基于涡旋光场水下激光雷达空间滤波技术研究_李朝锋.pdf

第 卷第期 年月光学技术 文章编号：（）基于涡旋光场水下激光雷达空间滤波技术研究李朝锋，王振，陈晨，李杰（中国电子科技集团公司第三十四研究所，广西 桂林 ）（北京国科环宇科技股份有限公司，北京 ）摘要：基于水下激光雷达目标回波和多次散射杂波空间相干性的差异，利用涡旋光场形成的特点，使用螺旋相位板附加环状掩膜板形成空间滤波装置，将目标反射信号与多次散射信号进行空间分离。由于目标反射信号具有良好的空间相干性，经过螺旋相位板后会形成涡旋光，而散射杂波由于其空间相干性被多次散射破坏，会按照散射规律呈现类高斯的中间强边缘弱的分布。利用环状掩膜板只容许涡旋光通过，到达探测器，从而降低了散射对测距的影响。上述空间滤波装置应用于载波调制相位测距及脉冲测距水下激光雷达系统中，均可以大幅提高浑浊水体中目标的测距精度。关键词：激光雷达；水下探测；散射；轨道角动量；相干性中图分类号：；文献标识码：，（，）（，）：，：；引言具有轨道角动量的电磁波的相位波前呈螺旋状，这种形式的电磁波被称为涡旋电磁波。年，等发表了一篇关于光学轨道角动量和拉盖尔高斯光束模式变换的文章，由此建立了螺旋相位光束和光学轨道角动量的联系。他们指出，如果光束具有 （）相位相关性，那么该光束就携带轨道角动量，其中是方位角，是拓扑电荷数，表征涡旋光束的相位和方位角的关系。光束的波前随着方位角作周期性变化，呈螺旋分布，绕轴旋 转一周相位前进，并且在光轴上发生干涉相收稿日期：；收到修改稿日期：作者简介：李朝锋（），男，高级工程师，硕士，从事光纤通信、大气激光通信及光电子技术等方面的研究。李杰（），男，工程师，从事计算机技术、光纤通信、光电对抗等方面的研究。通讯作者：；DOI:10.13741/ki.11-1879/o4.2023.02.005消，形成相位奇点。因此它的模场呈环形分布，在光束传播方向上的轴向强度为零，也被称为暗中空光束。正是这一相位项造成了光束独特的物理性质，也同样造成了光学轨道角动量对光束的空间相干性有要求。暗中空的螺旋波前要求光束是完全空间相干的，空间相干性的减小会破坏轴上相位奇点和暗中空的保真度。近年来，轨道角动量与光束空间相干性之间的关系被应用于光学目标探测系统中信号光与散射光的区分。当相干的信号光和非相干的散射光都通过轨道角动量生成装置，如衍射螺旋相位板时，螺旋相位只能传递给相干的信号光子。因此，携带轨道角动量的光学涡旋及其空心暗核可以被视为在空间上分离非散射光和散射光的“窗口”。依照这一原理，轨道角动量被应用在天文日冕仪中，。以携带轨道角动量的涡旋光的暗核的中心作为窗口，可以在明亮的相干源眩光中区分并检测到微弱的非相干信号。在机载激光雷达中，携带轨道角动量的透射激光与光子筛衍射滤光片结合，可以把相干的信号光与白天强烈的非相干的太阳光分开。同样的，轨道角动量与空间相干性之间的关系可以在水下目标探测时区分相干的信号光和非相干的散射光，从而减少散射光对探测的干扰。在海水浑浊程度较大的时候，具有轨道角动量的涡旋光束通过海水的透过率比高斯光束高，文献作者通过实验比较 接收到的涡旋光和高斯光的强度，从而得出了该结论。他们给出的解释是：因为 相机中记录的接收信号的光强包括弹道光子和前向散射光子的贡献，并且弹道分量在高浑浊情况下非常微弱，所以观察到的涡旋光束具有较高的接收信号强度可能是由于涡旋光束和高斯光束的不同的前向散射。由于散射的空间各向异性主要由各向异性因子给出，涡旋光束和高斯光束在混浊介质中的不同前向散射特征可能导致其具有不同的值，这可能会改变散射事件的空间分布，从而导致更多散射光停留在光轴附近，并因此被 相机收集。此外，等在探测的回波处通过光的轨道角动量分离了相干的信号光和非相干的散射光，在强后向散射的水下环境中探测到了目标。但是他们的实验没有涉及到距离的测量。本文的目的是通过实验验证涡旋光在水下目标探测中对测距准确度的改善。在实验中，目标被高斯光束照射。回波中物体反射的信号光和散射光都通过放置在探测器前的衍射螺旋相位板，使相干的信号光形成携带轨道角动量的光学涡旋，从而实现相干光和非相干光的空间分离。载波调制位相测距和脉冲飞行时间测距是水下目标探测的两种主要方式，分别利用目标回波信号和散射信号在频率响应和到达探测器的时间的不同，结合相关检测和距离选通门等方法进行滤波，降低散射的影响，提高测距精度 。因此分别在载波调制激光雷达系统和窄脉冲激光雷达系统中实验验证该方法在水下目标探测时对探测的改善效果。原理在水下目标探测系统中利用涡旋光场的形成条件使用螺旋相位板将目标回波和散射杂波分开。如图所示。雷达的入射光为高斯光。入射光在水中不断散射。在回波光路上放置衍射螺旋相位板作为轨道角动量生成装置。回波中的信号光和散射光都经过衍射螺旋相位板，其中相干的信号光穿过相位板时，波前变为螺旋形，携带轨道角动量，生成暗中空的光学涡旋，而非相干的散射光则不会。因此，在空间上相干的信号光和非相干的散射光被分离到不同位置。图轨道角动量在水下目标探测中应用的示意图经过衍射螺旋相位板后，回波在空间上的分布如图所示。将空间分成三个区域，涡旋上的区域 ，涡 旋 中 心 的 区 域 和 涡 旋 外 的 区 域 。可以看出，当介质为清水时，有 （）式中，为回波中的弹道分量。因为清水中无散射，激光雷达回波保持了较好的空间相干性，所以经过螺旋相位板后，所有的光被转化成涡旋光，分布在环状涡旋上。涡旋内和涡旋外的光强度近似为零。而当介质为浑水，在回波中有前向散射 和后向散射 分量，从而有光学技术第 卷图回波通过衍射螺旋相位板后示意图 （）由此，在回波通过衍射螺旋相位板后，涡旋中心的光都是散射光，没有信号光。使用遮挡板遮住这部分光，可以减少探测器对散射的接收。载波调制激光雷达中的实验 实验设置在载波调制激光雷达中验证涡旋场空间滤波对探测的影响。实验系统如图所示。实验在 长的水箱中进行。光源波长为 的载波调制激光器，这是通过调制种子源，再放大、倍频实现的。调制频率为 。目标是一面镜子，固定在距离窗口 处的水中。探测器为光电倍增管。衍射螺旋相位板（拓扑核数）放置探测器前，后面匹配一个与涡旋光场匹配的环状透光区域的遮挡板遮挡涡旋的中心和涡旋外的杂散光。尽管实验是在黑暗中进行的，但为了尽量减少环境光，在接收系统上覆盖了黑色毛毡。水中掺加 （）来改变散射系数。引入衰减因子，衰减因子与距离的乘积 被定义为衰减长度，一个衰减长度对应为光功率下降到原来时光在水下传输的距离。光信号在水中传输是满足指数衰减规律衰减（），通过计算两个位置处的回波强度来计算衰减因子，从而得到衰减长度。实验结果对于探测到的信号，采用互相关的方法求目标的距离。以信号发生器发出的信号为参考信号，光电倍增管接收到的信号为目标信号，对二者做互相关处理。互相关的结果的最大值对应的延时与激光传播的时间有关，从而可以得到目标的距离信息。如图所示，图（）中上曲线和下曲线分别是参考信号和目标信号，图（）为参考信号和目标信号二图载波调制激光雷达中使用轨道角动量抑制散射的系统设置者的互相关结果。图（）中黑色虚线代表时间原点和互相关最大值的位置，二者的间隔即为想要的延时信息。此外，在计算距离时，把目标贴紧水池窗口位置处的测距结果作为距离的原点。图互相关法求距离在水中添加 （），测量在不同散射系数时的目标距离。并且测量不使用轨道角动量时的测距结果，对二者作比较。结果如图所示，使用轨道角动量的方法可以减少测距误差。未经轨道角动量的方法抑制散射，测量的数据点比较发散，最大测距误差达到 ，而经过抑制散射后，测距误差降低到 以内。上述数据是 次测量取平均的结果。实际距离通过使用精度为毫米的米尺测量得到，测量过程中考虑到了激光的入射角度并进行了修正。图测距误差与衰减长度关系窄脉冲激光雷达中的实验 实验设置在窄脉冲激光雷达中分析轨道角动量对探测的影响。实验系统如图所示。光源为波长为 的窄脉冲激光器。目标为同一个镜面，固定在 处。接收器、衍射螺旋相位板、遮挡板等不变。对于探测到的信号，采用求飞行时间的方法计算目标的距离。以入射激光被分光，其中被光电二极管接收到的信号为参考信号，射入水中后在目标第期李朝锋，等：基于涡旋光场水下激光雷达空间滤波技术研究图窄脉冲激光雷达中使用轨道角动量抑制散射的系统设置表面反射再被光电倍增管接收到的信号为目标信号，求二者之间的飞行时间。通过光束传播的飞行时间来得到目标的距离信息。同样的，在计算距离时，把目标贴紧水池窗口位置处的测距结果作为距离的原点。实验结果同样的，改变水的浑浊程度，并计算不同浑浊程度时的目标距离。并且测量不使用轨道角动量区分散射方法的测距结果，对二者作比较。得到的目标的曲线如图所示，为同一位置几个衰减长度处信号的曲线，图（）中的是没有使用轨道角动量方法时的信号曲线，图（）中的是使用轨道角动量方法抑制散射后的信号曲线。可以看出，使用轨道角动量方法后信号曲线变窄。其对应的距离信息也更加准确。图目标信号振幅与时间的关系曲线图为测距的结果。数据点是 次测量取平均的结果。未经轨道角动量抑制散射的方法，测量的数据点比较发散，最大测距误差达到 ，而经过抑制散射后，测距误差降低到 以内。图测距误差与衰减长度关系结论本文提出利用涡旋光场形成条件在混浊水体目标测距中抑制散射杂波，提高测距精度。目标回波具有较好的空间相干性，而散射杂波在多次散射过程中的空间相干性遭到破坏，经过螺旋相位板，目标回波转化成涡旋光场，而散射杂波服从米散射中心强周围弱的分布。利用与之配合的掩膜板，可以将大部分散射杂波遮挡而不能达到探测器，从而降低散射杂波的影响。在载波调制激光雷达系统和窄脉冲飞行时间测距系统中的实验都表明该方法可以提高浑浊水体中的测距精度。下一步将研究其在不同散射表面以及湍流中的有效性，并建立相应理论。参考文献：，（）：魏功祥，刘晓娟，刘云燕，等光的自旋和轨道角动量激光与光电子学进展，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，（），：，：，（）：，（）：，（）：，（）：光学技术第 卷