CN101930074A

CN101930074A - 一种基于激光成像的海浪微尺度波探测装置

Info

Publication number: CN101930074A
Application number: CN2010103009141A
Authority: CN
Inventors: 孙剑峰; 魏靖松; 郜键; 王骐
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2010-01-29
Filing date: 2010-01-29
Publication date: 2010-12-29

Abstract

一种基于激光成像的海浪微尺度波探测装置，它涉及非声探潜领域。它解决了现有微波探测海表面波间接探潜探测精度低的问题，本发明包括激光发射机、光学系统、随动系统、条纹管探测系统、信号处理系统、分束镜、第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜，激光发射机输出光信号至分束镜，分束镜输出一路光信号经第一反射镜输入至条纹管探测系统的一个信号输入端，分束镜还输出另一路光信号至光学系统，光学系统输出光信号至随动系统，随动系统接收回波信号后输出至光学系统，光学系统输出光信号第二反射镜和第三反射镜输入至条纹管探测系统的另一个信号输入端，条纹管探测系统输出数据至信号处理系统。本发明适用于海平面下潜艇探测。

Description

一种基于激光成像的海浪微尺度波探测装置

技术领域

本发明涉及非声探潜领域，具体是涉及一种基于激光成像的海浪微尺度波探测装置。

背景技术

目前在非声探潜领域，现有的微波探测海表面波间接探潜利用了微波遥感具有全天候、全天时的优点，可以对大面积海域进行实时探测，但其探测精度还不是很高，最高探测精度为30厘米。

关于微波探测海表面波间接探潜的所有报道都是合成孔径雷达(SAR)对于海底山脉地形引起的内波海面应波的探测，所述内波海面应波的波幅在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，潜艇引起的内波海面应波的波幅一般在20cm-50cm左右。

发明内容

为了解决现有微波探测海表面波间接探潜探测精度低的问题，本发明提供一种基于激光成像的海浪微尺度波探测装置。

本发明的一种基于激光成像的海浪微尺度波探测装置，它包括激光发射机、光学系统、随动系统、条纹管探测系统、信号处理系统、分束镜、第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜，所述光学系统包括扩束透镜和接收透镜，随动系统包括第四反射镜和扫描镜，条纹管探测系统包括光电二极管、延时器、单狭缝条纹管和CCD探测器；激光发射机输出光信号至分束镜，所述分束镜输出一路光信号至第一反射镜，所述第一反射镜输出光信号至光电二极管的输入端，所述光电二极管输出电信号至延时器，所述延时器输出电信号至单狭缝条纹管内部的斜坡电压发射器，用于输出电信号触发所述斜坡电压发射器开始工作；分束镜输出另一路光信号至扩束透镜，所述扩束透镜输出光信号至第四反射镜，所述第四反射镜输出源光信号至扫描镜，所述扫描镜用于输出扫描目标的源光信号，还用于接收目标的反射光信号，所述目标的反射光信号经扫描镜输出至第四反射镜，所述第四反射镜输出反射光信号至接收透镜，所述接收透镜输出光信号至第二反射镜，所述第二反射镜输出光信号至第三反射镜，所述第三反射镜输出光信号至单狭缝条纹管的光信号接收端，所述单狭缝条纹管输出成像信号至CCD探测器，所述CCD探测器输出成像数据至信号处理系统，所述信号处理系统用于对输入的成像数据进行分析获得目标的三维像。

本发明的工作原理：激光发射机1发出光信号，所述光信号经分束镜分束后输出两路光信号，其中，一路光信号经过光电二极管后转换为电信号输出，所述电信号经延时器适当延时后触发斜坡电压开始工作，即使单狭缝条纹管工作；另一路光信号经扩束透镜扩束后输出至随动系统，所述随动系统输出用于扫描目标的源光信号，且接收目标的反射光信号，还输出所述反射光信号至接收透镜，所述接收透镜输出光信号至单狭缝条纹管成像，CCD探测器探测单狭缝条纹管的成像信号，并输出成像数据至信号处理系统进行分析获得目标的三维像。

本发明的有益效果为：本发明的条纹管探测系统通过海表面对激光束的反射和散射对海表面微尺度波直接进行三维成像，实现了距离选通成像，降低了雨、雾天气等外界环境对目标探测的干扰，易于探测到目标；本发明的分束器使得单狭缝条纹管和光学系统能够同步工作；本发明探测海浪微尺度波振幅的距离分辨率高，探测精度高，达厘米级。

附图说明

图1是本发明的一种基于激光成像的海浪微尺度波探测装置的装置示意图，图2是具体实施方式三中CCD探测器4-4获得的大波浪条纹像示意图，图3是具体实施方式三中CCD探测器4-4获得的小波浪条纹像示意图，图4是具体实施方式三中信号处理系统5对海浪微尺度波进行三维重构获得的距离像示意图，图5是具体实施方式三中信号处理系统5对海浪微尺度波进行三维重构获得的强度像示意图，图6是具体实施方式三中计算海平面高度差示意图，图7是具体实施方式三中反演出的海浪波形示意图。

具体实施方式

体实施方式一：根据说明书附图1具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种基于激光成像的海浪微尺度波探测装置，它包括激光发射机1、光学系统2、随动系统3、条纹管探测系统4、信号处理系统5、分束镜7、第一反射镜8、第二反射镜9和第三反射镜10，所述光学系统2包括扩束透镜2-1和接收透镜2-2，随动系统3包括第四反射镜3-1和扫描镜3-2，条纹管探测系统4包括光电二极管4-1、延时器4-2、单狭缝条纹管4-3和CCD探测器4-4；激光发射机1输出光信号至分束镜7，所述分束镜7输出一路光信号至第一反射镜8，所述第一反射镜8输出光信号至光电二极管4-1的输入端，所述光电二极管4-1输出电信号至延时器4-2，所述延时器4-2输出电信号至单狭缝条纹管4-3内部的斜坡电压发射器，用于输出电信号触发所述斜坡电压发射器开始工作；分束镜7输出另一路光信号至扩束透镜2-1，所述扩束透镜2-1输出光信号至第四反射镜3-1，所述第四反射镜3-1输出源光信号至扫描镜3-2，所述扫描镜3-2用于输出扫描目标Q的源光信号，还用于接收目标Q的反射光信号，所述目标Q的反射光信号经扫描镜3-2输出至第四反射镜3-1，所述第四反射镜3-1输出反射光信号至接收透镜2-2，所述接收透镜2-2输出光信号至第二反射镜9，所述第二反射镜9输出光信号至第三反射镜10，所述第三反射镜10输出光信号至单狭缝条纹管4-3的光信号接收端，所述单狭缝条纹管4-3输出成像信号至CCD探测器4-4，所述CCD探测器4-4输出成像数据至信号处理系统5，所述信号处理系统5用于对输入的成像数据进行分析获得目标Q的三维像。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一的不同之处在于激光发射机1包括倍频器1-2和YAG激光器1-1，所述YAG激光器1-1输出波长为1064nm的激光至倍频器1-2，所述倍频器1-2输出波长为532nm的激光至分束镜7。

本实施方式中，扫描镜3-2为振镜，振镜由外加电信号控制其摆动，所述振镜增大了扫描范围。

本实施方式中，信号处理系统5采用凌云公司研发的dsp板，延时器4-2为美国斯坦福产DG535，CCD探测器4-4的型号为：Dalsa 1M60，YAG激光器1-1采用单脉冲能量20mJ，带宽10ns，重复频率100Hz的激光器(法国产Quantel二极管泵浦激光器)，单狭缝条纹管4-3采用俄罗斯生产的K008型单狭缝条纹管相机。

应用本实施方式，进行实例分析：

应用本实施方式在东海实测海洋表面微尺度波，获得海浪微尺度波的条纹像，如图2和图3所示，对多幅海浪微尺度波的条纹像进行三维重构，获得三维像，所述三维像包括距离像和强度像，分别如图4和图5所示，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。

在实验过程中，分为三个阶段：第一，拖船停靠岸边，发动机低速转动；第二，拖船行驶过程，发动机高速转动；第三，拖船在海中抛锚，发动机低速转动。利用发动机转速变化引起海面波浪起伏高度不同，这种不同的状态可从距离像中获知，从上至下，按颜色变化的不同可将距离像分为三个区域，所述三个区域与实验的三个阶段对应，颜色浅的距离像一区、颜色深的距离像二区和颜色浅的距离像三区。当发动机低速旋转时，海面波浪起伏较小，海面波浪与探测器的距离相对较远，则在距离像的上部分，颜色较浅。在距离像一区取10帧图像，以条纹像的最亮点为基准点计算海面波浪与探测器的平均距离：445像素时换算成光程为9.6m；同理，可计算距离像二区的光程为：((200/1392)*360)*0.15＝7.8m；距离像三区的光程为：((200/1392)*390)*0.15＝8.4m。

距离像一区与距离像二区的光程差为1.8m，探测装置与水平面的夹角大约为10度，根据如下公式：

L-L’＝1.8，

H_BC＝cos10*1.8＝0.3

推算出两区之间的海平面高度为0.3m，H_BC表示距离像一区的海平面B与距离像二区的海平面C之间的距离，如图6所示。根据发动机的转动速度与海平面高度的关系，可推算出拖船的航行速度。

海面的强度像也可反映出海面波浪的情况。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，如强度像一区，有的地方比较亮，认为是波峰，有的地方较暗，认为是波谷；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，因此在强度像二区形成大片的亮斑；当发动机减速时，海面又趋于平稳，形成如强度像三区的图像。根据强度像的反射强弱，判断发动机转速情况。

在实验中，利用获得的条纹像近似模拟海浪微尺度波图像，反演出海浪微尺度波波形，如图7所示。

Claims

1.一种基于激光成像的海浪微尺度波探测装置，其特征在于它包括激光发射机(1)、光学系统(2)、随动系统(3)、条纹管探测系统(4)、信号处理系统(5)、分束镜(7)、第一反射镜(8)、第二反射镜(9)和第三反射镜(10)，所述光学系统(2)包括扩束透镜(2-1)和接收透镜(2-2)，随动系统(3)包括第四反射镜(3-1)和扫描镜(3-2)，条纹管探测系统(4)包括光电二极管(4-1)、延时器(4-2)、单狭缝条纹管(4-3)和CCD探测器(4-4)；

激光发射机(1)输出光信号至分束镜(7)，所述分束镜(7)输出一路光信号至第一反射镜(8)，所述第一反射镜(8)输出光信号至光电二极管(4-1)的输入端，所述光电二极管(4-1)输出电信号至延时器(4-2)，所述延时器(4-2)输出电信号至单狭缝条纹管(4-3)内部的斜坡电压发射器，用于输出电信号触发所述斜坡电压发射器开始工作；分束镜(7)输出另一路光信号至扩束透镜(2-1)，所述扩束透镜(2-1)输出光信号至第四反射镜(3-1)，所述第四反射镜(3-1)输出源光信号至扫描镜(3-2)，所述扫描镜(3-2)用于输出扫描目标(Q)的源光信号，还用于接收目标(Q)的反射光信号，所述目标(Q)的反射光信号经扫描镜(3-2)输出至第四反射镜(3-1)，所述第四反射镜(3-1)输出反射光信号至接收透镜(2-2)，所述接收透镜(2-2)输出光信号至第二反射镜(9)，所述第二反射镜(9)输出光信号至第三反射镜(10)，所述第三反射镜(10)输出光信号至单狭缝条纹管(4-3)的光信号接收端，所述单狭缝条纹管(4-3)输出成像信号至CCD探测器(4-4)，所述CCD探测器(4-4)输出成像数据至信号处理系统(5)，所述信号处理系统(5)用于对输入的成像数据进行分析获得目标(Q)的三维像。

2.根据权利要求1所述的一种基于激光成像的海浪微尺度波探测装置，其特征在于激光发射机(1)包括倍频器(1-2)和YAG激光器(1-1)，所述YAG激光器(1-1)输出波长为1064nm的激光至倍频器(1-2)，所述倍频器(1-2)输出波长为532nm的激光至分束镜(7)。