[发明专利]一种微弱信标信号畸变波前的高速探测装置及探测方法

说明书

本发明属于自适应光学领域，具体涉及一种微弱信标信号畸变波前进行高速探测的装置及方法。所述装置包括微弱信标信号接收装置、光强放大和波长转换装置、以拉盖尔‑高斯模式为正交基的波前分解装置、拉盖尔‑高斯模式光的解调装置、波前分量强度探测装置、波前恢复装置；本发明的优点在于：本发明中使用光强探测器来获取波前信息，相比于传统相机，所需积分时间大大缩短，能够满足系统工作频率较高的需要；通过拉盖尔‑高斯模式进行波前分解也可以利用非线性或其他增益过程对微弱的波前信息进行放大和波长转换，有助于提高探测效率；同时，空心的拉盖尔‑高斯模光束也更适合反射式望远镜获得的环状光斑，与实际应用贴合较好。

技术领域

本发明属于自适应光学领域，具体涉及一种利用拉盖尔-高斯模式，对复杂光场进行展开与增强，对微弱信标信号畸变波前进行高速探测的装置及方法。

背景技术

随着人类空间活动的不断拓展，如何对空间目标进行高效探测这一问题受到越来越多的关注。探测空间目标主要通过地基望远镜系统实现，由于空间目标距离地面太远，地面接收到的带有目标信息的信号光十分微弱，同时大气湍流导致的波前畸变也会使望远镜的分辨率大幅下降，往往不能获得良好的探测效果。为此世界各大望远镜系统发展了自适应光学(AO)技术，用来矫正大气湍流导致的波前畸变。AO系统需要通过目标本身或者目标附近光源发出的光作为信标，得到大气湍流带来的波前畸变，然后才能对波前畸变进行补偿。其中以钠激光导星和主动照明信标为代表的信标源的亮度，是决定系统波前探测精度和响应速度的关键。然而由于信标与地面之间的距离太远，信标亮度仍然限制着整个系统的性能。

为此研究人员主要探索了以下几种解决思路。首先，最直观的方式就是增加信标自身的亮度，比如增加地面的激光发射功率，直接提升激发的钠导星信标的亮度，但是钠导星本身对激光波长和谱宽的要求就极为苛刻，再对激光功率提出更高的要求就会受到激光器功率水平的制约。以现有水平来说，提升照明功率会使成本剧增，而作用效果十分有限，并且始终无法解决地面接收功率会随目标距离的增加而急剧减弱这一问题。

第二，也可以通过提升地面接收端对信标信号的探测效率，加强对微弱信标的利用来改善系统的性能。比如使用像增强CCD(ICCD)、电子倍增CCD(EMCCD)等高性能探测器，直接以探测器的硬件性能提升对目标相位信息的探测能力，但其也存在着曝光时间长，不能观测瞬态过程，易损坏，使用场景受限以及成本高昂的问题。

第三，是对信标信号进行放大以便克服单纯依靠硬件性能提升探测效果的弊端。常见方式即采用光参量放大技术，目前已经实现超过60dB光学图像增强。不过图像增强大多关注图像分辨率的保持，主要目的是获得光强的高倍增益，而对相位信息的保持关注较少。因此，对于带有畸变波前的微弱信标，还需要以更加新颖、高效的方式来解决其探测问题。

发明内容

为了解决空间微弱目标的探测问题，本发明提出了一种利用激光的拉盖尔-高斯模式对空间微弱信标信号波前信息进行分解与恢复，及利用非线性等过程对光强进行放大和对波长进行转换的装置及方法，主要面向微弱信标信号，以模式分解的思路处理信号探测的问题，提高对空间微弱信标信号的探测能力。

本发明基于以下原理：对于微弱信标信号，通过周期极化晶体、原子蒸汽等非线性介质中的非线性过程和激光增益介质等，对目标信号进行非线性放大和波长转换，获得光强放大和波长转换的效果，以便提高探测效率；选择n个不同阶数的拉盖尔-高斯模式作为一组正交基，通过全息光学元件将放大和转换后的微弱信标信号，以各阶拉盖尔-高斯模式光的形式分解到不同方向，实现波前信息的分解；随后利用涡旋相位片解调拉盖尔-高斯模式光，将各阶拉盖尔-高斯模式光转化成基模并进行空间滤波，利用光强探测器得到各阶模式光的相对光强；接着反推出初始微弱信标信号中各阶拉盖尔-高斯模式光的相对光强；最后利用各阶模式的加权叠加得出原有微弱信标信号所携带的波前信息。

本发明采用的技术方案是：