基于GS相位恢复与轨道角动量调制的光子外差探测方法

摘要

基于GS相位恢复与轨道角动量调制的光子外差探测方法，属于激光多普勒测速领域。本发明针对光子外差探测系统由于激光相位畸变及背景光干扰影响测速精度的问题。包括将激光器发出的激光分为信号光与本振光；信号光经螺旋相位板和声光调制器调制获得涡旋光束入射至探测目标；探测目标的信号反射光束在空间光调制器内进行相位恢复得到修正后信号光；螺旋相位板将信号涡旋光束解调为信号高斯光束，将高斯模式背景光转换为高阶模式环状光斑；利用去噪板滤除高阶模式环状光斑保留信号高斯光束，再与本振光进行相干叠加，叠加后光束被GM‑APD光子计数器探测得到时域信号，进行傅里叶变换得到差频信号，计算获得探测目标的运动速度。本发明可以提升测速精度。

说明书

技术领域

本发明涉及基于GS相位恢复与轨道角动量调制的光子外差探测方法，属于激光多普勒测速领域。

背景技术

在激光远距离主动测速技术中，光子外差系统由于在接收端采用光子计数的方式，使得探测系统的响应灵敏度得到极大提升。而激光在大气湍流中传输产生的较大的相位畸变，又使得最终光子外差探测系统的测速精度下降。同时，背景光以及干扰光也会对测量系统造成较大的影响。

发明内容

针对现有光子外差探测系统由于激光相位畸变及背景光干扰而影响测速精度的问题，本发明提供一种基于GS相位恢复与轨道角动量调制的光子外差探测方法。

本发明的一种基于GS相位恢复与轨道角动量调制的光子外差探测方法，包括，

将激光器发出的激光分为信号光与本振光；

其中信号光经一号螺旋相位板和声光调制器调制后，获得涡旋光束入射至探测目标；探测目标的信号反射光束在空间光调制器内，采用经过GS相位恢复算法获得的矫正相位屏进行相位恢复，得到修正后信号光；所述修正后信号光包括信号涡旋光束和高斯模式背景光；二号螺旋相位板将信号涡旋光束解调为信号高斯光束，将高斯模式背景光转换为高阶模式环状光斑；利用去噪板滤除高阶模式环状光斑保留信号高斯光束，再将信号高斯光束与所述本振光进行相干叠加，叠加后光束被GM-APD光子计数器探测得到时域信号，对时域信号进行傅里叶变换得到差频信号，计算获得探测目标的运动速度。

根据本发明的基于GS相位恢复与轨道角动量调制的光子外差探测方法，所述二号螺旋相位板输出的信号光束采用单模光纤收集后，再传递至去噪板。

根据本发明的基于GS相位恢复与轨道角动量调制的光子外差探测方法，所述探测目标的信号反射光束经分束器透射和反射分为两路，其中反射光束经CCD探测器转换为电信号，采用GS相位恢复算法对所述电信号进行计算获得矫正相位屏；透射光束在空间光调制器内，采用所述矫正相位屏进行相位恢复，得到修正后信号光。

根据本发明的基于GS相位恢复与轨道角动量调制的光子外差探测方法，由GS相位恢复算法获得矫正相位屏的过程包括：

将入射至探测目标前涡旋光束的信号光斑复振幅E

对光场u

CCD探测器输出电信号中涡旋光束已发生畸变，将畸变后涡旋光束的复振幅E

再对新的光场复振幅E

再用复振幅E

本发明的有益效果：本发明方法将信号光调制成为高阶的涡旋光场，使得信号光与背景光进行空间分离。同时采用GS相位恢复算法对畸变的信号光做相位补偿，从而达到提升光子外差系统的信噪比以及提升测速精度的目的。

本发明采用了光子轨道角动量调制的方法，利用信号光与背景噪声光(或者干扰光)的光场分布不同的特点，对信号光进行空间滤噪。由于信号光调制为涡旋光束后光场强度呈环形分布，而背景光与干扰光呈高斯分布，基于二者光场分布不同的特点，实现滤噪或抗干扰。在滤除噪声或者抵抗干扰的同时，对于信号光在大气中传输受到的大气湍流影响，再通过GS相位恢复算法进行相位矫正，从而在整体上提升了测速精度。

附图说明

图1是本发明所述基于GS相位恢复与轨道角动量调制的光子外差探测方法的流程框图；

图2是GS相位恢复算法基本流程图；

图3是声光调制器输出涡旋光束的光场强度分布示例图；角量子数l＝5；

图4是声光调制器输出涡旋光束的光场相位分布示例图；角量子数l＝5；

图5是声光调制器输出涡旋光束经过湍流后的涡旋光场强度分布示例图；角量子数l＝5；

图6是声光调制器输出涡旋光束经过湍流后的涡旋光场相位分布示例图；角量子数l＝5；

图7是经过GS算法恢复后的涡旋光场强度分布示例图；角量子数l＝5；

图8是经过GS算法恢复后的涡旋光场相位分布示例图；角量子数l＝5；

图9是信号光经过大气湍流后的最终频谱图；

图10是经过GS算法迭代后的系统频谱图；

图11是GS算法迭代次数与测速精度的函数关系图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

具体实施方式一、结合图1和图2所示，本发明提供了一种基于GS相位恢复与轨道角动量调制的光子外差探测方法，包括，

将激光器1发出的激光采用分束器2分为信号光与本振光；

其中信号光经一号螺旋相位板3和声光调制器4调制后，获得涡旋光束入射至探测目标5；探测目标5的信号反射光束在空间光调制器7内，采用经过GS相位恢复算法获得的矫正相位屏进行相位恢复，得到修正后信号光；所述修正后信号光包括信号涡旋光束和高斯模式背景光；二号螺旋相位板10将信号涡旋光束解调为信号高斯光束，将高斯模式背景光转换为高阶模式环状光斑；利用去噪板11滤除高阶模式环状光斑保留信号高斯光束，再将信号高斯光束与所述本振光采用合束器12进行相干叠加，叠加后光束被GM-APD光子计数器13探测得到时域信号，采用傅里叶变换模块14对时域信号进行傅里叶变换得到差频信号，计算获得探测目标的运动速度。所述傅里叶变换模块14可以在计算机内实现。

本实施方式采用了Gerchberg-Saxton算法(简称GS)补偿与光子轨道角动量调制。它通过多普勒频移效应测量运动探测目标的速度，并通过对信号光光子轨道角动量的调制使得探测过程受到的背景光或者干扰光的影响大大减小。由于信号光传输过程中受到大气湍流效应的影响使得测量精度减小，因此还采用GS相位恢复算法来提升此时的测量精度。将算法补偿后的信号光经过螺旋相位板解调后与本振光场相干叠加，最终通过傅里叶变换求得最终的差频与探测目标的速度。

本实施方式在信号发射端采用了轨道角动量调制的方法，调制的信号光场强度为环形分布，背景光与干扰光为高斯分布，经过二号螺旋相位板10解调后信号光强呈高斯分布，背景光强或者干扰光强呈现出环状分布，再通过去噪板11实现滤噪或抗干扰，可实现探测系统较高的信噪比以及较高的测速精度。

采用GM-APD光子计数器13计数的方式可提高探测的灵敏度，对远距离微弱信号检测有着重大价值。

进一步，结合图1所示，所述二号螺旋相位板输出的信号光束采用单模光纤收集后，再传递至去噪板。

在接收端对信号处理之后，采用单模光纤来收集信号光，可以滤除经过二号螺旋相位板10解调后的多模模式，使得探测的信噪比以及测速精度提高。

再进一步，结合图1所示，所述探测目标的信号反射光束经分束器6透射和反射分为两路，其中反射光束经CCD探测器8转换为电信号，利用GS算法模块9采用GS相位恢复算法对所述电信号进行计算获得矫正相位屏；透射光束在空间光调制器7内，采用所述矫正相位屏进行相位恢复，得到修正后信号光。

本实施方式中，利用GS算法模块9恢复信号光场的畸变，CCD探测器8用于记录畸变的涡旋光斑，通过GS算法恢复矫正，得到矫正相位屏，加截到空间光调制器7实现对信号光场的矫正。

再进一步，由GS相位恢复算法获得矫正相位屏的过程包括：

将入射至探测目标前涡旋光束的信号光斑复振幅E

对光场u

CCD探测器输出电信号中涡旋光束已发生畸变，将畸变后涡旋光束的复振幅E

再对新的光场复振幅E

再用复振幅E

在信号光经过GS算法修正后，经过二号螺旋相位板10解调的作用，使调制的涡旋光束在转变为高斯光束。而高斯模式的背景光经过二号螺旋相位板10的作用后，变为了高阶模式的环状光斑。利用去噪板11将信号光保留，去除背景光。最后，信号光与本振光经过合束器12完成相干叠加，最终被GM-APD光子计数器13探测得到时域信号，时域信号的光子计数呈现出周期性的疏密排布。光子计数密集的地方对应着本振光与信号光的相干相长，稀疏的地方对应着本振光与信号光的相干相消。再通过对信号的傅里叶分析得到此时的差频，并通过公式f

综上，本发明方法为了克服背景光以及大气湍流对信号光的影响而提出，通过将信号光调制成为高阶的涡旋光斑，实现与背景光的空间分离。同时考虑到大气湍流对信号光斑的影响，采用了GS相位恢复算法对高阶的信号光斑进行相位调制。与现有的光子外差探测方法相比，本发明极大的降低了背景光以及大气湍流对探测结果的影响，提升了测速精度。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其它所述实施例中。