一种强度关联微多普勒成像装置和成像方法

1.本发明属于光学成像领域，具体地说是一种强度关联微多普勒成像装置和成像方法。


背景技术：

2.目标微振动产生的微多普勒特征，包含目标的精细结构和运动细节等信息，通过目标的微多普勒特征可以反演目标相关部件的物理结构和局部运动参数，在目标探测识别、目标特征提取、建筑物振动监视、生命体探测等应用场景具有重要意义。现有的微多普勒雷达可实现远距离目标探测以及高分辨率微多普勒信息特征的提取和测试，通过不同目标的微多普勒频率差异实现目标分类。例如：美国的陆军导弹光学测试系统amor，用于远距离目标探测以及高分辨率微多普勒特征的提取和测试；lie-svendsen等人使用双基雷达系统dimura探测到直升机主旋翼和尾旋翼的微多普勒信号，并可得到旋翼转动速度和叶片数量；中国航天科工集团二院23所研究了弹头和诱饵的微多普勒特性，利用目标微多普勒的特征值(周期、强度变化等)可用于真假目标的识别。
3.然而，已有的微多普勒雷达局限于一维时间信号的微多普勒特征探测和提取，缺乏对场景中微振动目标空间位置信息的感知，难以满足局域精准监视、精确打击、高准确率真假目标识别等应用需求。因此，亟需发展能够同时获取目标微振动特性、目标微振动图像信息以及空间位置信息的新型探测与成像技术。


技术实现要素：

4.针对目标微多普勒探测存在的问题，本发明提供一种强度关联微多普勒成像装置，目标探测光路只需要一个点探测器记录目标回波信号，通过物光路微多普勒信号提取，然后和空间调制信号做关联运算，即可获得目标微振动产生的微多普勒图像。
5.为解决上述问题，本发明的技术解决方案如下：
6.一种强度关联微多普勒成像装置，特点是该装置包括：窄线宽激光器，该激光器出射激光分为两路，一是探测光，二是本振光；本振光输入到声光调制器，所述声光调制器输出端连接到光电探测器的本振输入端；探测光方向设置空间光调制器对光场进行空间随机编码调制，调制光出射方向设置分束镜，将光场分为作为参考光的反射光和作为探测光的透射光；沿参考光方向依次设置透镜和阵列探测器；探测光方向依次设置位于远场的待测目标和位于该待测目标反射方向的耦合接收镜，该耦合接收镜连接到光电探测器的信号输入端；波形发生器连接到声光调制器；阵列探测器的数据输出端和光电探测器输出端分别连接到图像重构计算机。所述的声光调制器、空间光调制器、阵列探测器、光电探测器由一个同步信号发生器同步触发同时工作。
7.本发明装置工作过程包括：
8.(1)窄线宽激光器发出脉冲激光分为两束，分别：作为本振光输入声光调制器，作为探测光辐照空间光调制器；
9.(2)波形发生器产生一个固定频率f
if
的信号输入到声光调制器，声光调制器将本振光频率移动f
if
后输入到光电探测器的本振光输入口；
10.(3)空间光调制器对辐照其微镜阵列面的探测光的空间分布进行随机编码调制，调制光出射方向设置分束镜，将光路分为分束器反射方向的参考光路和透射方向的探测光路；
11.(4)参考光路中，空间光调制器、透镜、阵列探测器构成2f系统，由阵列探测器记录光场的远场空间分布；
12.(5)探测光路中，探测光发射到位于远场的待测目标，由所述的耦合接收镜接收来自远场待测目标反射光；所述耦合接收镜将接收光输入到光电探测器的信号光输入口；光电探测器对本振光和探测光作相干探测，输出包含目标信息的中频电流信号；
13.(6)系统发出一系列脉冲激光，计算机对光电探测器记录信号和阵列探测器记录的光场空间分布进行强度关联运算，可以得到目标的微振动图像，即目标振动频率和幅度的空间分布。
14.所述的计算机进行强度关联运算方法为：将某一个脉冲对应输出的中频信号做频谱分析，得到信号的微多普勒频率分布，将超过门限的频谱范围能量谱积分，得到微动目标的强度涨落，将该强度涨落和对应脉冲的空间调制信号进行相关运算，得到复合强度关联分布，再将不同脉冲的复合强度关联分布进行统计平均，即可得到探测信号和调制信号的互相关强度分布信息，即目标微振动产生的微多普勒图像。
15.与现有技术相比，本发明具有以下的技术效果:
16.1、探测光路只需要一个“点”探测器即可获得目标振动图像，无需面阵探测器或者扫描结构。
17.2、成像系统简单、成本低。
附图说明
18.图1是强度关联微多普勒成像装置的结构示意图。
19.其中：1是窄线宽激光器，2是声光调制器，3是波形发生器，4是空间光调制器，5是分束镜，6是透镜，7是面阵探测器，8是待测目标，9是耦合接收镜，10是光电探测器，11是图像重构计算机。
具体实施方式
20.下文结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明。
21.一种强度关联微多普勒成像装置，特点是该装置包括：窄线宽激光器1，该激光器出射激光分为两路，一是探测光，二是本振光；本振光输入到声光调制器2，所述声光调制器2输出端连接到光电探测器10的本振输入端；探测光方向设置空间光调制器4对光场进行空间随机编码调制，调制光出射方向设置分束镜5，将光场分为参考光路和探测光路；分束镜5反射方向为参考光路，依次设置透镜6和阵列探测器7；分束镜6透射方向为探测光路，依次设置位于远场的待测目标8和位于该待测目标反射方向的耦合接收镜9，耦合接收镜9连接到光电探测器10的信号输入端；波形发生器3连接到声光调制器2；阵列探测器2的数据输出端和光电探测器10输出端连接到图像重构计算机11。所述的声光调制器2、波形发生器3、空
间光调制器4、阵列探测器7、光电探测器10同时由一个同步信号发生器同步出发同时工作。
22.本发明装置的工作过程如下：
23.所述的声光调制器2、波形发生器3、空间光调制器4、阵列探测器7、光电探测器10同时由一个同步信号发生器同步出发同时工作。
24.(1)窄线宽激光器1发出脉冲激光分为两束，分别：作为本振光输入到声光调制器2，作为探测光辐照到空间光调制器4；
25.(2)波形发生器3产生一个固定频率的信号f
if
输入到声光调制器2，声光调制器2将本振光频率移动f
if
后，输入到光电探测器10的本振光输入口；
26.(3)空间光调制器4对辐照其的探测光空间分布进行随机编码调制，调制光出射方向设置分束器5，将光路分为沿分束器5反射方向的参考光路和沿透射方向的探测光路；
27.(4)参考光路中，空间光调制器4、透镜6、阵列探测器7构成2f系统，由阵列探测器7记录光场空间分布；
28.(5)探测光路中，空间光调制器4出射光辐照位于远场的待测目标8，由所述的耦合接收镜9接收来自远场待测目标反射光；所述耦合接收镜9将接收光输入到光电探测器10的信号光输入口；光电探测器10对本振光和探测光作相干探测，输出包含目标信息的中频电流信号；
29.(6)装置发出一系列脉冲激光，图像重构计算机11将光电探测器10输出信号和空间调制信号4记录的光场空间分布进行强度关联图像重构运算，可以得到目标微振动产生的微多普勒图像。
30.所述的计算机图像重构方法过程为：
31.将光电探测器10输出的电流信号作频谱分析得到频谱i
t
(x
t
,f)，将微多普频率段强度积分得到微动目标的强度涨落i
t
(x
t
)，将i
t
(x
t
)与阵列探测器7记录光场空间分布ir(xr)按照以下公式进行关联运算：
32.δg
(2,2)
(xr；x
t
)＝《ir(xr)i
t
(x
t
)》-《ir(xr)》《i
t
(x
t
)》,
ꢀꢀꢀ
(2)
33.得到探测信号和调制信号的互相关强度分布信息，即目标的微振动图像。
34.强度关联微多普勒成像装置能够实现的物理原理，可以由以下过程描述：
35.在图1所示的装置中，记光源面到目标面的传递函数为exp[jkz
tr
]h
tr
(x,xs)，目标面到探测面的传递函数为exp[jkz
rc
]h
rc
(x
t
,x)，其中z
tr
、z
rc
表示光源到目标、目标到探测面的轴向距离，xs,x,x
t
分别为空间光调制器4、远场待测目标8和耦合接收镜9入瞳平面坐标，h
tr
(x,xs)、h
rc
(x
t
,x)为发射和接收光路的脉冲响应函数。激光器经时空调制后的光场记为es(x
t
,t)，根据扩展惠更斯-菲涅尔原理，发射到目标上的信号：
[0036]eo
(xo,t)＝exp[jkz
tr
(t)]∫dx
ses
[xs,t-z
tr
(t)/c]h
tr
(x,xs).
ꢀꢀꢀ
(3)
[0037]
记单个准平面目标空间反射率分布函数为o(x,y)，目标表面光学粗糙，一阶统计特性满足：
[0038]
《o(x)o
*
(x
′
)》＝o(x)δ(x-x
′
).
ꢀꢀꢀ
(4)
[0039]
其中o(x)为待测目标的强度反射率分布函数。
[0040]
目标反射光传播到耦合接收镜9上，耦合接收镜9入瞳平面光场有：
[0041][0042]
考虑目标沿轴振动运动模式：z(t)＝z0 acos(2πfvt)，其中z0是初始时刻目标距离，a、fv分别为振动振幅和频率。装置满足假设条件：(1)发射信号时空可分离，即es(xs,t)＝s(t)es(xs)；(2)式(5)中的空间光场分布在目标微振动过程中相对稳定，二阶以上相位项变化可以忽略，因此式(5)中除exp[j2kz(t)]以外z(t)≈z0；(3)发射、接收系统相隔很近，因此z
tr
≈z
tr
＝z(t)。根据以上条件，式(5)得到：
[0043][0044]
其中本振信号由激光器输出激光移频f
if
得到，即e
lo
(x
t
,t)＝a
lo
exp{j[2π(ν-f
if
)t φ
lo
]}，则光电探测器相干探测输出电流信号为：
[0045][0046]
上式作第一类k阶贝塞尔函数展开，得到：
[0047][0048]
其中：
[0049][0050]
由式(8)做傅里叶变换得到：
[0051][0052]
式(9)表明，相干探测输出基带光电流包含目标的微振动动信息，即微多普频率，其频谱分布由以中频f
if
为中心、间隔为fv的谱线对组成。记微多普勒频谱分布范围为δf
md
，将此区域内强度谱积分得到强度涨落信息，即
[0053][0054]
阵列探测器7记录的参考光路光场空间分布为：
[0055]in
(xr)
∝
|∫dx
ses
(xs)exp[j2πxrxsλfr]|2.
ꢀꢀꢀ
(11)
[0056]
其中，fr为透镜6焦距。
[0057]
将式(10)、(11)代入(2)，根据基于相干探测的关联成像原理(见：deng c,gong w,han s.pulse-compression ghost imaging lidar via coherent detection[j].opt express,2016,24(23):25983-25994.)，可以得到：
[0058][0059]
其中，ds为空间光调制器上光斑直径。式(12)的结果包含振动目标的空间分布信息，即角分辨率δθ＝λ/ds的实空间像。根据式(12)可知：通过使用一个“点”探测器，当测量脉冲数到达系综平均的条件时，目标的振动图像信息就可以完全重构出来。为保证一定的成像速度，或者对运动目标需要成像时间尽可能短，因此要求测量次数尽量少，可采用多个相干点探测器，分别对散斑场进行独立探测，最后将各个探测器输出结果的强度进行叠加，可大大提高探测器系统的信噪比和成像速度。