CN105717322B - 一种水下高速目标速度测试装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及水下高速目标的测速技术，具体是一种水下高速目标速度测试装置。本发明解决了现有水下高速目标测速技术适用范围严重受限的问题。一种水下高速目标速度测试装置，包括水上收发部分、水下探测部分、传输部分；所述水上收发部分包括光调制器、连续半导体激光器、光电传感器、信号调理模块、信号解调器、上位机；所述水下探测部分包括原向反射器；所述传输部分包括发射光纤、接收光纤；其中，连续半导体激光器的输入端与光调制器的输出端连接；发射光纤的数目为两根；两根发射光纤等长且平行放置；两根发射光纤的输入端的端面均为锥形端面，且两个锥形端面均与连续半导体激光器的输出端耦合。本发明适用于各种水下高速目标的测速。
Description
技术领域
本发明涉及水下高速目标的测速技术，具体是一种水下高速目标速度测试装置。
背景技术
在水下资源探测开发以及各种水下武器的研制过程中，水下高速目标的速度测试是一道必备环节。在现有技术条件下，水下高速目标的测速技术主要基于多普勒效应或者声学相关原理来实现。然而实践表明，此种测速技术虽然具有精度高的优点，但其由于自身原理所限，存在设备体积过于庞大、价格过于昂贵的问题，由此导致其仅适用于大型水下高速目标（例如潜艇）的测速，而不适用于小型水下高速目标（例如水下弹丸）的测速，从而导致其适用范围严重受限。基于此，有必要发明一种全新的水下高速目标测速装置，以解决现有水下高速目标测速技术存在的上述问题。
发明内容
本发明为了解决现有水下高速目标测速技术适用范围严重受限的问题，提供了一种水下高速目标速度测试装置。
本发明是采用如下技术方案实现的：
一种水下高速目标速度测试装置，包括水上收发部分、水下探测部分、传输部分；
所述水上收发部分包括光调制器、连续半导体激光器、光电传感器、信号调理模块、信号解调器、上位机；
所述水下探测部分包括原向反射器；
所述传输部分包括发射光纤、接收光纤；
其中，连续半导体激光器的输入端与光调制器的输出端连接；
发射光纤的数目为两根；两根发射光纤等长且平行放置；两根发射光纤的输入端的端面均为锥形端面，且两个锥形端面均与连续半导体激光器的输出端耦合；两根发射光纤的输出端均耦合有微柱透镜；
原向反射器的正面与两个微柱透镜相互正对；
接收光纤的数目为两根；两根接收光纤等长且平行放置；两根接收光纤的输入端均耦合有会聚透镜；两个会聚透镜分别与两个微柱透镜相互紧邻且共面；
光电传感器的输入端分别与两根接收光纤的输出端耦合；
信号调理模块的输入端与光电传感器的输出端连接；
信号解调器的输入端与信号调理模块的输出端连接；
上位机的输入端与信号解调器的输出端连接。
工作时，所述水上收发部分置于水面上方，所述水下探测部分置于水面下方。具体工作过程如下：首先，连续半导体激光器同时输出两个激光束，两个激光束经由两根发射光纤的锥形端面耦合进入两根发射光纤（如图2所示，发射光纤的锥形端面不仅对激光束进行快轴压缩，同时对激光束进行慢轴细微压缩），并经由两个微柱透镜展宽形成两个发射光幕，两个发射光幕入射到原向反射器的正面，并经由原向反射器原向反射形成两个反射光幕（两个反射光幕之间距离恒定且相互平行）。然后，两个反射光幕入射到两个会聚透镜，并经由两个会聚透镜会聚形成两个激光束，两个激光束进入两根接收光纤，并在两根接收光纤的输出端被光电传感器接收，光电传感器由此产生两个电信号。最后，两个电信号依次经由信号调理模块、信号解调器进行调理、解调后传输至上位机。上位机对接收到的两个电信号进行采集、存储、处理和显示。当水下高速目标先后通过两个反射光幕时，光电传感器接收到的激光光幕的光通量会先后发生两次变化，光电传感器由此先后产生两个波动的电信号。这两个电信号依次经由信号调理模块、信号解调器进行调理、解调后传输至上位机。上位机根据这两个电信号之间的时间差和两个反射光幕之间的距离值，即可精确计算出水下高速目标的速度。在上述过程中，通过光调制器能够实时改变连续半导体激光器的注入电流，由此使得连续半导体激光器的光强随着注入电流的变化而发生变化，从而实现对连续半导体激光器的光强的直接调制。
基于上述过程，与现有水下高速目标测速技术相比，本发明所述的一种水下高速目标速度测试装置基于激光光幕形成理论和水下激光光幕形成机制，并通过采用分置式测量结构（水上收发部分和水下探测部分分别置于水面上方和水面下方），实现了水下高速目标的精确测速，由此具备了体积小、价格低廉的优点，从而不仅适用于大型水下高速目标（例如潜艇）的测速，而且适用于小型水下高速目标（例如水下弹丸）的测速，因此，其适用范围不再受限。
本发明结构合理、设计巧妙，有效解决了现有水下高速目标测速技术适用范围严重受限的问题，适用于各种水下高速目标的测速。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明的发射光纤与连续半导体激光器之间的耦合示意图。
图3是本发明的原向反射器的结构示意图。
图4是本发明的信号调理模块的结构示意图。
图中：1-光调制器，2-连续半导体激光器，3-发射光纤，4-原向反射器，5-接收光纤，6-光电传感器，7-信号调理模块，8-信号解调器，9-上位机，71-前置放大电路，72-主放大电路，73-信号整形电路。
具体实施方式
一种水下高速目标速度测试装置，包括水上收发部分、水下探测部分、传输部分；
所述水上收发部分包括光调制器1、连续半导体激光器2、光电传感器6、信号调理模块7、信号解调器8、上位机9；
所述水下探测部分包括原向反射器4；
所述传输部分包括发射光纤3、接收光纤5；
其中，连续半导体激光器2的输入端与光调制器1的输出端连接；
发射光纤3的数目为两根；两根发射光纤3等长且平行放置；两根发射光纤3的输入端的端面均为锥形端面，且两个锥形端面均与连续半导体激光器2的输出端耦合；两根发射光纤3的输出端均耦合有微柱透镜；
原向反射器4的正面与两个微柱透镜相互正对；
接收光纤5的数目为两根；两根接收光纤5等长且平行放置；两根接收光纤5的输入端均耦合有会聚透镜；两个会聚透镜分别与两个微柱透镜相互紧邻且共面；
光电传感器6的输入端分别与两根接收光纤5的输出端耦合；
信号调理模块7的输入端与光电传感器6的输出端连接；
信号解调器8的输入端与信号调理模块7的输出端连接；
上位机9的输入端与信号解调器8的输出端连接。
连续半导体激光器2的波长为532nm、最大功率为200mW。
发射光纤3的锥形端面的锥形角为100°、长度为85μm；发射光纤3的锥形端面与连续半导体激光器2的输出端之间的距离为43μm。工作时，发射光纤与连续半导体激光器之间的耦合效率可达68%。
如图3所示，原向反射器4的正面为镀有防水高反射材料的全反射棱镜面，且原向反射器4的基底采用3D打印技术生成。
如图4所示，所述信号调理模块7包括前置放大电路71、主放大电路72、信号整形电路73；前置放大电路71的输入端作为信号解调器7的输入端；主放大电路72的输入端与前置放大电路71的输出端连接；信号整形电路73的输入端与主放大电路72的输出端连接；信号整形电路73的输出端作为信号解调器7的输出端。工作时，前置放大电路对信号进行前置放大。主放大电路对信号进行进一步放大。信号整形电路对信号进行去噪和整形。
具体实施时，光调制器1、连续半导体激光器2、光电传感器6、信号调理模块7、信号解调器8、上位机9均具有两个参数相同的信号通道。光电传感器6采用带有532nm窄带滤光片的PIN型光电二极管，滤光片半带宽为60nm、峰值透过率可达80%以上，PIN型光电二极管具有有效面积小、结电容小的特点。上位机9基于专用软件运行。
Claims (6)
1.一种水下高速目标速度测试装置，其特征在于：包括水上收发部分、水下探测部分、传输部分；
所述水上收发部分包括光调制器（1）、连续半导体激光器（2）、光电传感器（6）、信号调理模块（7）、信号解调器（8）、上位机（9）；
所述水下探测部分包括原向反射器（4）；原向反射器（4）的正面为镀有防水高反射材料的全反射棱镜面；
所述传输部分包括发射光纤（3）、接收光纤（5）；
其中，连续半导体激光器（2）的输入端与光调制器（1）的输出端连接；
发射光纤（3）的数目为两根；两根发射光纤（3）等长且平行放置；两根发射光纤（3）的输入端的端面均为锥形端面，且两个锥形端面均与连续半导体激光器（2）的输出端耦合；两根发射光纤（3）的输出端均耦合有微柱透镜；
原向反射器（4）的正面与两个微柱透镜相互正对；
接收光纤（5）的数目为两根；两根接收光纤（5）等长且平行放置；两根接收光纤（5）的输入端均耦合有会聚透镜；两个会聚透镜分别与两个微柱透镜相互紧邻且共面；
光电传感器（6）的输入端分别与两根接收光纤（5）的输出端耦合；
信号调理模块（7）的输入端与光电传感器（6）的输出端连接；
信号解调器（8）的输入端与信号调理模块（7）的输出端连接；
上位机（9）的输入端与信号解调器（8）的输出端连接。
2.根据权利要求1所述的一种水下高速目标速度测试装置，其特征在于：连续半导体激光器（2）的波长为532nm、最大功率为200mW。
3.根据权利要求1所述的一种水下高速目标速度测试装置，其特征在于：发射光纤（3）的锥形端面的锥形角为100°、长度为85μm；发射光纤（3）的锥形端面与连续半导体激光器（2）的输出端之间的距离为43μm。
4.根据权利要求1所述的一种水下高速目标速度测试装置，其特征在于：原向反射器（4）的基底采用3D打印技术生成。
5.根据权利要求1所述的一种水下高速目标速度测试装置，其特征在于：所述信号调理模块（7）包括前置放大电路（71）、主放大电路（72）、信号整形电路（73）；前置放大电路（71）的输入端作为信号解调器（7）的输入端；主放大电路（72）的输入端与前置放大电路（71）的输出端连接；信号整形电路（73）的输入端与主放大电路（72）的输出端连接；信号整形电路（73）的输出端作为信号解调器（7）的输出端。
6.根据权利要求1所述的一种水下高速目标速度测试装置，其特征在于：光调制器（1）、连续半导体激光器（2）、光电传感器（6）、信号调理模块（7）、信号解调器（8）、上位机（9）均具有两个参数相同的信号通道。
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