减小接收到的回波能量差异系统的制作方法

本实用新型涉及光学成像技术领域，特别涉及一种减小接收到的回波能量差异系统。

背景技术：

鬼成像，也称量子关联成像，是一种特殊的非直接成像方式，利用光场的二阶乃至高阶关联性质，间接重构出图像。鬼成像的突出特性是能够“离物成像”：不同于普通成像中照明光场经成像物体后直接由面阵探测采集的方式，鬼成像将照明光场分为两路，一路经过物体后用没有空间分辨率的桶探测器收集，另一路不与物体接触，直接由面阵探测器采集，两路测量结果再经关联计算重构出物体图像。与普通成像方式相比，鬼成像具有强抗干扰特性、高灵敏探测特性、广视角成像特性等，已经在天文观测、遥感成像、军事侦查、医疗成像等领域展现出极大地应用潜能。

现有的鬼成像方式中，存在探测器探测到的近处物体的回波能量远高于远处物体的回波能量，当探测到远处物体的回波能量时，探测到的近处物体的回波能量可能已经饱和，甚至探测器已被打坏。

技术实现要素：

基于此，有必要针对探测器探测到的近处物体的回波能量远高于远处物体的回波能量的问题，提供一种减小接收到的回波能量差异系统。

一种减小接收到的回波能量差异的系统，包括：

整形组件，用于对激光光束进行扩束并降低发散角的整形；

光源，用于发射整形后的激光光束并投射至目标物；

接收组件，用于接收被所述目标物反射的激光光束，并根据调制信号对接收到的激光光束进行调制，得到调制光；及

重构组件，用于根据所述调制信号及所述调制光，重构所述目标物的像。

上述的减小接收到的回波能量差异的系统，整形组件对激光光束进行扩束并降低发散角的整形；光源发射整形后的激光光束并投射至目标物；接收组件接收被目标物反射的激光光束，并根据调制信号对接收到的激光光束进行调制，得到调制光；重构组件根据调制信号及调制光，重构目标物的像。通过整形组件对激光光束进行扩束并降低发散角的整形，使得接收组件的近处接收视场小于激光光束的发射视场，探测器在近处接收视场接收部分回波能量，远处接收视场大于激光光束的发射视场，探测器在远处接收视场接收全部回波能量，从而减小探测器在近处接收视场接收到的回波能量与在远处接收视场接收到的回波能量差异，降低了对探测器的要求。

在其中一个实施例中，所述整形组件包括透镜组，所述透镜组包括两个透镜。

在其中一个实施例中，所述整形组件包括棱镜组，所述棱镜组包括多个依次级联的等腰直角三棱镜。

在其中一个实施例中，还包括：

发射镜头，设置于所述光源与所述目标物之间，用于将所述光源发射的整形后的激光光束投射至目标物。

在其中一个实施例中，所述接收组件包括接收镜头及空间光调制器，所述接收镜头设置于所述空间光调制器与所述目标物之间；

所述接收镜头用于接收被所述目标物反射的激光光束，并将接收到的激光光束投射至所述空间光调制器；

所述空间光调制器用于根据调制信号对所述激光光束进行调制，得到调制光。

在其中一个实施例中，所述重构组件包括探测器、控制模块及计算模块，所述计算模块分别与所述探测器及所述控制模块电连接；

所述空间光调制器还用于将所述调制光投射至所述探测器；

所述探测器用于将所述调制光转换为电信号；

所述控制模块用于生成调制信号并将所述调制信号传输至所述计算模块；

所述计算模块用于对所述电信号及所述调制信号进行计算，以重构所述目标物的像。

在其中一个实施例中，空间光调制器包括数字微镜阵列。

在其中一个实施例中，还包括：

消像差组件，用于对整形后的激光光束进行消像差。

在其中一个实施例中，探测器包括单像素探测器。

在其中一个实施例中，光源包括激光器。

附图说明

图1为一实施例中减小接收到的回波能量差异的方法的流程图；

图2为一实施例中激光光束整形前后的变化对比图；

图3为一实施例中减小接收到的回波能量差异的方法的子流程图；

图4为一实施例中减小接收到的回波能量差异的系统的功能模块图；

图5为一实施例中减小接收到的回波能量差异的系统的光路图。

具体实施方式

为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的较佳实施方式。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本申请的公开内容理解的更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本申请。

在主动照明鬼成像中，若接收组件的接收视场大于或等于激光光束的发射视场，根据朗伯体反射规律，探测器接收到的能量pr为：

其中，pt为激光光束的发射功率，d为接收镜头的直径，r为接收组件与目标物之间的距离，η为目标物的反射率，接收组件包括接收镜头及探测器。由上述式子可知，对于一固定的主动照明鬼成像系统，激光光束的发射功率不变，接收镜头直径不变，若测量相同反射率的目标物，则探测器接收到的能量与接收组件和目标物之间的距离成平方反比的关系，例如，接收组件和目标物之间的分别为0.1m和100m时，探测器接收到的与接收组件距离为0.1m的近处目标物的回波能量为探测器接收到的与接收组件距离为100m的远处目标物的回波能量的10⁶倍，因此，当探测器能够探测到远处目标物的回波能量时，探测器探测到的近处目标物的回波能量可能已经达到饱和，甚至探测器可能已被打坏。

请参阅图1，本申请实施例提供一种减小接收到的回波能量差异的方法，包括以下步骤。

步骤s01，对激光光束进行扩束并降低发散角的整形。

在激光光束出射之前，对激光光束进行扩束并降低发散角的整形，对激光光束的扩束即增大激光光束的直径，激光光束的直径增大时，发散角会减小。

在一实施例中，对激光光束进行扩束并降低发散角具体为：采用透镜组对激光光束进行扩束并降低发散角的整形，透镜组包括两个透镜。采用透镜作为扩束元件，具有结构简单、扩束光路设计简单的优点。

在一实施例中，对激光光束进行扩束并降低发散角的整形具体为：采用棱镜组对激光光束进行扩束并降低发散角的整形，棱镜组包括多个依次级联的等腰直角三棱镜。采用等腰直角三棱镜作为扩束元件，具有结构简单、加工精度高的等腰直角三棱镜更易于制作、加工成本低的优点。

对激光光束进行扩束并降低发散角的整形后，还可以对整形后的激光光束进行消像差，以提高目标物的成像质量。

步骤s02，发射整形后的激光光束并投射至目标物。

激光光束的整形可以在光源内进行，激光光束的整形后可由光源发射。

步骤s03，接收被目标物反射的激光光束，并根据调制信号对接收到的激光光束进行调制，得到调制光。

步骤s04，根据调制信号及调制光，重构目标物的像。

激光光束从光源发射出去并沿发射光路投射至目标物，接收光路上可以设置空间光调制器，从而在接收光路上对目标物反射的激光光束进行调制，将目标物反射的激光光束调制成已知、可控的调制光后再投射至探测器，使得目标物的成像数据计算更简单。

请参阅图2，光源发射的激光光束在整形前的发散角为ω1，在激光光束从光源发射前，对激光光束进行扩束并降低发散角的整形，整形后的激光光束的发散角为ω2，激光光束整形后的发散角ω2小于激光光束整形前的发散角ω1，激光光束整形后的光斑直径大于激光光束整形前的光斑直径，激光光束整形前后，接收组件的接收视场不变，图2中，接收视场以虚线表示，发射视场以实线表示，在接收视场与发射视场重叠处之前，即近处接收视场，接收视场小于发射视场，探测器只接收一部分回波能量，探测器在近处接收视场接收到的回波能量pr为：

其中，st为激光光束在目标物处的光斑面积，sr为接收组件在目标物处的视场面积。

在接收视场与发射视场重叠处之后，即远处接收视场，接收视场大于发射视场，探测器能够接收全部的回波能量，探测器在远处接收视场接收到的回波能量pr为：

由上述式子可知，由于接收组件在目标物处的视场面积小于激光光束在目标物处的光斑面积，因此，sr与st的比值小于1，对激光光束进行扩束并降低发散角的整形后，探测器在近处接收视场接收到的回波能量

小于激光光束整形前探测器在近处接收视场接收到的回波能量探测器在近处接收视场接收到的回波能量降低，而探测器在远处接收视场能够接收到全部的回波能量，从而，探测器在近处接收视场接收到的回波能量与在远处接收视场接收到的回波能量差异减小。

请参阅图3，根据调制信号及调制光，重构目标物的像具体包括：

步骤s41，将调制光转换为电信号。

步骤s42，对调制信号及电信号进行计算，以重构目标物的像。

将调制光转换为电信号有利于重构组件的重构计算。对电信号及调制信号的计算可以采用关联运算或压缩感知算法。

上述减小接收到的回波能量差异的方法，包括对激光光束进行扩束并降低发散角的整形；发射整形后的激光光束并投射至目标物；接收被目标物反射的激光光束，并根据调制信号对接收到的激光光束进行调制，得到调制光；根据调制信号及调制光，重构目标物的像。通过对激光光束进行扩束并降低发散角的整形，使得近处接收视场小于激光光束的发射视场，探测器在近处接收视场接收部分回波能量，远处接收视场大于激光光束的发射视场，探测器在远处接收视场接收全部回波能量，从而减小探测器在近处接收视场接收到的回波能量与在远处接收视场接收到的回波能量差异，降低了对探测器的要求。

请参阅图4，本申请实施例还提供一种减小接收到的回波能量差异的系统，包括整形组件10、光源20、接收组件40及重构组件50。

整形组件10用于对激光光束进行扩束并降低发散角的整形。在激光光束从光源20内出射之前，整形组件10对激光光束进行扩束并降低发散角的整形，对激光光束的扩束即增大激光光束的直径，激光光束的直径增大时，发散角会减小。整形组件10可以设置于光源20内。

在一实施例中，整形组件10包括透镜组，透镜组包括两个透镜。采用透镜作为扩束元件，具有结构简单、扩束光路设计简单的优点。

在一实施例中，整形组件10包括棱镜组，棱镜组包括多个依次级联的等腰直角三棱镜。采用等腰直角三棱镜作为扩束元件，具有结构简单、加工精度高的等腰直角三棱镜更易于制作、加工成本低的优点。

减小接收到的回波能量差异的系统还可以包括消像差组件。在整形组件10对激光光束进行扩束并降低发散角的整形后，还可以采用消像差组件对整形后的激光光束进行消像差，以提高目标物30的成像质量。消像差组件可以设置于光源20内。

光源20用于发射整形后的激光光束并投射至目标物30。光源20可以是激光器。

接收组件40用于接收被目标物30反射的激光光束，并根据调制信号对接收到的激光光束进行调制，得到调制光。在接收光路上对目标物30反射的激光光束进行调制，将目标物30反射的激光光束调制成已知、可控的调制光后再投射至探测器51，使得目标物30的成像数据计算更简单。

重构组件50用于根据调制信号及调制光，重构目标物30的像。

请参阅图5，在一实施例中，减小接收到的回波能量差异的系统还包括发射镜头60，发射镜头60设置于光源20与目标物30之间，用于将光源20发射的整形后的激光光束投射至目标物30。通过发射镜头60将激光光束投射至目标物30，发射镜头60可以根据目标物30的距离、大小进行调节，从而使得激光光束有效投射至目标物30。

光源20及发射镜头60组成激光光束的发射光路。

接收组件40包括接收镜头41及空间光调制器42，接收镜头41设置于空间光调制器42与目标物30之间。接收镜头41用于接收被目标物30反射的激光光束，并将接收到的激光光束投射至空间光调制器42。接收镜头41可以使得目标物30反射的激光光束能够有效投射至空间光调制器42。空间光调制器42用于根据调制信号对激光光束进行调制，得到调制光。通过空间光调制器42对目标物30反射的激光光束进行调制，使得目标物30的成像数据计算更简单。

在一实施例中，空间光调制器42为dmd(digitalmicro-mirrordevice，数字微镜阵列)，dmd包括多个呈阵列排布的铝镜，每个铝镜的尺寸为微米级。每个铝镜包括开态和关态两个状态，即每个铝镜绕其对角线旋转+12°和-12°。每个铝镜根据调制信号旋转对应的角度，从而可以对光进行预设的振幅调制。

重构组件50包括探测器51、控制模块52及计算模块53，计算模块53分别与探测器51及控制模块52电连接。空间光调制器42还用于将调制光投射至探测器51，探测器51用于将调制光转换为电信号，还将电信号传输至计算模块53。探测器51可以是没有空间分辨能力的单像素探测器51。控制模块52用于生成调制信号并将调制信号传输至计算模块53。控制模块52还与空间光调制器42电连接，控制模块52还用于生成调制信号并将调制信号传输至空间光调制器42，空间光调制器42根据调制信号对目标物30反射的激光光束进行调制。计算模块53用于对电信号及调制信号进行计算，以重构目标物30的像。对电信号及调制信号的计算可以采用关联运算或压缩感知算法。根据电信号及调制信号对目标物30的像进行重构使得目标物30的成像具有高灵敏度、数据处理简单、成本低的优点。

上述的减小接收到的回波能量差异的系统，整形组件10对激光光束进行扩束并降低发散角的整形；光源20发射整形后的激光光束并投射至目标物30；接收组件40接收被目标物30反射的激光光束，并根据调制信号对接收到的激光光束进行调制，得到调制光；重构组件50根据调制信号及调制光，重构目标物30的像。通过整形组件10对激光光束进行扩束并降低发散角的整形，使得接收组件40的近处接收视场小于激光光束的发射视场，探测器51在近处接收视场接收部分回波能量，远处接收视场大于激光光束的发射视场，探测器51在远处接收视场接收全部回波能量，从而减小探测器51在近处接收视场接收到的回波能量与在远处接收视场接收到的回波能量差异，降低了对探测器51的要求。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。