CN100356193C - 受激布里渊散射激光雷达水下隐身物体探测系统及方法 - Google Patents

受激布里渊散射激光雷达水下隐身物体探测系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种基于受激布里渊散射激光雷达水下隐身物体探测系统及方法，它涉及一种探测水下隐身物体方位和深度的方法。其结构包括脉冲激光器、凹透镜和凸透镜组成的扩束系统。偏振片和1/4波片组成隔离系统。凹透镜和凸透镜组成的变焦发射系统和接收系统。探测器1、探测器2和示波器组成的信号探测和处理系统。通过焦点扫描，根据受激布里渊散射信号的消失来判断水下物体的存在。本发明具有探测距离深、探测精度高的优点，并且集发射、接收于一体简化了装置，可以广泛应用于海洋、湖泊、江河等水下物体的探测。

Description

受激布里渊散射激光雷达水下隐身物体探测系统及方法
技术领域
本发明涉及一种基于受激布里渊散射激光雷达水下隐身物体探测系统及方法。
背景技术
目前，隐身技术都是在目标材料性质、表面形状、表面涂层等环节上进行研究，以期最大限度地减弱入射电磁波、光波以及声波等信号在表面的反射，使回波信号小于背景噪声信号，从而达到隐身目的。而反隐身技术则主要集中在如何提高探测灵敏度以及从背景噪声中提取有用微弱电磁波、光波、声波等信号。另外，一种新的反隐身技术是基于信号的消失来判断目标的存在，参阅杂志“Applied Physics B”(德国)2004年第8期“Detecting submerged objectsby Brillouin scattering”。这种方法是利用水中布里渊散射信号的消失来判断水中物体的存在，但由于布里渊散射信号较弱，探测距离不远，并且使用较为复杂的边缘探测系统进行探测，操作起来不方便，因此，实用性较差。
发明内容
本发明的目的是提出一种基于受激布里渊散射激光雷达水下隐身物体探测技术，其原理是利用受激布里渊散射信号的消失来判断水下物体的方位，以及发射信号和回波信号的时间差来计算物体的距离。改进了现有的反隐身技术，并且具有探测距离深、探测精度高的优点，集发射、接收于一体简化了装置。
本发明的系统构成包含脉冲激光器(1)、分束片(2)、凹透镜1(3)、凸透镜1(4)、偏振片(5)、1/4波片(6)、凹透镜2(7)、凸透镜2(8)、凸透镜3(9)、凸透镜4(10)、探测器1(11)、探测器2(12)、示波器(13)组成。凹透镜1(3)和凸透镜1(4)组成初级扩束系统。偏振片(5)和1/4波片(6)组成隔离系统用于提取受激布里渊散射反射回来的光。凹透镜2(7)和凸透镜2(8)组成变焦发射系统，用于汇聚探测激光。同时，由于受激布里渊散射具有相位共轭特性，反射回来的光将沿原路返回，因此凹透镜2(7)和凸透镜2(8)也作为接收系统。凸透镜3(9)、凸透镜4(10)把光会聚到探测器1(11)和探测器2(12)上。探测器1(11)和探测器2(12)探测发射前的激光和反射回来的受激布里渊散射光。示波器(13)分析探测器1(11)和探测器2(12)探测发射前的激光和反射回来的受激布里渊散射光的时间差，因此就可计算出隐身物体的位置。
本发明的工作原理
受激布里渊散射是一种光学非线性效应，当介质中的光功率密度超过受激布里渊散射阈值时，就会发生受激布里渊散射。此时，大部分抽运光就会转移到后向传输的受激布里渊散射光上。并且受激布里渊散射具有相位共轭特性，受激布里渊散射光将沿原路返回。本发明原理是利用受激布里渊散射信号的消失来判断水下物体的方位，以及发射信号和回波信号的时间差来计算物体的距离。本发明探测方法由以下步骤完成：一、脉冲激光器(1)输出的光由分束片(2)分出一小部分由凸透镜3(9)会聚到探测器1(11)上；二、脉冲激光器(1)输出的光透过分束片(2)的部分由凹透镜1(3)和凸透镜1(4)组成的扩束系统扩束数倍；三、偏振片(5)和1/4波片(6)组成隔离系统用于提取受激布里渊散射反射回来的光。信号提取原理是：发射的激光和受激布里渊散射光两次通过1/4波片偏振态旋转90度，受激布里渊散射光再次到达偏振片时就由原来的透射变为反射；四、凹透镜2(7)和凸透镜2(8)是组成变焦发射系统，通过改变凹透镜和凸透镜之间的距离，焦点可由零至无穷远处扫描；五、当焦点前无隐身物体时，在焦点处将会发生受激布里渊散射，受激布里渊散射光由于具有相位共轭特性将沿原路返回。此时，凹透镜2(7)和凸透镜2(8)作为接收系统，偏振片(5)和1/4波片(6)组成隔离系统提取出受激布里渊散射反射回来的光，凸透镜4(10)把光会聚到探测器2(12)上；六、当凹透镜2(7)和凸透镜2(8)组成的变焦系统的焦点扫描到隐身物体之后时，受激布里渊散射将不会发生，探测器2(12)将探测不到受激布里渊散射光；七、同时记录下受激布里渊散射消失前一刻探测器1(11)和探测器2(12)的探测波形，示波器(13)分析探测器1(11)和探测器2(12)探测发射前的激光和反射回来的受激布里渊散射光的时间差，因此就可计算出水下物体的位置。其中，脉冲激光器(1)、分束片(2)、凹透镜1(3)、凸透镜1(4)、偏振片(5)、1/4波片(6)、凹透镜2(7)、凸透镜2(8)之间依次为光信号传递，分束片(2)、凸透镜3(9)、探测器1(11)之间依次为光信号传递，探测器1(11)、示波器(13)之间为电信号传递，偏振片(5)、凸透镜4(10)、探测器2(12)之间依次为光信号传递，探测器2(12)、示波器(13)之间依次为电信号传递。
本发明具有探测距离深、探测精度高的优点，集发射、接收于一体简化了装置，  可以广泛应用于海洋、湖泊、江河等水下物体的探测。
附图说明
附图1是基于受激布里渊散射激光雷达水下隐身物体探测系统整体结构示意图。
具体实施方式
本实施方式参照附图1，它是由注入锁定Nd:YAG脉冲激光器(1)、分束片(2)、凹透镜1(3)、凸透镜1(4)、多层介质膜偏振片(5)、1/4波片(6)、凹透镜2(7)、凸透镜2(8)、凸透镜3(9)、凸透镜4(10)、PIN光电探测器1(11)、PIN光电探测器2(12)、示波器(13)组成。注入锁定Nd:YAG激光器(1)输出波长为532nm、脉宽为5-20ns的脉冲激光。凹透镜1(3)和凸透镜1(4)组成初级扩束系统，扩束比为3～5倍。多层介质膜偏振片(5)和1/4波片(6)组成隔离系统用于提取受激布里渊散射反射回来的光。凹透镜2(7)和凸透镜2(8)是焦距比为1∶20～1∶25的变焦发射系统，用于汇聚探测激光。同时，由于受激布里渊散射具有相位共轭特性，反射回来的光将沿原路返回，因此凹透镜2(7)和凸透镜2(8)也作为接收系统。凸透镜3(9)、凸透镜4(10)把光会聚到PIN光电探测器1(11)和PIN光电探测器2(12)上。PIN光电探测器1(11)和PIN光电探测器2(12)探测发射前的激光和反射回来的受激布里渊散射光。示波器(13)分析PIN光电探测器1(11)和PIN光电探测器2(12)探测发射前的激光和反射回来的受激布里渊散射光的时间差，因此就可计算出隐身物体的位置。
本发明具有探测距离深、探测精度高的优点，集发射、接收于一体简化了装置，可以广泛应用于海洋、湖泊、江河等水下物体的探测。

Claims (2)

1、一种受激布里渊散射激光雷达水下隐身物体探测系统，其特征在于该系统包含脉冲激光器(1)、分束片(2)、凹透镜1(3)、凸透镜1(4)、偏振片(5)、1/4波片(6)、凹透镜2(7)、凸透镜2(8)、凸透镜3(9)、凸透镜4(10)、探测器1(11)、探测器2(12)、示波器(13)；其中，脉冲激光器(1)、分束片(2)、凹透镜1(3)、凸透镜1(4)、偏振片(5)、1/4波片(6)、凹透镜2(7)、凸透镜2(8)之间依次为光信号传递，分束片(2)、凸透镜3(9)、探测器1(11)之间依次为光信号传递，探测器1(11)、示波器(13)之间为电信号传递，偏振片(5)、凸透镜4(10)、探测器2(12)之间依次为光信号传递，探测器2(12)、示波器(13)之间依次为电信号传递。
2、一种基于受激布里渊散射激光雷达水下隐身物体探测方法，其使用权利要求1所述的系统，其特征在于其探测方法是：一、脉冲激光器(1)输出的光由分束片(2)分出一小部分由凸透镜3(9)会聚到探测器1(11)上；二、脉冲激光器(1)输出的光透过分束片(2)的部分由凹透镜1(3)和凸透镜1(4)组成的扩束系统扩束数倍；三、偏振片(5)和1/4波片(6)组成隔离系统用于提取受激布里渊散射反射回来的光；四、凹透镜2(7)和凸透镜2(8)是组成变焦发射系统，通过改变凹透镜和凸透镜之间的距离，焦点可由零至无穷远处扫描；五、当焦点前无隐身物体时，在焦点处将会发生受激布里渊散射，受激布里渊散射光由于具有相位共轭特性将沿原路返回；此时，凹透镜2(7)和凸透镜2(8)作为接收系统，偏振片(5)和1/4波片(6)组成隔离系统提取出受激布里渊散射反射回来的光，凸透镜4(10)把光会聚到探测器2(12)上；六、当凹透镜2(7)和凸透镜2(8)组成的变焦系统的焦点扫描到隐身物体之后时，受激布里渊散射将不会发生，探测器2(12)将探测不到受激布里渊散射光；七、同时记录下受激布里渊散射消失前一刻探测器1(11)和探测器2(12)的探测波形，示波器(13)分析探测器1(11)和探测器2(12)探测发射前的激光和反射回来的受激布里渊散射光的时间差，因此就可计算出水下物体的位置。
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