技术领域
[0001] 本
申请涉及光学成像技术领域，更具体地说，涉及一种新型剪切光束成像系统及目标图像获取方法。
背景技术
[0002] 对远距离运动目标(例如飞机、卫星或导弹等)的监视与识别技术，对民航调度、安全预警、军事侦察等领域都有着重要意义。目前的远
距离成像技术主要分为被动远距离成像和主动远距离成像两种。被动远距离成像是利用自然
光源的照射以实现对探测目标进行观测的技术，也是最早被采用的成像技术。然而被动远距离成像对自然光源、太阳与地球的相对
位置和天光背景等环境因素有较强的依赖性，难以做到对探测目标的全天时观测。主动远距离成像采用人造光源(一般为激光源)照射以实现对探测目标的成像，受上述环境因素的影响较小，是被动成像无法工作时段的强有
力的替代技术。
[0003] 主动远距离成像领域中包含了多种不同理念的成像技术，其中剪切光束成像因其高分辨力、内在对大气
湍流的免疫性以及可瞬态成像等优点成为对远距离运动目标成像的具有较大竞争力的主动成像技术。
[0004] 截至目前，国内外公开发表的文献中关于剪切光束成像系统的描述均包含对发射光束进行移频和对接收条纹场进行解调的装置，以实现区分两个
正交方向的干涉条纹所包含的目标特征信息，准确提取两个正交方向的
相位信息，从而实现重构目标图像的目的；但是由于对发射光束进行移频和对接收条纹场进行解调的装置的存在，导致
现有技术中的剪切光束成像系统存在结构较为复杂和对探测激光的
能量利用率较低的问题。
发明内容
[0005] 为解决上述技术问题，本发明提供了一种新型剪切光束成像系统及目标图像获取方法，以实现简化剪切光束成像系统结构，提高探测激光的能量利用率的目的。
[0006] 为实现上述技术目的，本发明
实施例提供了如下技术方案：
[0007] 一种新型剪切光束成像系统，包括：激光发射模
块和成像模块；其中，所述激光发射模块包括：
激光器、分光单元、扩束单元和指向单元；所述成像模块包括：探测器阵列和计算单元；其中，
[0008] 所述激光器用于出射探测激光；
[0009] 所述分光单元用于将所述探测激光分束为第一激光、第二激光和第三激光；
[0010] 所述指向单元用于对所述第一激光、第二激光和第三激光进行整形并压缩发散
角后向所述指向单元出射；
[0011] 所述指向单元用于将从所述指向单元出射的第一激光、第二激光和第三激光向探测目标发射；
[0012] 所述探测器阵列用于接收由探测目标反射的第一激光、第二激光和第三激光回波彼此相干
叠加而形成的整体剪切干涉图；
[0013] 所述计算单元用于基于傅里叶相位提取技术，根据所述整体剪切干涉图获取目标图像。
[0014] 可选的，所述探测器阵列接收由探测目标反射的第一激光、第二激光和第三激光回波彼此相干叠加而形成的整体剪切干涉图具体用于，
[0015] 接收第一剪切干涉图、第二剪切干涉图和第三剪切干涉图，并获得由所述第一剪切干涉图、第二剪切干涉图和第三剪切干涉图
混叠形成的整体剪切干涉图，其中，所述第一剪切干涉图由所述第一激光和第二激光相干叠加形成，所述第二剪切干涉图由第二激光和第三激光相干叠加形成，所述第三剪切干涉图由第一激光和第三激光相干叠加形成。
[0016] 可选的，所述计算单元基于傅里叶相位提取技术，根据所述整体剪切干涉图获取目标图像具体用于，
[0017] 将每次接收的整体剪切干涉图进行成像处理，以获得散斑目标图像；
[0018] 对多个散斑目标图像进行平均计算，以获得清晰目标图像；
[0019] 所述对每次接收的整体剪切干涉图进行成像处理包括：
[0020] 对每次接收的整体剪切干涉图整体进行二维傅里叶变换操作，将剪切干涉图的光强的空间分布变换到空间频域分布；
[0021] 选取空间频域分布的剪切干涉图x方向的+1级
频谱和y方向的+1级频谱；
[0022] 对x方向的+1级频谱和y方向的+1级频谱分别进行逆傅里叶变换，获得x方向的差分波面和y方向的差分波面；
[0023] 利用波前重构
算法分析对x方向的差分波面和y方向的差分波面进行重构计算，以获得目标远场波面；
[0024] 对所述目标远场波面进行逆傅里叶变换获得目标表面波面，并对所述目标表面波面进行取模值后平方运算，获得散斑目标图像。
[0025] 可选的，所述分光单元包括：第一分光元件、第二分光元件和反射镜；其中，[0026] 所述第一分光元件用于对所述出射探测激光进行部分透射和部分反射，其中，透射部分的出射探测激光形成所述第一激光，反射部分的出射探测激光入射到所述第二分光元件表面；
[0027] 所述第二分光元件用于对所述第一分光元件反射的出射探测激光进行部分透射和部分反射，其中，反射部分的出射探测激光形成所述第二激光，透射部分的出射探测激光经过所述反射镜反射后形成所述第三激光。
[0028] 可选的，所述第一分光元件为保偏分光棱镜或保偏分光片或保偏分光膜；
[0029] 所述第二分光元件为保偏分光棱镜或保偏分光片或保偏分光膜；
[0030] 所述反射镜为保偏反射镜。
[0031] 可选的，所述第一分光元件的分光比为1：2；
[0032] 所述第二分光元件的分光比为1:1。
[0033] 可选的，所述扩束单元包括：第一扩束望远镜、第二扩束望远镜和第三扩束望远镜；其中，
[0034] 所述第一扩束望远镜用于对所述第一激光进行整形并压缩发散角后向所述指向单元出射；
[0035] 所述第二扩束望远镜用于对所述第二激光进行整形并压缩发散角后向所述指向单元出射；
[0036] 所述第三扩束望远镜用于对所述第三激光进行整形并压缩发散角后向所述指向单元出射。
[0037] 可选的，所述指向单元包括：第一指向镜、第二指向镜和第三指向镜；其中，[0038] 所述第一指向镜用于将经过整形并压缩发散角后的第一激光指向所述探测目标发射；
[0039] 所述第二指向镜用于将经过整形并压缩发散角后的第二激光指向所述探测目标发射；
[0040] 所述第三指向镜用于将经过整形并压缩发散角后的第三激光指向所述探测目标发射。
[0041] 可选的，所述探测器阵列包括：
[0042] 多个阵列排布的
光电倍增管或多个阵列排布的光电
二极管或多个阵列排布的
雪崩
光电二极管或多个阵列排布的电荷耦合元件图像
传感器或多个阵列排布的互补金属
氧化物
半导体图像传感器。
[0043] 一种目标图像获取方法，应用于上述任一项所述的剪切光束成像系统，所述目标图像获取方法包括：
[0044] 先后获取多个整体剪切干涉图，每次接收的整体剪切干涉图为同一时刻接收到的第一剪切干涉图、第二剪切干涉图和第三剪切干涉图相互叠加在一起所成的剪切干涉图；
[0045] 对每次接收的整体剪切干涉图进行成像处理，以获得散斑目标图像；
[0046] 对多个散斑目标图像进行平均计算，以获得清晰目标图像；
[0047] 所述对每次接收的整体剪切干涉图进行成像处理包括：
[0048] 对每次接收的整体剪切干涉图整体进行二维傅里叶变换操作，将剪切干涉图的光强的空间分布变换到空间频域分布；
[0049] 选取空间频域分布的剪切干涉图x方向的+1级频谱和y方向的+1级频谱；
[0050] 对x方向的+1级频谱和y方向的+1级频谱分别进行逆傅里叶变换，获得x方向的差分波面和y方向的差分波面；
[0051] 利用波前重构算法分析对x方向的差分波面和y方向的差分波面进行重构计算，以获得目标远场波面；
[0052] 对所述目标远场波面进行逆傅里叶变换获得目标表面波面，并对所述目标表面波面进行取模值后平方运算，获得散斑目标图像。
[0053] 从上述技术方案可以看出，本发明实施例提供了一种新型剪切光束成像系统及目标成像获取方法，其中，所述新型剪切光束成像系统通过同一激光器利用分光单元和扩束单元获得了用于探测的第一激光、第二激光和第三激光，并通过所述指向单元将所述第一激光、第二激光和第三激光指向探测目标发射，然后通过探测器阵列接收由目标反射的第一激光、第二激光和第三激光的回波相干叠加而形成的整体剪切干涉图，最后基于傅里叶相位提取技术对整体剪切干涉图进行处理，从而实现获取目标图像的目的；从上述过程可以看出，所述新型剪切光束成像系统将傅里叶相位提取技术应用到传统剪切光束成像技术中，从而使去除传统剪切光束成像系统中的光束移频和条纹解调这两个步骤成为可能，进而实现简化剪切光束成像系统的结构、提高成像
信噪比和降低图像重构算法的复杂度的目的，极大提高了剪切光束成像系统的性能并利于其工程化实现。
附图说明
[0054] 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。
[0055] 图1为本申请的一个实施例提供的一种新型剪切光束成像系统的结构示意图；
[0056] 图2为剪切干涉图的示意图；
[0057] 图3为图2所示的剪切干涉图对应的空间频谱分布图；
[0058] 图4为本申请的一个实施例提供的一种目标图像获取方法的流程示意图；
[0059] 图5为本申请的一个实施例提供的对每次接收的整体剪切干涉图进行成像处理的流程示意图。
具体实施方式
[0060] 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。
[0061] 本申请实施例提供了一种新型剪切光束成像系统，如图1所示，包括：激光发射模块100和成像模块200；其中，所述激光发射模块100包括：激光器110、分光单元120、扩束单元130和指向单元140；所述成像模块200包括：探测器阵列和计算单元；其中，[0062] 所述激光器110用于出射探测激光；
[0063] 所述分光单元120用于将所述探测激光分束为第一激光、第二激光和第三激光；
[0064] 所述指向单元140用于对所述第一激光、第二激光和第三激光进行整形并压缩发散角后向所述指向单元140出射；
[0065] 所述指向单元140用于将从所述指向单元140出射的第一激光、第二激光和第三激光向探测目标TG发射；
[0066] 所述探测器阵列用于接收探测目标TG反射的第一激光、第二激光和第三激光回波彼此相互叠加而形成的整体剪切干涉图(利用傅里叶相位提取技术可区分整体剪切干涉图中的每一幅剪切干涉图并获得该剪切干涉图所对应的两个激光波面的
相位差信息)；
[0067] 所述计算单元用于基于傅里叶相位提取技术，根据所述整体剪切干涉图获取目标图像获取目标图像。
[0068] 需要说明的是，激光器110出射的探测激光在经过分光单元120、扩束单元130和指向单元140后，需要保持偏振状态不变，以使得激光发射模块100最终出射的第一激光、第二激光和第三激光可以形成
对比度最大的干涉条纹；而假如探测激光的偏振状态在经过分光单元120、扩束单元130和指向单元140后发生改变，就会出现干涉条纹模糊的情况，甚至当偏振状态正交时，不会出现干涉条纹。
[0069] 所述激光器110出射的探测激光的相干长度约为探测目标TG纵深尺寸的两倍，一般可以将激光器110出射的探测激光的相干长度设置在1m-10m之间。所述激光器110优选选择单频高相干性高功率的激光器，例如可以是单频性和相干性较好的固体激光器或光纤激光器；而在满足单频性、相干性和发射功率要求的前提下，所述激光器110还可以是半导体激光器或气体激光器。
[0070] 所述新型剪切光束成像系统通过同一激光器110利用分光单元120和扩束单元130获得了用于探测的第一激光、第二激光和第三激光，并通过所述指向单元140将所述第一激光、第二激光和第三激光指向探测目标TG发射，然后通过探测器阵列接收由目标TG反射的第一激光、第二激光和第三激光彼此相干叠加而形成的整体剪切干涉图，最后基于傅里叶相位提取技术对获取整体剪切干涉图进行处理，从而实现获取目标图像的目的；从上述过程可以看出，所述新型剪切光束成像系统将傅里叶相位提取技术应用到传统剪切光束成像技术中，从而使去除传统剪切光束成像系统中的光束移频和条纹解调这两个步骤成为可能，进而实现简化剪切光束成像系统的结构、提高成像信噪比和降低图像重构算法的复杂度的目的，极大提高了剪切光束成像系统的性能并利于其工程化实现。
[0071] 在上述实施例的
基础上，本申请的一个实施例提供了一种探测器阵列接收由探测目标反射的第一激光、第二激光和第三激光回波彼此相干叠加而形成的整体剪切干涉图的具体过程，包括：
[0072] 接收第一剪切干涉图、第二剪切干涉图和第三剪切干涉图，并获得由所述第一剪切干涉图、第二剪切干涉图和第三剪切干涉图混叠形成的整体剪切干涉图，其中，所述第一剪切干涉图由所述第一激光和第二激光相干叠加形成，所述第二剪切干涉图由第二激光和第三激光相干叠加形成，所述第三剪切干涉图由第一激光和第三激光相干叠加形成。
[0073] 在上述实施例的基础上，本申请的另一个实施例提供了一种计算单元基于傅里叶相位提取技术，根据所述整体剪切干涉图进行相关处理以获取目标图像的具体过程，包括：
[0074] 对每次接收的整体剪切干涉图进行成像处理，以获得散斑目标图像；
[0075] 对多个散斑目标图像进行平均计算，以获得清晰目标图像；
[0076] 所述对每次接收的整体剪切干涉图进行成像处理包括：
[0077] 对每次接收的整体剪切干涉图整体进行二维傅里叶变换操作，将剪切干涉图的光强的空间分布变换到空间频域分布；
[0078] 选取空间频域分布的剪切干涉图x方向的+1级频谱和y方向的+1级频谱；
[0079] 对x方向的+1级频谱和y方向的+1级频谱分别进行逆傅里叶变换，获得x方向的差分波面和y方向的差分波面；
[0080] 利用波前重构算法分析对x方向的差分波面和y方向的差分波面进行重构计算，以获得目标远场波面；
[0081] 对所述目标远场波面进行逆傅里叶变换获得目标表面波面，并对所述目标表面波面进行取模值后平方运算，获得散斑目标图像。
[0082] 参考图2和图3，图2为剪切干涉图的示意图；图3为图2所示的剪切干涉图对应的空间频谱分布图；在图3中，标号为10为剪切干涉图经过傅里叶变换后的频域分布，其中，11为零频分量，12为x方向的+1级频谱，13为x方向的-1级频谱，14为y方向的+1级频谱，15为y方向的-1级频谱，16为x与y对角线方向的+1级频谱，17为x与y对角线方向的-1级频谱。
[0083] 在上述实施例的基础上，在本申请的另一个实施例中，仍然参考图1，所述分光单元120包括：第一分光元件121、第二分光元件122和反射镜123；其中，
[0084] 所述第一分光元件121用于对所述出射探测激光进行部分透射和部分反射，其中，透射部分的出射探测激光形成所述第一激光，反射部分的出射探测激光入射到所述第二分光元件122表面；
[0085] 所述第二分光元件122用于对所述第一分光元件121反射的出射探测激光进行部分透射和部分反射，其中，反射部分的出射探测激光形成所述第二激光，透射部分的出射探测激光经过所述反射镜123全反射后形成所述第三激光。
[0086] 需要注意的是，第一分光元件121和第二分光元件122的抗激光损伤
阈值应大于实际入射的探测激光的功率；
[0087] 另外，为了保证探测激光经过所述第一分光元件121、第二分光元件122和反射镜123后偏振状态不发生改变，可选的，所述第一分光元件121为保偏分光棱镜或保偏分光片或保偏分光膜；
[0088] 所述第二分光元件122为保偏分光棱镜或保偏分光片或保偏分光膜；
[0089] 所述反射镜123为保偏反射镜。
[0090] 为了保证经过反光单元出射的第一激光、第二激光和第三激光的光能量相等，优选的，所述第一分光元件121的分光比为1：2，即透射部分探测激光的能量与反射部分探测激光的能量之比为1:2；
[0091] 所述第二分光元件122的分光比为1:1，即透射部分探测激光的能量与反射部分探测激光的能量之比为1:1。
[0092] 所述反射镜123的反射率一般应大于90％，在满足抗激光损伤阈值的条件下，所述反射镜123可以为
镀全反射介质膜的反射镜123，也可以是全反射棱镜等，本申请对所述反射镜123的具体种类并不做限定，具体视实际情况而定。
[0093] 可选的，仍然参考图1，所述扩束单元130包括：第一扩束望远镜131、第二扩束望远镜132和第三扩束望远镜133；其中，
[0094] 所述第一扩束望远镜131用于对所述第一激光进行整形并压缩发散角后向所述指向单元140出射；
[0095] 所述第二扩束望远镜132用于对所述第二激光进行整形并压缩发散角后向所述指向单元140出射；
[0096] 所述第三扩束望远镜133用于对所述第三激光进行整形并压缩发散角后向所述指向单元140出射。
[0097] 同样的，为了保证第一激光、第二激光和第三激光在经过扩束单元130之后的偏振状态不发生改变，所述第一扩束望远镜131、第二扩束望远镜132和第三扩束望远镜133优选为保偏抗激光损伤的扩束镜，其发散角压缩比根据实际应用选择，一般应保证每束激光在探测目标TG的
覆盖面积大于目标自身且光束直径为探测目标TG的数倍。扩束镜的种类可以是全透射型扩束镜，也可以是折射反射混合型扩束镜，还可以是全反射型扩束镜。
[0098] 可选的，仍然参考图1，所述指向单元140包括：第一指向的141、第二指向的142和第三指向的143；其中，
[0099] 所述第一指向的141用于将经过整形并压缩发散角后的第一激光指向所述探测目标TG发射；
[0100] 所述第二指向的142用于将经过整形并压缩发散角后的第二激光指向所述探测目标TG发射；
[0101] 所述第三指向的143用于将经过整形并压缩发散角后的第三激光指向所述探测目标TG发射。
[0102] 在实际应用过程中，由于探测目标TG的移动特性，第一指向的141、第二指向的142和第三指向的143需要具有可使照射到其表面的激光快速准确的指向探测目标TG的功能，指向镜的具体结构可以由发射望远镜和
跟踪瞄准系统构成，工作前需要先对指向镜进行校准，保证调整发射望远镜使得激光完全覆盖探测目标TG时，跟踪瞄准望远镜中的目标像位于视场中心，这样一旦目标偏离跟踪瞄准系统的视场中心，就控制发射望远镜偏摆，从而再次将探测目标TG拉回视场中心，这时经过发射望远镜出射的光束再次实现对探测目标TG的完全覆盖。
[0103] 可选的，所述探测器阵列包括：
[0104] 多个阵列排布的光电倍增管(Photomultiplier Tube，PMT)或多个阵列排布的光电二极管(Photo-Diode，PD)或多个阵列排布的
雪崩光电二极管(Avalanche Photo Diode，APD)或多个阵列排布的电荷耦合元件(Charge-Coupled Device，CCD)图像传感器或多个阵列排布的
互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS)图像传感器。
[0105] 本申请对构成所述探测器阵列的具体图像传感器种类并不做限定，具体视实际情况而定。
[0106] 相应的，本申请实施例还提供了一种目标图像获取方法，如图4所示，应用于上述任一实施例所述的新型剪切光束成像系统，所述目标图像获取方法包括：
[0107] S101：先后获取多个整体剪切干涉图，每次接收的整体剪切干涉图为同一时刻接收到的第一剪切干涉图、第二剪切干涉图和第三剪切干涉图相互叠加在一起所成的剪切干涉图；
[0108] S102：对每次接收的整体剪切干涉图进行成像处理，以获得散斑目标图像；
[0109] S103：对多个散斑目标图像进行平均计算，以获得清晰目标图像；
[0110] 参考图5，所述对每次接收的剪切干涉图进行成像处理包括：
[0111] S1021：对每次接收的整体剪切干涉图整体进行二维傅里叶变换操作，将剪切干涉图的光强的空间分布变换到空间频域分布；
[0112] S1022：选取空间频域分布的剪切干涉图x方向的+1级频谱和y方向的+1级频谱；
[0113] S1023：对x方向的+1级频谱和y方向的+1级频谱分别进行逆傅里叶变换，获得x方向的差分波面和y方向的差分波面；
[0114] S1024：利用波前重构算法分析对x方向的差分波面和y方向的差分波面进行重构计算，以获得目标远场波面；
[0115] S1025：对所述目标远场波面进行逆傅里叶变换获得目标表面波面，并对所述目标表面波面进行取模值后平方运算，获得散斑目标图像。
[0116] 需要说明的是，在选取空间频域分布的剪切干涉图x方向的+1级频谱和y方向的+1级频谱的过程中，采取的
滤波器窗口可选取既能保证窗口内有用
信号最大透过，又能保证窗口外干扰噪声的最大一直的合理窗口函数，例如可以是高斯窗函数、Hamming窗函数、圆柱镶嵌余弦窗函数和矩形窗函数中的任意一个。
[0117] 在利用波前重构算法分析对x方向的差分波面和y方向的差分波面进行重构计算，以获得目标远场波面的步骤中采用的波前重构算法可以是区域波前重构算法，还可以是模式波前重构算法，其中，区域波前重构算法包括但不限于Hudgin算法、Fried算法、Southwell算法和快速椭圆偏微分方法；模式波前重构算法包括但不限于Zernike多项式法、傅里叶变换法和
小波变换法。本申请对采用的具体波前重构算法并不做限定，可以从现有的波前重构算法中选择一个性能优良者作为步骤S1024中采用的波前重构算法。
[0118] 综上所述，本申请实施例提供了一种新型剪切光束成像系统及目标成像获取方法，其中，所述剪切光束成像系统通过同一激光器利用分光单元和扩束单元获得了用于探测的第一激光、第二激光和第三激光，并通过所述指向单元将所述第一激光、第二激光和第三激光指向探测目标发射，然后通过探测器阵列接收由目标反射的第一激光、第二激光和第三激光回波彼此叠加而成的整体剪切干涉图，最后基于傅里叶相位提取技术对获取的整体剪切干涉图进行处理，从而实现获取目标图像的目的；从上述过程可以看出，所述新型剪切光束成像系统将傅里叶相位提取技术应用到传统剪切光束成像技术中，从而使去除传统剪切光束成像系统中的光束移频和条纹解调这两个步骤成为可能，进而实现简化剪切光束成像系统的结构、提高成像信噪比和降低图像重构算法的复杂度的目的，极大提高了剪切光束成像系统的性能并利于其工程化实现。
[0119] 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。
[0120] 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。
