器的激光主动相干平衡探测偏振分析仪，其特征在于，包括激光器(1)、本振光分光模块(2)、偏振态发生模块(3)、光学发射天线(4)、回波接收光学天线(5)、回波偏振分光棱镜(6)、水平振动处理模块(7)、垂直振动处理模块(8)和数据处理器(9)；
所述的本振光分光模块(2)包括第一分光棱镜(21)、第二分光棱镜(22)、第一半波片(23)和第二半波片(24)；
所述的水平振动处理模块(7)包括第一90°2×4空间光桥接器(71)、第一左通道平衡接收机(72)、第一右通道平衡接收机(73)和第一复数化器(74)；
所述的垂直振动处理模块(8)包括第二90°2×4空间光桥接器(81)、第二左通道平衡接收机(82)、第二右通道平衡接收机(83)和第二复数化器(84)；
所述激光器(1)的激光输出主光轴上依次是所述的本振光分光模块(2)、偏振态发生模块(3)和光学发射天线(4)，所述激光器(1)的发射光束经第一分光棱镜(21)分束后，一部分发射光束进入偏振态发生模块(3)，并经过光学发射天线(4)照射到目标(10)表面；另一部分经过第二分光棱镜(22)分束，一束经第一半波片(23)在第一出射端(231)形成水平振动方向的本振激光光束，另一束经第二半波片(24)在第二出射端(241)形成垂直振动方向的本振激光光束；
照射到目标(10)表面上的发射光束经反射后，携带有目标偏振信息的回波光束进入所述的回波接收光学天线(5)，经回波接收光学天线(5)缩束后，射入回波偏振分光棱镜(6)，经回波偏振分光棱镜(6)分为二束，一束在第一出射端(61)形成水平振动方向的目标回波光束、另一束在第二出射端(62)形成垂直振动方向的目标回波光束；
所述的水平振动方向的本振激光光束和所述的水平振动方向的目标回波光束分别输入至第一90°2×4空间光桥接器(71)，经过第一90°2×4空间光桥接器(71)产生依次具有90°相位差的四路光束输出，其中两路相移180°的光束由第一左通道平衡接收机(72)进行光电探测变成左通道实数信号，并进一步转化为左通道数字信号；另外两路相移180°的光束由第一右通道平衡接收机(73)进行光电探测变成右通道实数信号，并进一步转化为右通道数字信号，所述的左通道数字信号和右通道数字信号经过第一复数化器(74)合并，转化为回波信号光水平分量的复数信号；
所述的垂直振动方向的本振激光光束和所述的垂直振动方向的目标回波光束分别输入至第二90°2×4空间光桥接器(81)，经过第二90°2×4空间光桥接器(81)产生依次具有90°相位差的四路光束输出，其中两路相移180°的光束由第二左通道平衡接收机(82)进行光电探测变成第二左通道实数信号，并进一步转化为第二左通道数字信号；另外两路相移180°的光束由第二右通道平衡接收机(83)进行光电探测变成第二右通道实数信号，并进一步转化为第二右通道数字信号，所述的第二左通道数字信号和第二 右通道数字信号经过第二复数化器(84)合并，转化为回波信号光垂直分量的复数信号；
所述的回波信号光水平分量的复数信号和所述的回波信号光垂直分量的复数信号通过数据处理器(9)将回波光场的Stokes矢量表示出来。
2.根据权利要求1所述的基于90°2×4空间光桥接器的激光主动相干平衡探测偏振分析仪，其特征在于，所述的偏振态发生模块(3)由线偏振片与四分之一波片构成，通过调整线偏振片的角度和四分之一波片快轴的夹角，使出射激光具有不同的偏振状态。
3.根据权利要求1所述的基于90°2×4空间光桥接器的激光主动相干平衡探测偏振分析仪，其特征在于，所述的偏振态发生模块(3)由起偏器和相位调制器构成，通过调整作用于相位延迟调制器上的电压产生所需的不同偏振状态的激光。
4.根据权利要求1所述的基于90°2×4空间光桥接器的激光主动相干平衡探测偏振分析仪，其特征在于，所述的回波接收光学天线(5)包括：焦距为f1的第一透镜(51)、小孔光阑(52)和焦距为f2的第二透镜(53)，所述的第一透镜(51)与第二透镜(53)共焦，且小孔光阑(52)位于共焦点起滤波作用，缩束比由M＝f1/f2计算得到。
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|---|
| 直视合成孔径激光成像雷达外差接收理论分析;张国 等;《2016年红外、遥感技术与应用研讨会暨交叉学科论坛论文集》;20161206;119-123 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN106680831A (zh) | 2017-05-17 |
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Legal Events
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