时间透镜扫描系统、参数优化方法

本技术涉及超快光学与光电信号处理，具体而言，涉及一种时间透镜扫描系统、参数优化方法。

背景技术：

1、时间透镜是一种时域等效透镜，通过在时间上施加近似二次相位(为相位曲率）并配合色散元件，可实现时间聚焦与时域成像。工程上常用灵活简单可控的电光相位调制器在射频驱动下产生时间变化相位。

2、现有方案中，为得到较高的时间分辨率，即更窄的聚焦脉冲，通常需要：

3、（1）更大的相位曲率k：需要更快的瞬时频率扫掠或更大的调制电压；

4、（2）更大的“时间孔径”，即更大的有效调制窗口；

5、（3）更高的调制线性与更平坦的幅相响应。

6、然而在实际系统中，射频链路、功放与调制器的带宽与幅相响应有限，导致大宽带的理想二次相位难以在宽时间窗内精确实现。若一味提升调制频率与调制电压，往往受器件成本、损耗、驱动电压与系统复杂度限制。因此，现有技术难以实现在有限电子带宽与有限驱动能力条件下进一步缩短时间聚焦脉冲宽度，以提升时间透镜分辨率。

技术实现思路

1、本技术实施例的目的在于提供一种时间透镜扫描系统、参数优化方法，用以通过时间透镜单元对连续激光信号施加复合时间相位调制和色散传播，生成主瓣压缩的时域超振荡聚焦光脉冲信号，从而实现在有限电子带宽与有限驱动能力条件下进一步缩短时间聚焦脉冲宽度，提升时间透镜分辨率。

2、第一方面，本技术实施例提供一种时间透镜扫描系统，该系统包括：激光发射单元、时间透镜单元和信号处理单元；激光发射单元用于向时间透镜单元发射连续激光信号；时间透镜单元用于对连续激光信号施加复合时间相位调制和色散传播，生成主瓣压缩的时域超振荡聚焦光脉冲信号；信号处理单元用于基于主瓣压缩的时域超振荡聚焦光脉冲信号对待检测目标进行扫描，获得扫描结果。

3、本技术实施例中，通过时间透镜单元对连续激光信号施加复合时间相位调制和色散传播，生成主瓣压缩的时域超振荡聚焦光脉冲信号，并以该主瓣压缩的时域超振荡聚焦光脉冲信号对待检测目标进行扫描，获得扫描结果。使得不仅实现在有限电子带宽与有限驱动能力条件下进一步缩短时间聚焦脉冲宽度，提升时间透镜分辨率，还能提高扫描结果的准确性，从而为基于扫描结果进行后续分析打下坚实基础。

4、在一些实施例中，时间透镜单元包括电光相位调制模块、复合射频驱动模块和色散聚焦模块；其中，复合射频驱动模块用于产生复合射频驱动信号；其中，复合射频驱动信号包括低频基础分量和高频调制分量；电光相位调制模块用于接收连续激光信号和复合射频驱动信号，并基于复合射频驱动信号对连续激光信号进行复合时域相位调制，生成复合相位调制光信号；色散聚焦模块用于对复合相位调制光信号进行聚焦和压缩，生成主瓣压缩的时域超振荡聚焦光脉冲信号。

5、本技术实施例中，时间透镜单元包括电光相位调制模块、复合射频驱动模块和色散聚焦模块，其中，复合射频驱动模块用于产生包括低频基础分量和高频调制分量的复合射频驱动信号。在这个过程中，通过在传统电光时间透镜的低频射频调制基础上，引入高频射频分量，并将其与低频射频分量合成为复合射频驱动信号。通过该复合射频驱动信号作用于电光相位调制器后，使得连续激光信号在光场上形成复合时间相位；而调制后的光场经后续色散介质传播后，时间点扩散函数被重新塑形，使主瓣肩部受到相消干涉抑制，获得窄化的时间主瓣，从而形成主瓣压缩的时域超振荡聚焦光脉冲信号，实现更窄的脉冲压缩效果，提升时间透镜分辨率。

6、在一些实施例中，复合射频驱动模块包括低频信号生成器、高频信号生成器和功率合路器；低频信号生成器和高频信号生成器分别与功率合路器连接；其中，低频信号生成器用于产生低频基础分量；高频信号生成器用于产生高频调制分量；功率合路器用于基于低频基础分量和高频调制分量，生成复合射频驱动信号。

7、本技术实施例中，通过低频信号生成器产生低频基础分量，通过高频信号生成器产生高频调制分量，通过功率合路器生成复合射频驱动信号，从而大幅降低互调失真，保证信号纯净度，并且能够实现独立、灵活的功率控制。

8、在一些实施例中，高频信号生成器包括高频射频源、门控单元和移相器；高频射频源用于产生初始高频调制信号；门控单元用于对初始高频调制信号进行时域窗口选择，生成门控高频信号；移相器用于对门控高频信号的相位进行调节，使得相位调节后的门控高频信号在低频基础分量的峰值位置处左右对称，生成高频调制分量。

9、本技术实施例中，高频信号生成器包括高频射频源、门控单元和移相器。通过门控单元对初始高频调制信号进行时域窗口选择，使得高频输出限制在低频波形的窄时域窗口，通过移相器使得相位调节后的门控高频信号在低频基础分量的峰值位置处左右对称，使得高频脉冲包络的偶次谐波分量被自然抵消。在这个过程中，通过“时域选通”与“相位对齐”的协同，让高频分量在低频分量的最佳作用窗口内高效注入，从而提高能量效率。

10、在一些实施例中，时间透镜扫描系统还包括参数优化单元；参数优化单元与复合射频驱动模块连接；其中，参数优化单元用于根据低频基础分量和预设优化目标函数，通过迭代仿真，生成高频调制分量的调制参数，并将调制参数发送给复合射频驱动模块；其中，调制参数包括高频幅度参数、高频频率参数和门控参数。

11、本技术实施例中，通过参数优化单元对高频调制分量的调制参数进行优化，使得在有限电子带宽和有限驱动功率条件下，使聚焦输出脉冲主瓣宽度减小，同时控制旁瓣增强和能量损失。

12、在一些实施例中，复合射频驱动信号如下：；其中，表示低频基础分量，表示高频调制分量，表示低频幅度，表示低频频率，表示低频初始相位，表示门控函数，表示高频幅度，表示高频频率，表示高频初始相位。

13、本技术实施例中，通过在低频基础分量的基础上，叠加高频调制分量，其中，高频调制分量包括门控参数、高频幅度和高频频率。在这个过程中，通过引入经门控、移相和幅度调节的高频射频调制分量，使复合相位包括用于实现传统时间透镜聚焦的低频近二次相位，以及用于重排聚焦点扩散函数的局部高频相位纹理，从而生成复合相位调制光信号。

14、在一些实施例中，复合射频驱动模块还包括射频放大器；射频放大器的输入端与功率合路器的输出端连接，射频放大器的输出端与电光相位调制模块连接；其中，射频放大器用于对复合射频驱动信号进行放大，生成放大后的复合射频驱动信号。

15、本技术实施例中，通过射频放大器对复合射频驱动信号进行放大，以达到时域脉冲聚焦所需的相位调制曲率需求，同时补偿信号传输损耗，提高信噪比。

16、在一些实施例中，信号处理单元包括：环形器、准直器、探测器和处理模块；环形器包括第一端口、第二端口和第三端口；环形器通过第一端口接收主瓣压缩的时域超振荡聚焦光脉冲信号，并经第二端口将主瓣压缩的时域超振荡聚焦光脉冲信号传输给准直器；准直器基于主瓣压缩的时域超振荡聚焦光脉冲信号，对待检测目标进行扫描，获得回波信号；探测器用于探测经环形器的第三端口输出的回波信号，并将回波信号转换为回波电信号；处理模块用于对回波电信号进行处理，以确定待检测目标的距离信息。

17、本技术实施例中，利用主瓣压缩的时域超振荡聚焦光脉冲信号实现高分辨率探测，同时借助环形器的共光路设计和窄脉冲时域特性，提升了测距精度。

18、在一些实施例中，激光发射单元包括激光发射模块和偏振控制模块，偏振控制模块用于对激光发射模块发射的连续激光信号的偏振态进行调节。

19、本技术实施例中，通过偏振控制模块对连续激光信号的偏振态进行调节，使得连续激光信号能够被电光相位调制模块进行高度响应，从而为时间透镜单元提供低相噪、高频率稳定性的单频保偏连续光载波，是时间透镜调制的光学基础。

20、第二方面，本技术实施例提供一种参数优化方法，该方法包括：根据低频基础分量参数，生成基础时间透镜相位；设定高频调制分量的待优化参数集；其中，待优化参数集包括初始幅度参数、初始频率参数和初始门控参数；在基础时间透镜相位上，叠加受初始门控参数限制的初始幅度参数和初始频率参数，生成复合时域相位；将复合时域相位作用于输入连续激光信号，结合色散传播方程生成时域超振荡聚焦光脉冲信号，并基于时域超振荡聚焦光脉冲信号的输出波形构造代价函数；根据代价函数，对待优化参数集进行迭代优化，直至满足优化停止条件，生成优化后的参数集。

21、本技术实施例中，通过利用代价函数对高频调制分量的待优化参数集进行迭代优化，获得满足要求的参数集，使得在有限电子带宽和有限驱动功率条件下，使聚焦输出脉冲主瓣宽度减小，同时控制旁瓣增强和能量损失。

22、本技术的其他特征和优点将在随后的说明书阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本技术实施例了解。