CN101762817A - 基于激光成像的高分辨率海浪微尺度波探测方法 - Google Patents

基于激光成像的高分辨率海浪微尺度波探测方法 Download PDF

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郜键
魏靖松
王骐
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Abstract

基于激光成像的高分辨率海浪微尺度波探测方法，涉及潜艇探测领域，解决了目前探潜方法存在的探测面积小、扫描效率低及探测精度不高的问题。基于激光成像的高分辨率海浪微尺度波探测方法，它的过程为：激光器发射的激光被分束系统分为两束，一束由发射光学天线扩束后向目标物发射，另一束触发PIN管输出电信号，经延时器延时后触发条纹管开始工作；目标物返回的光信号由接收光学天线接收并发射至条纹管狭缝处，CCD探测器采集条纹管成像并将采集数据发给信号处理系统，经信号处理系统还原重构得目标物的三维图像。本发明克服了已有技术的不足，可用于潜艇探测领域。

Description

基于激光成像的高分辨率海浪微尺度波探测方法
技术领域
本发明涉及潜艇探测领域，具体涉及一种海浪微尺度波探测方法。
背景技术
目前对于潜艇的探测，一般分为两种，一种是声纳探测，一种是非声探潜。
声纳探测，其优势在海洋中已经是人所共知的。目前，潜艇表面处理已经把潜艇的声波降噪做到接近于海洋背景噪声，所以声纳很难分辨出海洋背景中的潜艇。另外声纳探测包括主动声纳和被动声纳探测。主动声纳探测容易暴露自身目标，被动声纳信噪比较低，海杂波很难滤除。所以，近年来非声探潜受到国内外的重视。
非声探潜又包括激光直接探潜、磁探仪直接探潜、激光探测潜艇尾流中的气泡间接探潜以及微波探测海表面波间接探潜等方式。
激光直接探潜，是利用单束激光直接打入海面下，打到潜艇之后接收其反射回波，即单点测距。目前据报导，国外做到水下70米探测。但是其为单点探测，扫描效率很低，机动性差，不利于大范围搜索潜艇。同时，单束激光受到海表面环境限制，探潜效果不是很理想。
磁探仪直接探潜，是利用潜艇在水下航行，改变地球磁场，通过探测地磁场变化，实现探潜。其探测范围随高度的增加，迅速减小。所以不利于大范围搜索潜艇。此外，现代潜艇表面都经过消磁处理，对地磁场改变很微小，这也给磁探仪探潜带来了困难。此种探潜方式是利用红外技术探测潜艇排出的热量来实现对潜艇的探测。潜艇散发的热量是很大，但是传播到海平面上的热量却很微小，需要灵敏度极高的红外探测器，给探潜工作带来了困难。此外，随着时间的不同，海面自身辐射热量也很随机，对其探测也形成了很大的干扰。
潜艇在水下航行过程中尾流会产生大量的气泡，激光探测潜艇尾流中的气泡间接探潜则是利用激光来探测这些气泡幕从而确定潜艇尾流的轨迹，从潜艇轨迹上判断潜艇的位置。由于水下有无气泡对海水的光学特性有显著不通，即对激光的后向散射强度有影响，通过接收系统接收到的激光的后向散射强度可以判断水下是否有气泡。国内对此研究的单位有海军工程大学，西安光机所。其主要的报道还处在静水池实验，目前还没有进行海洋实地实验。但是，首先这种探测方式首要的是要确定水下是否有潜艇；此外，海表面对激光束传输影响很大，给确定潜艇尾迹带来一定的困难。而且海洋中固有的气泡分布也比较随机，这对此方法探测也带来了一定得困难。海水对激光的传输衰减很大，如果气泡在水下深度较深，则要求激光的发散角必须很小，这样也限制了大面积大范围搜索探测的机动性。
微波探测海表面波间接探潜，具有全天候、全天时的优点，同时可以对大面积海域进行实时探测。但其精度还不是很高。所有的报道都是SAR对于海底山脉地形引起的内波海面应波的探测，其波幅几十米到上百米之间。对于潜艇引起的内波海面应波的探测，却没有报道。潜艇引起的内波的海面应波一般在20cm-50cm左右。另外，SAR对海面微尺度波探测不能直接根据距离信息成三维像，其幅度是靠信号强度反演得到，从而也存在着一定的误差。
发明内容
本发明的目的是解决目前现有的探潜方法中存在的探测面积小、扫描效率低以及探测精度不高的问题，提供了一种基于激光成像的高分辨率海浪微尺度波探测方法。
基于激光成像的高分辨率海浪微尺度波探测方法，它基于海浪微尺度波探测器实现，所述海浪微尺度波探测器包括激光器、发射光学天线、接收光学天线、条纹管、CCD探测器、信号处理系统、分束系统、PIN管和延时器；
基于激光成像的高分辨率海浪微尺度波探测方法，它的过程为：
激光器输出的激光束入射至分束系统后分为两束激光，其中，一束激光作为探测光信号经由发射光学天线射向目标物，另一束激光由PIN管接收，且PIN管探测到激光后输出一个电信号至延时器，延时器将所述电信号延时后再发送至条纹管的控制信号输入端来启动条纹管工作；
目标物返回的光信号由接收光学天线接收，并由接收光学天线发射至条纹管的狭缝处，条纹管在工作状态下对狭缝处的光信号进行采集并成像，CCD探测器实时采集条纹管所成的像并形成图像数据，并将所述图像数据实时输出至信号处理系统，最终由信号处理系统对接收到的所有图像数据进行还原重构，得到目标物的三维图像。
本发明的距离分辨率可达厘米级，并采用机载大视场进行探测，探测范围广，且搜索效率高。
附图说明
图1为实施方式一中海浪微尺度波探测器的结构示意图；图2为实施方式二中海浪微尺度波探测器的结构示意图；图3和图4为实施方式三中发射光学天线的结构示意图；图5为实施方式六中海浪微尺度波探测器的结构示意图；图6为高低频海浪的示意图；图7为本发明的实测装置图；图8至图11为四幅实测海浪条纹像；图12为波浪照片图；图13为图12中的波浪K的条纹像；图14为对图13的条纹像反演所得波形图；图15为重构后的距离像；图16为重构后的强度像；图17为计算海面高度差的原理图；图18为实施方式七中海浪微尺度波探测器的结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式的基于激光成像的高分辨率海浪微尺度波探测方法，它基于海浪微尺度波探测器实现，所述海浪微尺度波探测器包括激光器1、发射光学天线2、接收光学天线4、条纹管5、CCD探测器6、信号处理系统7、分束系统8、PIN管9和延时器10；
基于激光成像的高分辨率海浪微尺度波探测方法，它的过程为：
激光器1输出的激光束入射至分束系统8后分为两束激光，其中，一束激光作为探测光信号经由发射光学天线2射向目标物，另一束激光由PIN管9接收，且PIN管9探测到激光后输出一个电信号至延时器10，延时器10将所述电信号延时后再发送至条纹管5的控制信号输入端来启动条纹管5工作；
目标物返回的光信号由接收光学天线4接收，并由接收光学天线4发射至条纹管5的狭缝处，条纹管5在工作状态下对狭缝处的光信号进行采集并成像，CCD探测器6实时采集条纹管5所成的像并形成图像数据，并将所述图像数据实时输出至信号处理系统7，最终由信号处理系统7对接收到的所有图像数据进行还原重构，得到目标物的三维图像。
本实施方式中的延时器10的作用是：控制条纹管的工作启动时间，保证在目标物返回的光信号到达条纹管5的狭缝处之后，再启动条纹管工作，进而保证条纹管能够获得稳定的目标图像信息。
本实施方式中，所述激光器1选用Nd:YAG脉冲激光器，其输出激光的波长为532nm(绿光)；所述信号处理系统7采用凌云公司研发的dsp板；延时器10采用美国斯坦福产的型号为DG535的延时器；CCD探测器6的型号采用Dalsa 1M60；条纹管5采用俄罗斯产K008型单狭缝条纹管相机。
所述由目标物返回的光信号，主要是指由目标物反射、散射回的激光回波信号。另外，延时器10输出的电信号由条纹管5中的斜坡电压发生器接收。激光入射至条纹管5的狭缝处，并由条纹管5内部的中继透镜成像于条纹管5内部的光电阴极上，从而产生光电子，所述光电子被条纹管5内部的加速系统加速后，再经由条纹管5内部与所述斜坡电压发生器相连接的偏转系统进行偏转后，轰击条纹管5内部的荧光屏，产生可见光。条纹管5的一帧图像只能对在选通区域内的目标物的一个剖面轮廓进行成像，由于目标物上不同位置的点的激光回波信号的行走时间-TOF(Time of Flight)不同，因此在条纹管5的荧光屏上显示的是不同相对位置的条纹，利用条纹的相对距离就可以还原目标物的剖面轮廓，重构获得目标物的距离像；此外，根据条纹管5成像的强度，还可重构获得目标物的强度像。
本发明在实际探测中，将所述海浪微尺度波探测器搭载在飞机或船体上，利用飞机或船的航行实现对大面积海域中海浪微尺度波的扫描探测。
具体实施方式二：结合图2说明本实施方式，本实施方式是对实施方式一的进一步限定，所述海浪微尺度波探测器还包括反射镜组11，所述反射镜组11置于接收光学天线4和条纹管5之间，用于改变接收光学天线4输出的光信号的传输方向，使得所述光信号入射至条纹管5的狭缝处。
其中，反射镜组11中的反射镜的个数最少为1。
具体实施方式三：结合图3和图4说明本实施方式，本实施方式是对实施方式一或二的进一步限定，所述发射光学天线2由扩束透镜组201和压缩镜202组成，所述扩束透镜组由一个或多个透镜组合而成；
所述一束激光作为探测光信号经由发射光学天线2射向目标物的具体过程为：
一束激光经扩束透镜组201扩束后入射至压缩镜202，再由压缩镜202在竖直方向进行压缩后，光束截面类似线状，然后发射至目标物。
由扩束透镜组201和压缩镜202组成的发射光学天线2的作用相当于线光源，在本实施方式中，光束可从扩束透镜组201入射、从压缩镜202出射，见图3，也可从压缩镜202入射、从扩束透镜组201出射，见图4。
具体实施方式四：本实施方式是对实施方式一、二或三的进一步限定，所述接收光学天线4由一个聚焦透镜组实现，所述聚焦透镜组为一个或多个聚焦透镜；
所述目标物返回的光信号由接收光学天线4接收，并由接收光学天线4发射至条纹管5的狭缝处的具体过程为：
目标物返回的光信号由聚焦透镜组接收，并由聚焦透镜组将所述光信号聚焦至条纹管5的狭缝处。
具体实施方式五：本实施方式是对实施方式一至四的进一步限定，所述分束系统8采用一个透反比大于1的分束镜，使激光器1产生的激光经分束镜分为透射光和反射光两束激光，并令透射光发射至发射光学天线2，反射光发射至PIN管9。
本实施方式可使得作为探测光的透射光的强度高于反射光的强度，因探测光在向目标物发射以及返回的过程中被损耗，由此可在不提高激光器1输出功率的基础上，更加充分地利用激光器1输出的激光。
具体实施方式六：结合图5说明本实施方式，本实施方式是对实施方式一至五的进一步限定，本实施方式中的海浪微尺度波探测器还包括一个光学随动系统3，所述光学随动系统3位于发射光学天线2、接收光学天线4和目标物之间，光学天线2发射出的光信号经过光学随动系统3后发射向目标物，目标物返回的光信号经光学随动系统3后由接收光学天线4接收；
所述光学随动系统3在信号处理系统7的控制下实现对探测光信号和目标物返回的光信号的光路的改变。
本实施方式增加的光学随动系统3实现了对探测光信号和目标物返回的光信号的光路的改变，进而扩大了视野。
具体实施方式七：结合图18说明本实施方式，本实施方式是对实施方式六的进一步说明，所述光学随动系统3由第一全反镜301、第二全反镜302和电机303组成；所述电机303用于驱动第二全反镜302以其初始位置为平衡位置、以其镜面中心为摆动中心做小幅度简谐摆动；所述第一全反镜301和第二全反镜302的反射面在初始位置时平行、相对放置；
光学天线2发射出的光信号依次经过第一全反镜301和第二全反镜302发射向目标物，目标物返回的光信号依次经过第二全反镜302和第一全反镜301后由接收光学天线4接收；
基于激光成像的高分辨率海浪微尺度波探测方法，它的过程为：
信号处理系统7输出控制信号给电机303，使电机303开始带动第二全反镜302做所述小幅度简谐摆动；
激光器1输出的激光束入射至分束系统8后分为两束激光，其中，一束激光由发射光学天线2接收并出射，再依次经由第一全反镜301和第二全反镜302反射后，射向目标物；另一束激光由PIN管9接收，且PIN管9探测到激光后输出一个电信号至延时器10，延时器10将所述电信号延时后再发送至条纹管5的控制信号输入端；
目标物返回的光信号由接收光学天线4接收并出射，再依次经由第二全反镜302和第一全反镜301反射后，射至条纹管5的狭缝处，当条纹管5接收到延时器10输出的电信号时，开始对狭缝处的光信号进行采集并成像，CCD探测器6实时采集条纹管5所成的像，并将采集到的图像数据实时输出至信号处理系统7，最终由信号处理系统7对接收到的所有图像数据进行还原重构，得到目标物的三维图像。
潜艇产生的内波，在海面上表现为海面应波，会对海浪引起一定的改变，通过不同时刻对海浪的观察比对，可判断水下是否有潜艇。海浪可视为二尺度模型，即包括低频(波长较大)的大波浪和每个大波浪上的高频(波长较小)的小波浪，参见图6。应用本发明，可对海面波中的低频长波浪和高频短波狼高分辨率成像，能够提高反潜的置信度。
图7为实测装置图。参见图8至图11的实测海浪条纹像：条纹中亮的部分为低频大波浪上的高频小波浪，其中每个亮点为一个高频小波浪的波峰，条纹中暗的部分代表高频小波浪的波谷；整条条纹上部的区域代表低频大波浪。其中，图9为平静海水中海浪的条纹像，通过该图中的两个亮点可以得知，海面很平静时，高频小波浪的波长也很大，但由于亮点的亮度较暗，因此可知当时的高频小波浪的波幅不大；图10中倾斜的条纹像，表现了低频大波浪的趋势；图11是波浪较小时海面海浪的条纹像，观察图11可知，由于条纹像较暗，海浪波幅也较小。
在海洋内波产生的波浪的条纹像中，选取一幅条纹像，参见图13，且图13对应图12中的海浪K，图14为最终反演出的海浪的具体波形图。通过快速采集多幅海浪条纹像，即可反演形成完整的海浪微尺度波的精细图像，参见图15和图16，其中图15是重构后的距离像，图16是重构后的强度像，单帧条纹像的分辨率为1032×1392，重构后的条纹像分辨率为70×1032。
整个实验过程分为三个阶段：阶段一、拖船停靠岸边，发动机低速转动；阶段二、拖船行驶过程，发动机高速转动；阶段三、拖船在海中抛锚，发动机低速转动。由于发动机的转速变化，会导致海面波浪起伏高度不同，这种不同的状态可从重构获得的距离像中获知。在图15中，从上至下的一区、二区、三区分别和实验的三个阶段各自对应：图中的一区(浅色)对应实验中的阶段一，二区(深色)对应阶段二，三区(浅色)对应阶段三。
在阶段一，发动机低速转动时，海面波浪起伏较小，海面波浪与探测器的距离相对较远，因此距离像的上部分(一区)的颜色较浅；在一区取10帧图像，计算其平均距离(以条纹像的最亮点为基准点)为445像素，换算成光程为L1＝9.6m；同理。同理，可计算二区的的光程为：L2＝((200/1392)×360)×0.15＝7.8m，三区的光程为：L3＝((200/1392)×390)×0.15＝8.4m。一区与二区的光程差为：dL＝L1-L2＝9.6m-7.8m＝1.8m，探测器与水平面的夹角Q大约为10度，如图17，可以推算出两区之间的海平面高度h＝dL×cosQ＝0.3m。根据发动机的转动速度与海面高度的关系，也可推算出拖船的航行速度。
海面的强度像也可反映海面波浪的一些情况：当发动机转速慢时，海面波浪起伏较大，此时认为，波峰对光反射较强，波谷对光吸收较强，此时，如强度像的一区，认为亮的地方是波峰，暗的地方是波谷；当发动机高速转动时，发动机尾部海面整体上浮，此时海面有许多的小波浪，对光的反射较强，因此在二区形成大片的亮斑；当发动机减速时，海面又趋于平稳，形成如三区的图像。因此根据强度像的反射强弱，也可判断发动机转速情况。
本发明利用海表面对激光束的反射和散射，对海表面微尺度波可直接进行三维成像探测，其距离分辨率目前可做到厘米级；本发明可通过机载或舰载方式，实现大视场探测，搜索效率高；此外，由于绿光对海水有一定的穿透作用，因此对于近海潜艇尾流产生的气泡幕也可以进行一定的探测。同时，本发明可以辅助SAR(合成孔径雷达)更好的进行海面波探测：应用SAR对海面进行初步探测确定可疑点，再利用本发明的方法对可疑点进行探测逐个排查，从而发现水面是否有潜艇尾迹，间接实现对水下潜艇的探测，可以大大增加潜艇探测的置信度。本发明还适合于潜艇引起的海洋表面内波的探测，对于雨、雾等天气可以很好的滤除噪声，受到雨、雾的影响不大。本发明能够对高频小波浪成像，具有较高的探测精度。

Claims (7)

1.基于激光成像的高分辨率海浪微尺度波探测方法，其特征在于它基于海浪微尺度波探测器实现，所述海浪微尺度波探测器包括激光器(1)、发射光学天线(2)、接收光学天线(4)、条纹管(5)、CCD探测器(6)、信号处理系统(7)、分束系统(8)、PIN管(9)和延时器(10)；
基于激光成像的高分辨率海浪微尺度波探测方法，它的过程为：
激光器(1)输出的激光束入射至分束系统(8)后分为两束激光，其中，一束激光作为探测光信号经由发射光学天线(2)射向目标物，另一束激光由PIN管(9)接收，且PIN管(9)探测到激光后输出一个电信号至延时器(10)，延时器(10)将所述电信号延时后再发送至条纹管(5)的控制信号输入端来启动条纹管(5)工作；
目标物返回的光信号由接收光学天线(4)接收，并由接收光学天线(4)发射至条纹管(5)的狭缝处，条纹管(5)在工作状态下对狭缝处的光信号进行采集并成像，CCD探测器(6)实时采集条纹管(5)所成的像并形成图像数据，并将所述图像数据实时输出至信号处理系统(7)，最终由信号处理系统(7)对接收到的所有图像数据进行还原重构，得到目标物的三维图像。
2.根据权利要求1所述的基于激光成像的高分辨率海浪微尺度波探测方法，其特征在于所述海浪微尺度波探测器还包括反射镜组(11)，所述反射镜组(11)置于接收光学天线(4)和条纹管(5)之间，用于改变接收光学天线(4)输出的光信号的传输方向，使得所述光信号入射至条纹管(5)的狭缝处。
3.根据权利要求1所述的基于激光成像的高分辨率海浪微尺度波探测方法，其特征在于所述发射光学天线(2)由扩束透镜组(201)和压缩镜(202)组成，所述扩束透镜组由一个或多个透镜组合而成；
所述一束激光作为探测光信号经由发射光学天线(2)射向目标物的具体过程为：
一束激光经扩束透镜组(201)扩束后入射至压缩镜(202)，再由压缩镜(202)在竖直方向进行压缩后，光束截面类似线状，然后发射至目标物。
4.根据权利要求1所述的基于激光成像的高分辨率海浪微尺度波探测方法，其特征在于所述接收光学天线(4)由一个聚焦透镜组实现，所述聚焦透镜组为一个或多个聚焦透镜；
所述目标物返回的光信号由接收光学天线(4)接收，并由接收光学天线(4)发射至条纹管(5)的狭缝处的具体过程为：
目标物返回的光信号由聚焦透镜组接收，并由聚焦透镜组将所述光信号聚焦至条纹管(5)的狭缝处。
5.根据权利要求1所述的基于激光成像的高分辨率海浪微尺度波探测方法，其特征在于所述分束系统(8)采用一个透反比大于1的分束镜，使激光器(1)产生的激光经分束镜分为透射光和反射光两束激光，并令透射光发射至发射光学天线(2)，反射光发射至PIN管(9)。
6.根据权利要求1所述的基于激光成像的高分辨率海浪微尺度波探测方法，其特征在于所述海浪微尺度波探测器还包括一个光学随动系统(3)，所述光学随动系统(3)位于发射光学天线(2)、接收光学天线(4)和目标物之间，光学天线(2)发射出的光信号经过光学随动系统(3)后发射向目标物，目标物返回的光信号经光学随动系统(3)后由接收光学天线(4)接收；
所述光学随动系统(3)在信号处理系统(7)的控制下实现对探测光信号和目标物返回的光信号的光路的改变。
7.根据权利要求6所述的基于激光成像的高分辨率海浪微尺度波探测方法，其特征在于所述光学随动系统(3)由第一全反镜(301)、第二全反镜(302)和电机(303)组成；所述电机(303)用于驱动第二全反镜(302)以其初始位置为平衡位置、以其镜面中心为摆动中心做小幅度简谐摆动；所述第一全反镜(301)和第二全反镜(302)的反射面在初始位置时平行、相对放置；
光学天线(2)发射出的光信号依次经过第一全反镜(301)和第二全反镜(302)发射向目标物，目标物返回的光信号依次经过第二全反镜(302)和第一全反镜(301)后由接收光学天线(4)接收；
基于激光成像的高分辨率海浪微尺度波探测方法，它的过程为：
信号处理系统(7)输出控制信号给电机(303)，使电机(303)开始带动第二全反镜(302)做所述小幅度简谐摆动；
激光器(1)输出的激光束入射至分束系统(8)后分为两束激光，其中，一束激光由发射光学天线(2)接收并出射，再依次经由第一全反镜(301)和第二全反镜(302)反射后，射向目标物；另一束激光由PIN管(9)接收，且PIN管(9)探测到激光后输出一个电信号至延时器(10)，延时器(10)将所述电信号延时后再发送至条纹管(5)的控制信号输入端；
目标物返回的光信号由接收光学天线(4)接收并出射，再依次经由第二全反镜(302)和第一全反镜(301)反射后，射至条纹管(5)的狭缝处，当条纹管(5)接收到延时器(10)输出的电信号时，开始对狭缝处的光信号进行采集并成像，CCD探测器(6)实时采集条纹管(5)所成的像，并将采集到的图像数据实时输出至信号处理系统(7)，最终由信号处理系统(7)对接收到的所有图像数据进行还原重构，得到目标物的三维图像。
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C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

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