专利摘要

本发明公开了一种基于CCD相机的抑制外差探测中退相干效应的装置和方法，其中装置包括：激光器、第一分束片、本振光路声光移频器、信号光路声光移频器、第二分束片、光学天线、反射镜、第三分束片、CCD相机、图像信号处理系统和信噪比反馈系统；通过两个移频器将中频外差信号频率降至CCD相机可探测区间，通过图像处理技术识别不同像元光外差信号间的相位差，并根据所述相位差调整光外差信号输出序列，使得各像元输出信号同相叠加输出，同时，能够根据外差信号信噪比重新调整光外差信号输出序列和根据调整后的光外差信号输出序列重新计算光外差信号信噪比，直至输出的光外差信号信噪比大于或等于阈值，明显提高了外差探测信噪比。

权利要求

1.一种基于CCD相机的抑制外差探测中退相干效应的装置，其特征在于，包括：激光器、第一分束片、本振光路声光移频器、信号光路声光移频器、第二分束片、光学天线、反射镜、第三分束片、CCD相机、图像信号处理系统和信噪比反馈系统；

所述激光器产生的激光光束经所述第一分束片分为本振光束和信号光束，本振光束和信号光束分别经过所述本振光路声光移频器和所述信号光路声光移频器进行移频，得到本振移频光束和信号移频光束；

其中，所述信号移频光束经过所述第二分束片和所述光学天线照射到目标处，从目标表面返回的信号移频光束依次经过所述光学天线、所述第二分束片和所述反射镜后通过所述第三分束片与所述本振移频光束合束；

所述CCD相机将经过合束的信号移频光束和本振移频光束进行混频产生中频光外差信号，所述图像信号处理系统识别所述CCD相机不同像元光外差信号间的相位差，并根据所述相位差调整光外差信号输出序列，使得各像元输出信号同相叠加输出，并计算光外差信号信噪比；

所述信噪比反馈系统将所述光外差信号信噪比与预先设置的信噪比阈值进行比较，若大于信噪比阈值则输出各像元输出信号同相叠加得到的信号；若小于信噪比阈值，则将光外差信号信噪比反馈至图像信号处理系统，所述图像信号处理系统不断调整光外差信号输出序列以及根据调整后的光外差信号输出序列重新计算光外差信号信噪比，直至输出的光外差信号信噪比大于或等于阈值。

2.一种基于CCD相机的抑制外差探测中退相干效应的方法，其特征在于，包括：

步骤1：构建权利要求1所述的基于CCD相机的抑制外差探测中退相干效应的装置；

步骤2：打开激光器使得信号光场照射在探测粗糙目标上，通过调整第三分束片使得经目标表面返回的信号光束依次经过所述光学天线、所述第二分束片和所述反射镜后通过所述第三分束片与所述本振移频光束合束，并垂直入射到CCD相机表面；

步骤3：CCD相机将信号光束和本振移频光束进行混频产生中频光外差信号，图像信号处理系统识别CCD相机不同像元光外差信号间的相位差；

步骤4：图像信号处理系统根据所述相位差调整光外差信号输出序列，使得各像元输出信号同相叠加输出，并计算光外差信号信噪比；

步骤5：所述信噪比反馈系统将所述光外差信号信噪比与预先设置的信噪比阈值进行比较，若大于信噪比阈值则输出各像元输出信号同相叠加得到的信号；若小于信噪比阈值，则将光外差信号信噪比反馈至图像信号处理系统，所述图像信号处理系统不断调整光外差信号输出序列以及根据调整后的光外差信号输出序列重新计算光外差信号信噪比，直至输出的光外差信号信噪比大于或等于阈值。

说明书

技术领域

本发明涉及激光外差探测技术领域，更具体的说是涉及一种基于CCD相机的抑制外差探测中退相干效应的装置和方法。

背景技术

激光外差探测具有很多优点，但是该技术的性能却受到各种因素的制约。其中，2013年公布的一份研究文献中(党文佳等.目标粗糙对合成孔径激光雷达回波的退相干效应[J].物理学报.62(2):024204)，论述了由于目标表面粗糙导致的退相干效应导致外差探测信噪比下降的现象。退相干效应可以被描述为信号光与本振光光场的不匹配，而这种光场失配的现象是由于目标表面粗糙所导致的。目标粗糙表面对信号回波波前的调制作用如说明书附图1、图2、图3所示。图1为光源出射波前，从图中可以明显看出该波前十分平整；图2为反射镜回波信号波前，可以看出信号光波前经由镜面的反射并未有显著变化，波前依然十分平整；图3为粗糙表面信号光回波波前，可以看出粗糙表面对信号光波前的调制作用明显，信号光波前畸变严重。在外差探测过程中，目标表面粗糙将导致的信号光波前与本振光波前波前严重失配，最终导致外差探测信噪比明显下降。因此，目标表面粗糙导致的退相干效应依旧是阻碍主动外差探测技术发展的核心问题。

1976年公布的一份研究文献中(David Fink and Samuel N.Vodopia,"Coherentdetection SNR of an array of detectors,"Appl.Opt.15,453-454(1976))提出并证明了可以使用探测器阵列替换光路中的单探测器从而提高光外差探测信噪比的可能性。若将阵列中每个探测元的输出按确定比例放大，并附加确定的相位偏移量就可以极大的提高光外差探测信噪比，可是该文献中并未说明如何确定放大比例以及相位偏移量，并且也没有说明如何校正相位偏移量。

电子科技大学在其申请的专利文献“一种基于阵列探测器的光场匹配外差探测装置及方法”(公开号：CN 104568174 A，申请号：201510002065.4，申请日：2015年01月04日)中公开了一种基于阵列探测器的光场匹配外差探测装置及方法，该装置通过阵列探测器接收光信号，然后通过控制光路中光开关的开闭计算出探测器单元接收的信号放大系数以及相位偏移量，并对探测器单元接收的信号进行加权相加，从而达到提高外差探测信噪比的目的。该方法存在的不足之处是：首先，该发明中提出的阵列探测器件结构复杂、不易集成，且该发明系统需要在探测器阵列各阵元后端加入可编程放大器，使得系统成本极高，因此该发明方法具有较大的实践难度；其次，该系统使用单片机MCU模块进行大量除法运算，使用MCU模块进行除法运算将引入额外误差，不同探测元误差积累将降低系统的稳定性最终导致信噪比提高效果不明显。

因此，如何提高外差探测信噪比一直是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于CCD相机的抑制外差探测中退相干效应的装置和方法，通过两个移频器将中频外差信号频率降至CCD相机可探测区间，通过图像处理技术识别不同像元光外差信号间的相位差，并根据所述相位差调整光外差信号输出序列，使得各像元输出信号同相叠加输出，同时，能够根据光外差信号信噪比不断重新计算和调整外差信号输出序列，直至输出的光外差信号信噪比大于或等于阈值，明显提高了外差探测信噪比。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于CCD相机的抑制外差探测中退相干效应的装置，包括：激光器、第一分束片、本振光路声光移频器、信号光路声光移频器、第二分束片、光学天线、反射镜、第三分束片、CCD相机、图像信号处理系统和信噪比反馈系统；

所述激光器产生的激光光束经所述第一分束片分为本振光束和信号光束，本振光束和信号光束分别经过所述本振光路声光移频器和所述信号光路声光移频器进行移频，得到本振移频光束和信号移频光束；

其中，所述信号移频光束经过所述第二分束片和所述光学天线照射到目标处，从目标表面返回的信号移频光束依次经过所述光学天线、所述第二分束片和所述反射镜后通过所述第三分束片与所述本振移频光束合束；

所述CCD相机将经过合束的信号移频光束和本振移频光束进行混频产生中频光外差信号，所述图像信号处理系统识别所述CCD相机不同像元光外差信号间的相位差，并根据所述相位差调整光外差信号输出序列，使得各像元输出信号同相叠加输出，并计算光外差信号信噪比；

所述信噪比反馈系统将所述光外差信号信噪比与预先设置的信噪比阈值进行比较，若大于信噪比阈值则输出各像元输出信号同相叠加得到的信号；若小于信噪比阈值，则将光外差信号信噪比反馈至图像信号处理系统，所述图像信号处理系统不断调整光外差信号输出序列以及根据调整后的光外差信号输出序列重新计算光外差信号信噪比，直至输出的光外差信号信噪比大于或等于阈值。

一种基于CCD相机的抑制外差探测中退相干效应的方法，包括：

步骤1：构建基于CCD相机的抑制外差探测中退相干效应的装置；

步骤2：打开激光器使得信号光场照射在探测粗糙目标上，通过调整第三分束片使得经目标表面返回的信号光束依次经过所述光学天线、所述第二分束片和所述反射镜后通过所述第三分束片与所述本振移频光束合束，并垂直入射到CCD相机表面；

步骤3：CCD相机将信号光束和本振移频光束进行混频产生中频光外差信号，图像信号处理系统识别所述CCD相机不同像元光外差信号间的相位差；

步骤4：图像信号处理系统根据所述相位差调整光外差信号输出序列，使得各像元输出信号同相叠加输出，并计算光外差信号信噪比；

步骤5：所述信噪比反馈系统将所述光外差信号信噪比与预先设置的信噪比阈值进行比较，若大于信噪比阈值则输出各像元输出信号同相叠加得到的信号；若小于信噪比阈值，则将光外差信号信噪比反馈至图像信号处理系统，所述图像信号处理系统不断调整光外差信号输出序列以及根据调整后的光外差信号输出序列重新计算光外差信号信噪比直至输出的光外差信号信噪比大于或等于阈值。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种基于CCD相机的抑制外差探测中退相干效应的装置和方法，具有如下技术优势：

1、本发明采用高速CCD相机作为光外差信号接收装置，属于阵列探测机制。相较于单探测器外差探测系统，极大的提高了光外差探测信噪比。

2、本发明中CCD相机作为信号接收单元，CCD相机技术成熟，商用的CCD相机配有完整的信号采集系统，使系统结构简单、器件成本低，具有较好的实践应用价值。

3、本发明使用CCD相机作为外差探测器件，通过图像处理手段计算和调整不同像元输出序列，并基于信噪比反馈系统实时反馈信噪比信息，极大的提高了信噪比改善效果以及系统稳定性。

4、本发明中在不同阵元信号相位差识别过程中未使用单片机MCU模块进行大量除法运算，消除现有方案中由于MCU模块除法运算引入的额外误差，提高了系统稳定性，信噪比提高效果十分显著。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1附图为激光光源波前示意图；

图2附图为反射镜回波信号波前示意图；

图3附图为粗糙表面回波信号波前示意图；

图4附图为基于CCD相机的外差探测系统的示意图；

图5附图为调整CCD相机输出序列的示意图；

其中，图5(a)为调整前CCD相机输出序列的示意图；图5(b)为调整后CCD相机输出序列的示意图。

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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见附图4和附图5，本发明实施例公开了一种基于CCD相机的抑制外差探测中退相干效应的装置，包括：激光器11、第一分束片12、本振光路声光移频器13、信号光路声光移频器14、第二分束片21、光学天线22、反射镜23、第三分束片24、CCD相机31、图像信号处理系统32和信噪比反馈系统4；

激光器11产生的激光光束经第一分束片12分为本振光束和信号光束，本振光束和信号光束分别经过本振光路声光移频器13和信号光路声光移频器14进行移频，得到本振移频光束和信号移频光束；

其中，信号移频光束经过第二分束片21和光学天线22照射到目标5处，从目标5表面返回的信号移频光束依次经过光学天线22、第二分束片21和反射镜23后通过第三分束片24与本振移频光束合束；

CCD相机31将经过合束的信号移频光束和本振移频光束进行混频产生中频光外差信号，图像信号处理系统32识别CCD相机不同像元光外差信号间的相位差，并根据相位差调整光外差信号输出序列，使得各像元输出信号同相叠加输出，并计算光外差信号信噪比；

信噪比反馈系统4将光外差信号信噪比与预先设置的信噪比阈值进行比较，若大于信噪比阈值则输出各像元输出信号同相叠加得到的信号；若小于信噪比阈值，则将光外差信号信噪比反馈至图像信号处理系统32，图像信号处理系统32不断调整光外差信号输出序列以及根据调整后的光外差信号输出序列重新计算光外差信号信噪比，直至输出的光外差信号信噪比大于或等于阈值。

本发明通过两个移频器将中频外差信号频率降至CCD相机可探测区间，通过图像处理技术识别不同像元光外差信号间的相位差，并根据相位差调整光外差信号输出序列，使得各像元输出信号同相叠加输出，同时，能够根据外差信号信噪比不断重新计算和调整光外差信号输出序列，直至输出的光外差信号信噪比大于或等于阈值，显著提高了外差探测信噪比。

此外，本发明实施例还公开了一种基于CCD相机的抑制外差探测中退相干效应的方法，包括：

步骤1：构建基于CCD相机的抑制外差探测中退相干效应的装置；

步骤2：打开激光器使得信号光场照射在探测粗糙目标5上，通过调整第三分束片使得经目标5表面返回的信号光束依次经过光学天线、第二分束片和反射镜后通过第三分束片与本振移频光束合束，并垂直入射到CCD相机表面；

步骤3：CCD相机将信号光束和本振移频光束进行混频产生中频光外差信号，图像信号处理系统识别CCD相机不同像元光外差信号间的相位差；

步骤4：图像信号处理系统根据相位差调整光外差信号输出序列，使得各像元输出信号同相叠加输出，并计算光外差信号信噪比；

步骤5：信噪比反馈系统将光外差信号信噪比与预先设置的信噪比阈值进行比较，若大于信噪比阈值则输出各像元输出信号同相叠加得到的信号；若小于信噪比阈值，则将光外差信号信噪比反馈至图像信号处理系统，所述图像信号处理系统不断调整光外差信号输出序列以及根据调整后的光外差信号输出序列重新计算光外差信号信噪比。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

基于CCD相机的抑制外差探测中退相干效应的装置和方法专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。