本發明涉及望遠鏡技術領域，具體涉及一種基于干涉探測技術的光學搜索跟蹤望遠鏡。

背景技術：

對于天文觀測來說，選擇一個視寧度好、背景雜光低的站址是非常重要的，然而這樣的站址非常稀缺，并且隨著城市化的發展，原來好的站址可能由于不斷增加的周邊燈光污染和霧霾等環境污染而變壞。另外，隨著科技進步和航空航天事業的不斷發展，大氣層附近各種飛行器數目飛速增加。因此，需要尋找一種有效的方法抑制天光背景噪聲對大口徑成像望遠鏡探測能力的影響。因為大口徑成像望遠鏡的視場均很小，都需要一個光學搜索跟蹤望遠鏡將感興趣的目標引導入大口徑成像望遠鏡的視場，所以提高光學搜索跟蹤望遠鏡的探測能力是提高最終大口徑成像望遠鏡探測能力所必需的一個重要前提。

現有光學搜索跟蹤望遠鏡受太陽和天光背景的影響，其探測時段、探測能力和測量精度受到嚴重制約。而現有抑制天光背景噪聲的方法(主要包括：視場控制法、光譜濾波法、偏振濾波法等)均有其局限性，主要體現在以下幾點：對于視場控制法，其缺點是視場較小，且在強天光背景下抑制能力不佳；對于光譜濾波法，其缺點是當目標與天光背景的光譜相近時難以區分目標光和天光背景的光譜能量峰值；對于偏振濾波法，一般需要提前預估目標光和天光背景的偏振態的差異，而由于偏振態的差異隨著目標軌道運動和姿態以及太陽高度角等的變化而改變，故具體實現較為復雜且對應用時段和場景也有一定要求。

技術實現要素：

為了解決現有光學搜索跟蹤望遠鏡存在的探測時段、探測能力和測量精度受到嚴重制約的問題，本發明提供一種基于干涉探測技術的光學搜索跟蹤望遠鏡。

本發明為解決技術問題所采用的技術方案如下：

本發明的基于干涉探測技術的光學搜索跟蹤望遠鏡，包括：

濾光片，對目標光和天光背景光進行濾波，將目標光頻譜范圍之外的天光背景光濾除；

偏振器件，將經濾光片濾波后的目標光和天光背景光變換成線偏振光；

設置在波面上的兩個相同的光場相位調制器，一個光場相位調制器施加高壓電，另一個光場相位調制器不施加高壓電，通過兩個光場相位調制器將線偏振光分成兩路并對線偏振光的相位進行周期性調制；

光學鏡頭，將經周期性相位調制的兩路光束會聚在焦平面上，形成干涉場；

設置在焦平面上的探測器，目標光在探測器靶面形成具有條紋分布的光斑，經探測器作用后目標光轉換成目標電信號輸出；

信號處理系統，接收目標電信號并對其進行處理，實現對目標的探測；

所述濾光片、偏振器件、兩個光場相位調制器、光學鏡頭、探測器沿光軸依次排布，兩個光場相位調制器相對平行設置。

進一步的，所述信號處理系統包括：

設置在探測器后方的多個帶通濾波器，所述探測器中的所有像素與多個帶通濾波器一一對應，通過帶通濾波器將目標電信號調制頻率之外的天光背景光濾除并轉換成目標時域變化信號；

與多個帶通濾波器一一對應相連的多個同步解調器，將目標時域變化信號解調為目標頻域直流信號；

與多個同步解調器一一對應相連的多個低通濾波器，用于篩選目標頻域直流信號；

與多個低通濾波器電連接的計算機，讀取經低通濾波器篩選后的目標頻域直流信號并對其進行處理，利用計算機重構探測器所探測到的目標光斑分布。

進一步的，所述偏振器件選用偏振棱鏡或者偏振片。

進一步的，兩個光場相位調制器均選擇泡克爾盒。

進一步的，兩個光場相位調制器均選擇聲光調制器。

進一步的，所述探測器選用ccd、cmos、emccd、光電二極管陣列pda或者雪崩光電二極管陣列apda。

本發明的有益效果是：

本發明基于光學干涉和光場相位調制的干涉探測技術，利用小角直徑目標具有更好的空間相干性和弱信號提取技術(目標干涉條紋的調制和解調)、可形成白光干涉條紋(基于部分相干光理論中的vancittert-zernike定理)以及周期性信號提高信噪比等特點，不需要壓縮視場，不需要區分目標和天光背景的光譜能量峰值，也不需要預估目標和天光背景的偏振態的差異，就可以實現對強天光背景噪聲的有效抑制，進而提高對暗弱目標的探測能力，最終實現光學搜索跟蹤望遠鏡在白天對高星等暗弱目標進行探測的目的，探測能力強，探測精度高。

本發明通過對入射光波面分波前(即從不同位置引出兩束光)并利用光場相位調制器的電光效應或者聲光效應等光學效應，使兩束光的相位差產生周期性調制，從而引起探測器靶面的光信號強度的周期性變化，實現目標光在探測器靶面形成運動的干涉條紋，通過信號處理系統利用微弱信號檢測技術對探測器接收到的周期性調制信號進行檢測，最終實現從強天光背景中探測暗弱目標的目的。

附圖說明

圖1為本發明中的光機結構結構示意圖。

圖2為本發明中的信號處理系統的結構示意圖。

圖3為目標光和天光背景光在探測器靶面的會聚光斑以及會聚光斑的光強橫向分布示意圖。圖3a為目標光形成的具有條紋分布的光斑，圖3b為目標光斑的光強橫向分布，圖3c為天空背景光形成的充滿靶面的近似均勻的光斑，圖3d為天空背景光斑的光強橫向分布。

圖4為天光背景光在白天和夜間的頻譜分布以及經相位調制后的目標信號的頻譜分布。

圖中：1-1、目標光，1-2、天光背景光，2、光軸，3、濾光片，4、偏振器件，5、第一光場相位調制器，6、第二光場相位調制器，7、光學鏡頭，8、探測器，9、光學搜索跟蹤望遠鏡，10、帶通濾波器，11、同步解調器，12、低通濾波器，13、計算機，14、直流噪聲，15、目標信號，16、白天散粒噪聲，17、夜間天空背景噪聲。

具體實施方式

以下結合附圖對本發明作進一步詳細說明。

如圖1和圖2所示，本發明的基于干涉探測技術的光學搜索跟蹤望遠鏡，主要包括兩部分，一部分為光機結構，另一部分為信號處理系統。光機結構主要包括：濾光片3、偏振器件4、第一光場相位調制器5、第二光場相位調制器6、光學鏡頭7、探測器8；信號處理系統主要包括：多個帶通濾波器10、多個同步解調器11、多個低通濾波器12、計算機13。

如圖1所示，由濾光片3、偏振器件4、第一光場相位調制器5、第二光場相位調制器6、光學鏡頭7、探測器8組成本發明的光機結構。濾光片3、偏振器件4、第一光場相位調制器5、第二光場相位調制器6、光學鏡頭7、探測器8沿著光軸2依次排布，其中，第一光場相位調制器5與第二光場相位調制器6相對平行設置。目標光1-1和天光背景光1-2同時入射到濾光片3，經過濾光片3的濾波作用，可以將目標光1-1頻譜范圍之外的天光背景光1-2濾除，提高信噪比；由于同一偏振方向的光波才對形成干涉條紋有用，所以通過偏振器件4將經過濾光片3濾波作用后的目標光1-1和天光背景光1-2變成線偏振光；利用分波前法將接收線偏振光的波面(等相位面)分成兩路，即將兩個相同的光場相位調制器放置在波面，第一光場相位調制器5加高壓電，而第二光場相位調制器6不加高壓電，利用第一光場相位調制器5和第二光場相位調制器6將線偏振光分成兩路，同時通過第一光場相位調制器5和第二光場相位調制器6對線偏振光的相位進行周期性調制，使產生的目標干涉條紋產生周期性掃描運動，目標光1-1的調制頻率設為fm，當兩個光場相位調制器均不工作時，目標光1-1則在光學鏡頭7的焦平面上形成穩定的干涉條紋；然后通過光學鏡頭7將經過周期性相位調制的兩路光束會聚在焦平面上，形成干涉場；在焦平面上放置探測器8，目標光1-1在探測器8靶面可形成較小的具有條紋分布的光斑，探測器8可探測到目標光1-1隨時間的周期性起伏，天光背景光1-2則在探測器8靶面形成近似均勻的光斑。

根據部分相干光原理，小角直徑目標的遠場空間相干性優于大角直徑目標。由于自然星和人造衛星等目標的角直徑較小，遠小于天光背景光1-2的等效角直徑，故目標光1-1經分波前后，再經過光場相位調制，可在遠場形成周期性運動干涉條紋，即在探測器8靶面形成的光斑具有條紋起伏分布特性，而天光背景光1-2則無法形成干涉條紋，只能在探測器8靶面形成近似均勻的光斑。如圖3所示，圖3a為目標光1-1形成的具有條紋分布的光斑，圖3b為目標光斑的光強橫向分布，圖3c為天空背景光1-2形成的充滿靶面的近似均勻的光斑，圖3d為天空背景光斑的光強橫向分布。

如圖2所示，由多個帶通濾波器10、多個同步解調器11、多個低通濾波器12、計算機13組成本發明的信號處理系統。帶通濾波器10的數量與同步解調器11的數量以及低通濾波器12的數量相同，多個帶通濾波器10、多個同步解調器11、多個低通濾波器12一一對應設置，帶通濾波器10與同步解調器11電連接，同步解調器11與低通濾波器12電連接，低通濾波器12與計算機13電連接。在探測器8后方設置多個帶通濾波器10，其中探測器8中的每個像素均對應一個帶通濾波器10。目標光1-1經過探測器8作用后轉換成目標電信號輸出，通過帶通濾波器10將目標電信號調制頻率fm之外的天光背景光1-2濾除，只容許頻譜很窄的目標電信號通過，大大提高信噪比，目標電信號經過帶通濾波器10的濾波作用后轉換成目標時域變化信號；同步解調器11將調制頻率為fm的目標時域變化信號解調為目標頻域直流信號，經過低通濾波器12將目標頻域直流信號篩選出來，再次提高信噪比；計算機13讀取經過低通濾波器12篩選后的目標頻域直流信號并對其進行處理，利用計算機13重構探測器8所探測到的目標光斑分布。

利用計算機13重構探測器8所探測到的目標光斑分布的具體過程為：對探測器8中每個像素對應輸出的信號均進行解調，當發現探測器8靶面上某個區域的若干像素所對應的的解調信號幅值明顯大于其它區域時，則說明在望遠鏡視場中發現了目標，實現了探測目標的目的；然后在發現目標的區域中選擇解調信號幅值最大的像素，則該像素在探測器8中所處的位置代表目標與光學搜索跟蹤望遠鏡9視軸的偏離量；當發現在望遠鏡視場中有多個目標時，則說明在探測器8靶面上的多個區域內都具有較強的解調信號幅值，從而實現對多目標的同時探測。

天光背景光1-2的頻域分布特點是具有很強的零頻分量和近似均勻的全頻譜分布，一般來說，天光背景光1-2在白天全頻譜分布幅值遠大于夜間。當目標光1-1的能量被集中調制到某個頻率(帶寬很窄，一般遠小于1hz)時，該頻率處的解調信號幅值是天光背景光1-2的幾倍以上。具體分析如圖4所示，白天，天空背景光1-2具有很強的直流噪聲14，白天散粒噪聲16則在全頻譜范圍內基本均勻分布，在某個固定頻率處(帶寬很窄，一般遠小于1hz)的解調信號幅值并不高；夜間，天空背景噪聲17也是在全頻譜范圍內基本均勻分布，比白天弱很多，目標信號15被調制后避開很強的直流噪聲14，在調制頻率fm處強于天空背景噪聲17，故可實現從強天光背景噪聲中提取弱目標信號的目的。本發明的光學搜索跟蹤望遠鏡9具有更高探測靈敏度以及可探測更高星等目標的特點。

本發明中，為了提取目標信號，需要采用一些微弱信號的檢測器件和技術，除了上述采用的信號處理系統，還可以選擇同步相干(相關)檢測技術中的鎖定放大器或鎖相放大器以實現微弱電信號的提取，也可以采用取樣積分技術中的取樣積分器或門積分器或多點信號平均器以實現微弱電信號的提取，從而更好的抑制噪聲提高目標的探測概率。

本發明中，濾光片3可選擇窄帶干涉濾光片，帶寬約10nm，可有效地濾除其它波段天空背景光1-2對目標光1-1的干擾；其透過波段可根據應用場合、探測器光譜響應曲線等因素綜合分析后進行選擇。

本發明中，偏振器件4可選擇偏振棱鏡或者偏振片。

本發明中，第一光場相位調制器5和第二光場相位調制器6均選擇泡克爾盒，泡克爾盒可根據具體應用要求選擇不同尺寸的電光晶體，常見的電光晶體有kdp、kd^*p、ktp和rtp等。或者，第一光場相位調制器5和第二光場相位調制器6均選擇聲光調制器，聲光調制器可根據具體應用要求選擇不同尺寸的聲光晶體，常見的聲光晶體包括鉬酸鉛、鉬酸二鉛、二氧化碲、鍺釩酸鉛等。

本發明中，光學鏡頭7主要保證兩束目標光1-1能在探測器8靶面會聚成較小的具有干涉條紋分布的光斑，具體結構形式和材料依應用場合、工作波段和像差控制要求等而定。

本發明中，探測器8可選用ccd或cmos等平面陣列探測器，也可采用弱光增強型emccd，亦可采用光電二極管陣列pda或者雪崩光電二極管陣列apda。

本發明中，探測器8的獨立探測像元尺寸約等于或略小于干涉條紋的亮條紋半寬度，從而實現較好的探測效果。

本發明中，帶通濾波器10應根據目標頻譜分布特點，盡量保證目標電信號的無損通過以及對其它頻譜段的天光背景噪聲的抑制。

本發明中，同步解調器11利用與目標電信號調制頻率fm相同的參考信號，通過同步相關檢測獲得探測器8輸出的目標電信號。

本發明中，低通濾波器12的帶寬盡量窄，保證解調后的目標頻域直流信號順利通過，抑制其它頻譜段的天光背景噪聲。

具體實施方式一

本實施方式中，偏振器件4選用偏振棱鏡，第一光場相位調制器5和第二光場相位調制器6均選用相同尺寸和材料的泡克爾盒，具體均選用相同尺寸和材料的電光晶體kdp，光學鏡頭7選用雙膠合消色差透鏡，探測器8選用ccd。

目標光1-1和天光背景光1-2同時入射到濾光片3，經過濾光片3的濾波作用，可以將目標光1-1頻譜范圍之外的天光背景光1-2濾除，提高信噪比；由于同一偏振方向的光波才對形成干涉條紋有用，所以通過偏振棱鏡將經過濾光片3濾波作用后的目標光1-1和天光背景光1-2變成線偏振光；利用分波前法將接收線偏振光的波面(等相位面)分成兩路，即將兩個相同的電光晶體kdp放置在波面，其中一個電光晶體kdp加高壓電，而另一個電光晶體kdp不加高壓電，利用兩個電光晶體kdp將線偏振光分成兩路，同時通過這兩個電光晶體kdp對線偏振光的相位進行周期性調制，使產生的目標干涉條紋產生周期性掃描運動，目標光1-1的調制頻率設為fm，當兩個電光晶體kdp均不工作時，目標光1-1則在光學鏡頭7的焦平面上形成穩定的干涉條紋；然后通過光學鏡頭7將經過周期性相位調制的兩路光束會聚在焦平面上，形成干涉場；在焦平面上放置ccd，目標光1-1在ccd靶面可形成較小的具有條紋分布的光斑，ccd可探測到目標光1-1隨時間的周期性起伏，天光背景光1-2則在ccd靶面形成近似均勻的光斑。

電光晶體kdp屬于雙折射光學材料，當光波沿著電光晶體kdp傳播時，電光晶體kdp本身會改變光波的相位，相位變化量一般與傳播距離成正比；同時當給電光晶體kdp加高壓電時，根據電光效應，電光晶體kdp的折射率會發生變化，從而導致通過電光晶體kdp的光波的相位發生相應變化，這種變化可通過合理的設計使光波相位變化與所加高壓電變化成線性關系。當其中一個電光晶體kdp加調制頻率為fm的交流電而另一個電光晶體kdp不加高壓電時，這時目標光1-1經過兩個電光晶體kdp后的光波在遠場可形成運動的干涉條紋，而天空背景光1-2卻只能形成近似均勻的光強分布。

具體實施方式二

本實施方式中，偏振器件4選用偏振片，第一光場相位調制器5和第二光場相位調制器6均選用相同尺寸和材料的聲光調制器，具體均選用相同尺寸和材料的聲光晶體鉬酸鉛，光學鏡頭7選用平凸透鏡，探測器8選用光電二極管陣列pda。

目標光1-1和天光背景光1-2同時入射到濾光片3，經過濾光片3的濾波作用，可以將目標光1-1頻譜范圍之外的天光背景光1-2濾除，提高信噪比；由于同一偏振方向的光波才對形成干涉條紋有用，所以通過偏振片將經過濾光片3濾波作用后的目標光1-1和天光背景光1-2變成線偏振光；利用分波前法將接收線偏振光的波面(等相位面)分成兩路，即將兩個相同的聲光晶體鉬酸鉛放置在波面，其中一個聲光晶體鉬酸鉛加高壓電，而另一個聲光晶體鉬酸鉛不加高壓電，利用兩個聲光晶體鉬酸鉛將線偏振光分成兩路，同時通過這兩個聲光晶體鉬酸鉛對線偏振光的相位進行周期性調制，使產生的目標干涉條紋產生周期性掃描運動，目標光1-1的調制頻率設為fm，當兩個聲光晶體鉬酸鉛均不工作時，目標光1-1則在光學鏡頭7的焦平面上形成穩定的干涉條紋；然后通過光學鏡頭7將經過周期性相位調制的兩路光束會聚在焦平面上，形成干涉場；在焦平面上放置光電二極管陣列pda，目標光1-1在光電二極管陣列pda靶面可形成較小的具有條紋分布的光斑，光電二極管陣列pda可探測到目標光1-1隨時間的周期性起伏，天光背景光1-2則在光電二極管陣列pda靶面形成近似均勻的光斑。

當給聲光調制器的電極施加驅動電信號時，通過其中的壓電換能器將電信號變成超聲波，從而在聲光晶體鉬酸鉛內形成超聲行波場或駐波場，從而改變聲光晶體鉬酸鉛的折射率，形成類似光柵的折射率分布，進而改變入射光的頻率。當兩個聲光調制器所加高壓電信號頻率稍有差別時，根據聲光效應，一級衍射光的頻率也發生相應的變化，光頻差等于電信號頻率差；這時目標光1-1經過兩個聲光晶體鉬酸鉛后的一級衍射光可在遠場形成運動的干涉條紋，而天空背景光1-2卻只能形成近似均勻的光強分布。

以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護范圍。