CN102012515B - 利用布里渊散射探测大气中固态目标的方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种利用大气布里渊散射探测大气中固态目标的方法及装置，它涉及一种探测大气中固态目标的方法。其结构包括YAG单模脉冲激光器、扩束镜，二维光学扫描镜组成的激光发射系统。卡塞格林式望远镜、凸透镜组成信号接收系统。1064nm全反镜、三棱镜、F-P标准具组成分光系统。虑光片、狭缝、凹透镜、凸透镜组成虑光和准直系统，ICCD(18)、DG535(20)组成信号处理系统。通过激光探测点附近大气散射光谱成像，根据大气布里渊散射谱消失或变得不明显来判断大气中存在固态目标。本发明具有探测精度高、稳定性好的优点，可以应用于大气中各种固态目标的探测。

Description

利用布里渊散射探测大气中固态目标的方法及装置
技术领域
本发明涉及一种利用布里渊散射探测大气中固态目标的方法及装置
背景技术
随着布里渊散射探测技术的发展，基于布里渊散射的激光探测水下固态目标，已被证实具有很好的反隐身特性，且探测结果不受目标外形特征影响。水和大气的布里渊散射原理相同，所以可以用大气布里渊散射来大气中的低可测固态目标。
发明内容
为了弥补常规方法探测使用吸波材料和低反射外形的目标存在的不足，我们提出了一种利用大气布里渊散射探测大气中固态目标的方法。该方法是通过探测大气中固态目标周围大气有无布里渊散射频移信号来探测固态目标的。当大气中激光探测点附近无固态目标时，激光探测回波信号经过F-P标准具分光、iccd光谱成像后，可以看见大气布里渊散射频移谱比较稳定的对称分布在瑞利谱的两侧，且激光探测点离海平面越近，布里渊峰越明显；当大气中激光探测点附近存在固态目标时，布里渊散射谱消失或变得不明显。
本发明的目的是提供一种有效探测大气中固态目标的方法，弥补探测使用吸波材料和低反射外形的固态目标存在的不足。
本发明探测系统包括种子注入式脉冲激光器(1)，扩束镜(2)，1064nm全反镜(3，8)，二维光学扫描镜(4)，卡塞格林望远镜(6)，凸透镜(7，10，16)，狭缝(9，17)，滤光片(10)，准直镜(11)，恒温箱(12)，高光谱分辨率分光系统(13)，F-P标准具(14)，ICCD相机(18)，PImax数据采集装置(19)，DG535时序控制器(20)，计算机(21)，示波器(22)。
本发明解决技术问题的方案是：种子注入式脉冲激光器(1)输出波长为1064nm的竖直偏振的窄带光，经扩束镜(2)扩束后，由1064nm全反镜(3)反射到二维光学扫描镜(4)，经(4)扫描后入射到大气(5)中。散射回波信号经过卡塞格林式大口径望远镜(6)收集后，用一长焦凸透镜(7)准直，然后被全反镜(8)反射通过狭缝(9)和凸透镜(10)到达滤光片(11)，滤光后入射到准直系统(12)，准直后从恒温箱(13)的一个窗口垂直入射到分光系统(14)中的F-P标准具(15)上，经(15)分光、凸透镜(16)聚焦从恒温箱(12)的另一个窗口射出，被狭缝(17)空间滤波后进入ICCD相机(18)，ICCD相机在PImax数据采集装置(19)、DG535时序控制器(20)和计算机(21)的控制下进行光谱成像，激光器的实时工作状态用示波器(22)来显示。
本新方法和探测系统的技术优势如下：一、布里渊散射探测固态目标技术是通过探测大气中固态目标周围大气有无布里渊散射频移信号来探测固态目标的。即：探测的是固态目标周围的大气环境而不是固态目标本身，所以该探测方法不受目标材料和外形特征的影响。二、探测系统设计具探测精度高，稳定性好等优点，主要体现在如下：1使用波长为1064nm的超窄带单模脉冲光，可以在探测散射回波信号谱中获得比较明显布里渊峰，有利于有无布里渊散射频移的判别。2使用高精度F-P标准具来分光，可以有效减少其它波长光的影响，提高了探测系统的性噪比。3把F-P标准具置于恒温箱中，减少了外界环境对F-P标准具的影响，提高了探测系统的可靠性和稳定性。4使用高灵敏度ICCD相机作为光谱成像器件，可以获得高灵敏度，高分辨率的光谱图像。5DG535的控制时间可以达到皮秒量级，用它来控制激光器和数据采集控制器的时序可以精确的获得激光探测点的位置。
附图说明
附图1给出了大气中固态目标布里渊散射激光探测装置原理图。
附图2给出了本发明系统装置中高光谱分辨率分光系统部分的原理图。
附图3给出大气中固态目标布里渊散射激光探测装置的实验结果。
具体实施方式
实施例1：
如附图1所示，该装置包括：种子注入式脉冲激光器(1)，扩束镜(2)，1064nm全反镜(3，8)，二维光学扫描镜(4)，卡塞格林望远镜(6)，凸透镜(7，10，16)，狭缝(9，17)，滤光片(11)，准直镜(12)，恒温箱(13)，高光谱分辨率分光系统(14)，F-P标准具(15)，ICCD相机(18)，PImax数据采集装置(19)，DG535时序控制器(20)，计算机(21)，示波器(22)。
脉冲激光器(1)在DG535时序控制器(20)的控制下输出1064nm的竖直偏振的窄带光，经扩束镜(2)扩束后，由1064nm全反镜(3)反射到二维光学扫描镜(4)，经扫描镜(4)扫描后入射到大气(5)中。从大气中散射回来的信号经卡塞格林式大口径望远镜(6)收集后，用一长焦凸透镜(7)准直，经全反镜(8)反射通过狭缝(9)和凸透镜(10)到达滤光片(11)，滤光后入射到准直镜(12)，准直后从恒温箱(13)的一个窗口垂直入射到高光谱分辨率分光系统(14)中的F-P标准具(15)上，经(15)分光，凸透镜(16)聚焦后从恒温箱(12)的另一个窗口射出，被狭缝(17)空间滤波后进入ICCD相机(18)，ICCD相机在PImax数据采集装置(19)、DG535时序控制器(20)和计算机(21)的控制下进行光谱成像，从而获得大气布里渊散射谱。激光器的实时工作状态用示波器(22)来监视。
实施例2：
如附图2所示，高光谱分辨率分光系统装置包括：准直镜(12)，恒温箱(13)，F-P标准具(15)，凸透镜(16)，狭缝(17)，ICCD相机(18)，棱镜(23)，1064nm全反镜(24，25)。
接收回来的信号光经准直镜(12)准直后从恒温箱(13)的一个窗口入射到棱镜(23)的一个反射面上，反射光垂直入射到F-P标准具(15)，经F-P标准具(15)选频后，透过F-P的光被全反镜(24)反射到全反镜(25)，然后被(25)反射回F-P进行再次选频，透过F-P的光被棱镜(23)的另一面反射到凸透镜(16)，经凸透镜(16)汇聚后通过狭缝(17)进入ICCD相机(18)。
附图3是用附图1和附图2组成的探测系统进行大气中固态目标探测实验时，ICCD相机采集的光谱图。如附图3左图所示，当大气中激光探测点附近没有固态目标时，大气布里渊散射峰(两个对称的小峰)比较稳定的对称分布在瑞利峰(最高的主峰)的两侧；当大气中激光探测点附近有固态目标时，如附图3右图所示，布里渊峰消失或变得不明显。

Claims (8)

1.一种利用布里渊散射探测大气中固态目标的装置，该装置包括种子注入式脉冲激光器(1)，扩束镜(2)，第一1064nm全反镜(3)，第二1064nm全反镜(8)，第三1064nm全反镜(24)，第四1064nm全反镜(25)，二维光学扫描镜(4)，卡塞格林式大口径望远镜(6)，长焦第一凸透镜(7)，第二凸透镜(10)，第三凸透镜(16)，第一狭缝(9)，第二狭缝(17)，滤光片(11)，准直镜(12)，恒温箱(13)，F-P标准具(15)，ICCD相机(18)，PImax数据采集装置(19)，DG535时序控制器(20)，计算机(21)，示波器(22)，棱镜(23)；
种子注入式脉冲激光器(1)在DG535时序控制器(20)的控制下输出1064nm的竖直偏振的窄带光，经扩束镜(2)扩束后，由第一1064nm全反镜(3)反射到二维光学扫描镜(4)，经二维光学扫描镜(4)扫描后入射到大气(5)中，从大气中散射回来的信号经卡塞格林式大口径望远镜(6)收集后，用长焦第一凸透镜(7)准直，经第二1064nm全反镜(8)反射通过第一狭缝(9)和第二凸透镜(10)到达滤光片(11)，滤光后入射到准直镜(12)，经准直镜(12)准直后从恒温箱(13)的一个窗口入射到棱镜(23)的一个反射面上，反射光向上垂直入射到F-P标准具(15)，经F-P标准具(15)选频后，向上透过F-P标准具(15)的光被第三1064nm全反镜(24)反射到第四1064nm全反镜(25)，然后被第四1064nm全反镜(25)反射回F-P标准具(15)进行再次选频，向下透过F-P标准具(15)的光被棱镜(23)的另一面反射到第三凸透镜(16)，经第三凸透镜(16)汇聚后通过第二狭缝(17)进入ICCD相机(18)，ICCD相机在PImax数据采集装置(19)、DG535时序控制器(20)和计算机(21)的控制下进行光谱成像，从而获得大气布里渊散射谱，种子注入式脉冲激光器(1)的工作状态用示波器(22)来显示。
2.如权利要求1所述的利用布里渊散射探测大气中固态目标的装置，其特征在于：在F-P标准具(15)和准直镜(12)之间放置了一个镀了1064nm高反膜的直角棱镜(23)，其作用是使波长1064nm附近的光高反，其它波长的光向大底面折射，把其它波长的光和1064nm附近的光分开。
3.如权利要求1所述的利用布里渊散射探测大气中固态目标的装置，其特征在于：第三1064nm全反镜(24)和第四1064nm全反镜(25)放置的位置和倾角，其作用是使光重复进入F-P标准具(15)，以便F-P标准具(15)多次分光。
4.如权利要求1所述的利用布里渊散射探测大气中固态目标的装置，其特征在于：F-P标准具(15)放置的位置和参量的选择，其作用是用单一F-P标准具实现两次分光，从而提高探测灵敏度，滤除其它杂散光，提高探测系统的性噪比，F-P标准具(15)的参量有：自由光谱范围是12GHz，F-P标准具镜面反射为95％，中心频率波长为1064nm，带宽120MHz。
5.如权利要求1所述的利用布里渊散射探测大气中固态目标的装置，其特征在于：在ICCD相机(18)前放置了宽度2mm的第二狭缝(17)，其作用是实现空间滤波，滤除高频拉曼信号。
6.如权利要求1所述的利用布里渊散射探测大气中固态目标的装置，其特征在于：恒温箱(13)的放置位置，其作用是稳定F-P标准具(15)周围的温度，减少外界环境对F-P标准具(15)的影响，从而提高探测装置的稳定性和可靠性。
7.如权利要求1所述的利用布里渊散射探测大气中固态目标的装置，其特征在于：使用口径为30cm的卡塞格林式大口径望远镜来接收光布里渊散射光，提高信号接收效率。
8.一种利用布里渊散射探测大气中固态目标的方法，其特征在于：种子注入式脉冲激光器(1)在DG535时序控制器(20)的控制下输出1064nm的竖直偏振的窄带光，经扩束镜(2)扩束后，由第一1064nm全反镜(3)反射到二维光学扫描镜(4)，经二维光学扫描镜(4)扫描后入射到大气(5)中，从大气中散射回来的信号经卡塞格林式大口径望远镜(6)收集后，用长焦第一凸透镜(7)准直，经第二1064nm全反镜(8)反射通过第一狭缝(9)和第二凸透镜(10)到达滤光片(11)，滤光后入射到准直镜(12)，准直后从恒温箱(13)的一个窗口垂直入射到高光谱分辨率分光系统(14)中的F-P标准具(15)上，经F-P标准具(15)分光，第三凸透镜(16)聚焦后从恒温箱(12)的另一个窗口射出，被第二狭缝(17)空间滤波后进入ICCD相机(18)，ICCD相机在PImax数据采集装置(19)、DG535时序控制器(20)和计算机(21)的控制下进行光谱成像，从而获得大气布里渊散射谱，当大气中激光探测点附近无固态目标时，大气布里渊散射频移谱比较稳定的对称分布在瑞利谱的两侧；当大气中激光探测点位置存在固态目标时，由于固态目标占据大气所在空间，使大气布里渊散射谱消失，以此作为固态目标存在的判据。
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