CN105738972A - 一种水下探测系统及水下探测方法 - Google Patents

一种水下探测系统及水下探测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种水下探测系统及水下探测方法。水下探测系统包括激光发射装置，超声探测装置和测量装置；所述激光发射装置用于向水下待探测的区域内的目标物体发射波长在430～570nm的激光，所述超声探测装置用于接收所述目标物体吸收所述激光后产生的超声波，所述测量装置的输入端连接所述超声探测装置的输出端，用于对所述超声探测装置输出的超声信号进行分析处理获取所述目标物体的信息。本发明的水下探测系统及水下探测方法，可实现更远探测距离和更高探测精度。

Description

一种水下探测系统及水下探测方法
【技术领域】
本发明涉及水下探测领域，尤其涉及一种基于光声信号的水下探测系统及水下探测方法。
【背景技术】
近年来，海底地貌探测、大面积海洋坏境监测、水下信息获取、海洋资源勘探、海洋救险与打捞等民用领域，以及探测敌方潜艇、舰艇、航母等军事目标等军用领域均对水下探测技术提出越来越高的要求。目前水下探测器主要有两大类，一种是基于声纳的设备，存在精度低，工作速度慢的缺点；另一种是基于视频的水下电视，受海水透明度影响很大，探测距离只能在数米之内。此外，利用激光进行水下探测的研究虽然有所进展，但受海水后向散射的影响，探测距离和精度难以满足实际需求。
【发明内容】
本发明所要解决的技术问题是：弥补上述现有技术的不足，提出一种水下探测系统及水下探测方法，可实现更远探测距离和更高探测精度。
本发明的技术问题通过以下的技术方案予以解决：
一种水下探测系统，包括激光发射装置，超声探测装置和测量装置；所述激光发射装置用于向水下待探测的区域内的目标物体发射波长在430～570nm的激光，所述超声探测装置用于接收所述目标物体吸收所述激光后产生的超声波，所述测量装置的输入端连接所述超声探测装置的输出端，用于对所述超声探测装置输出的超声信号进行分析处理获取所述目标物体的信息。
优选地，
所述测量装置包括时差计算模块和距离计算模块，所述时差计算模块用于计算所述激光发射装置发射激光和所述超声探测装置接收超声波之间的时差，所述距离计算模块的输入端连接所述时差计算模块的输出端，用于根据所述时差计算模块输出的所述时差以及光在水中的传播速度，超声信号在水中的传播速度计算得到所述目标物体表面的被测点与所述水下探测系统的距离。
所述距离计算模块根据如下式子计算得到所述距离d：d＝(Δt×v1×v2)/(v1+v2)。
所述测量装置还包括速度测量模块；所述速度测量模块的输入端连接所述距离计算模块的输出端，用于根据所述距离计算模块多次测量输出的所述被测点的距离变化估算所述目标物体的速度。
所述超声探测装置包括多个超声探测器；所述测量装置包括方位确定模块；所述多个超声探测器均用于接收所述目标物体表面被测点吸收所述激光后产生的超声波；所述方位确定模块用于根据各个超声探测器接收到所述超声波的时差确定所述目标物体表面的被测点的方位。
所述水下探测系统还包括透镜和微扫描装置；所述超声探测装置包括多个超声探测器；所述测量装置包括三维形貌重构模块；所述透镜用于对所述激光发射装置发射的所述激光进行聚焦，所述微扫描装置用于使聚焦后的激光在设定范围内对所述目标物体进行逐点扫描；所述多个超声探测器用于接收所述目标物体表面被测点吸收所述激光后产生的超声波；所述三维形貌重构模块用于根据各个超声探测器接收到所述超声波的时刻和各时刻间的时差确定所述被测点的距离和方位，逐点确定得到所述目标物体表面多个点的三维坐标，拟合出所述目标物体的三维形貌。
所述测量装置包括参考功率谱存储模块和成分分析模块，所述参考功率谱存储模块用于存储水中多个物体的超声信号的功率谱，所述成分分析模块的输入端连接所述参考功率谱存储模块的输出端，所述成分分析模块用于检测接收到的超声信号的功率谱，将检测到的功率谱与参考功率谱进行比对，分析出目标物体的成分。
所述激光发射装置为按照200～250kHz的频率发射激光的激光发射装置。
本发明的技术问题通过以下进一步的技术方案予以解决：
一种水下探测方法，包括以下步骤：1)向水下待探测的区域内的目标物体发射波长在430～570nm的激光；2)接收所述目标物体吸收所述激光后产生的超声波；3)对所述超声信号进行分析处理获取所述目标物体的信息。
优选地，
所述步骤3)包括以下步骤：31)计算发射激光和接收超声波之间的时差；32)根据所述时差以及光在水中的传播速度，超声信号在水中的传播速度计算得到所述目标物体上的被测点与进行水下探测所在的位置的距离。
本发明与现有技术对比的有益效果是：
本发明的水下探测系统及水下探测方法，将激光探测与声呐探测相结合，利用激光发射，促使目标物体产生超声效应，探测超声信号，实现水下探测。激光的高准直性可保证对目标区域实现精细扫描，从而提高目标区域单位面积的回波信号强度，相比于传统的单纯声纳设备，可实现更精细化地探测，同时只要保证足够的激光能量即可确保一定范围的探测距离；相比于传统的纯激光式的水下探测，将激光同时作为发射信号和探测信号，本发明则利用超声信号进行探测，超声波在水中的衰减远小于光波，同时也避免了海水后向散射的影响，相比于激光或视频设备，可实现更大的探测距离和更高的探测精度。
【附图说明】
图1是本发明具体实施方式的水下探测系统的结构示意图；
图2是本发明具体实施方式的水下探测系统的原理示意图。
【具体实施方式】
下面结合具体实施方式并对照附图对本发明做进一步详细说明。
本发明的构思是：激光发射装置向目标区域发射脉冲激光或连续激光进行扫描，发射的激光采用水中吸收率最低的蓝绿激光，使得目标区域内目标物体上吸收该激光后产生超声声源信号，利用超声探测装置接收该超声信号，测量电路对超声信号进行分析处理，进而获取目标的距离、方位、三维形貌、速度、组成成分等信息。本发明不再是单纯利用激光作为光信号，探测光信号，或者仅是激光入射到水面时产生光声声源以替代声纳声源，而是综合了激光光信号传输的特性和声源信号检测方面的优点。
如图1所示，为本具体实施方式的水下探测系统的结构示意图。水下探测系统包括激光发射装置100，超声探测装置300和测量装置500。如图2所示，为水下探测系统的工作原理示意图。
激光发射装置100用于向水下待探测的区域内的目标物体发射波长在430～570nm的激光。此处，激光发射装置通过调制控制，发射的激光的波长范围：430nm-570nm，为水中吸收率最低的蓝绿激光，从而使得目标物体吸收该波长范围的激光后产生超声波。对于发射的激光的功率，可根据实际水下环境对激光的吸收率、所需探测距离、目标对激光的吸收率、水对声波的衰减、超声探测器灵敏度等综合调整设定。调整使得功率满足使所述目标物体吸收所述激光后能产生足够强度的超声波，已被探测系统中的超声探测装置接收检测到。
超声探测装置300用于接收目标物体吸收所述激光后产生的超声波。
测量装置500的输入端连接所述超声探测装置的输出端，用于对所述超声探测装置输出的超声信号进行分析处理获取所述目标物体的信息。测量装置500可根据应用需求设置不同的模块，从而实现测量得到目标的距离、速度、方位、三维形貌、组成成分等信息的要求。
具体地，测量装置500可包括时差计算模块和距离计算模块。时差计算模块用于计算所述激光发射装置发射激光和所述超声探测装置接收超声波之间的时差Δt。该时差的获取可通过从激光发射装置100传输的发射激光的时刻，以及从超声探测装置300传输的接收超声波的时刻计算得到。当然也可通过其它方式获取得到，在此不一一详述。距离计算模块的输入端连接所述时差计算模块的输出端，用于根据所述时差计算模块输出的所述时差Δt以及光在水中的传播速度v1，超声信号在水中的传播速度v2计算得到所述目标物体表面的被测点与所述水下探测系统的距离。上述超声信号在水中的传播速度v2可通过声速标定模块获取得到，即探测系统可包括声速标定模块，以对超声波在当前水下探测环境中的传播速度进行准确标定，也可事先由声速标定模块测量得到，探测系统中的测量装置500中直接存储测量到的数值。获取上述参数后，根据以下公式d/v1+d/v2＝Δt，即可计算得到目标物体表面的被测点与水下探测系统的距离d＝(Δt×v1×v2)/(v1+v2)。
优选地，测量装置500可对超声探测装置300输出的超声信号进行放大、滤波、AD转换等处理后再进行上述计算，从而提高测量准确度。
进一步地，测量装置500可在上述测量到的距离的基础上测量目标物体的速度。测量装置500还包括速度测量模块。速度测量模块的输入端连接距离计算模块的输出端，用于根据距离计算模块多次测量输出的所述被测点的距离变化估算目标物体的速度。
当测量方位时，可设置超声探测装置为包括多个超声探测器；测量装置包括方位确定模块。多个超声探测器均用于接收目标物体表面被测点吸收所述激光后产生的超声波。方位确定模块用于根据各个超声探测器接收到所述超声波的时差确定所述目标物体表面的被测点的方位。配合设置逐点扫描模块，逐点扫描测量后便可知目标整体的方位。
当构建目标物体的三维形貌时，可设置水下探测系统还包括透镜L和微扫描装置MSS。超声探测装置包括多个超声探测器；相应地，测量装置包括三维形貌重构模块。透镜L用于对激光发射装置发射的所述激光进行聚焦，微扫描装置用于使聚焦后的激光在设定范围内对目标物体进行逐点扫描。多个超声探测器用于接收所述目标物体表面被测点吸收所述激光后产生的超声波。三维形貌重构模块用于根据各个超声探测器接收到所述超声波的时刻和各时刻间的时差确定所述被测点的距离和方位。逐点扫描即可得到各点的距离和方位，从而确定得到所述目标物体表面多个点的三维坐标，进而得到所述目标物体的三维形貌的点云图，并可根据所述三维形貌的点云图拟合出所述目标物体的三维形貌。
本具体实施方式的水下探测系统还可分析出目标物体的成分，此时设置测量装置包括参考功率谱存储模块和成分分析模块。所述参考功率谱存储模块用于存储水中多个物体的超声信号的功率谱，所述成分分析模块的输入端连接所述参考功率谱存储模块的输出端，所述成分分析模块用于检测接收到的超声信号的功率谱，将检测到的功率谱与参考功率谱进行比对，分析出目标物体的成分。具体地，同样条件下，当目标分别为钢铁材质和海底岩石时，所接收到的光声信号的功率谱特征是不一样的，由于光声信号的产生机理比较复杂，因此可主要基于机器模式学习的方法：先对水下常见目标的光声信号功率谱进行学习，得到水中多个常见的物体的超声信号的功率谱作为参考功率谱存储起来。实际探测时，将所测光声信号的功率谱与已经学习的参考功率谱进行比对，进而大致判断目标物体的材质。
综上，本具体实施方式可设置测量装置中的具体组成，从而应用光声信号检测得到目标的距离、速度、方位和三维形貌以及目标的组成成分等。本具体实施方式的水下探测系统及水下探测方法，综合利用了激光的高准直性以及超声信号衰减小传播距离远、无海水后向散射影响的优点，从而可同时实现更大的探测距离和更高的探测精度。在测量得到距离信息时探测更远距离和具有更高探测精度，同时，还可实现以往所没有的速度测量、三维形貌构建以及组成成分分析等功能。
优选地，所述激光发射装置100为按照200～250kHz的频率发射激光的激光发射装置。激光发射装置的频率越高，单位时间内产生的信息越多，从而探测系统的探测速度越快。
本具体实施方式中还提供一种水下探测方法，包括以下步骤：1)向水下待探测的区域内的目标物体发射波长在430～570nm的激光；2)接收所述目标物体吸收所述激光后产生的超声波；3)对所述超声信号进行分析处理获取所述目标物体的信息。该水下探测方法相对于以往的探测方法，综合综合利用了激光的高准直性以及超声信号衰减小传播距离远、无海水后向散射影响的优点，从而可同时实现更大的探测距离和更高的探测精度。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下做出若干替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种水下探测系统，其特征在于：包括激光发射装置，超声探测装置和测量装置；所述激光发射装置用于向水下待探测的区域内的目标物体发射波长在430～570nm的激光，所述超声探测装置用于接收所述目标物体吸收所述激光后产生的超声波，所述测量装置的输入端连接所述超声探测装置的输出端，用于对所述超声探测装置输出的超声信号进行分析处理获取所述目标物体的信息。
2.根据权利要求1所述的水下探测系统，其特征在于：所述测量装置包括时差计算模块和距离计算模块，所述时差计算模块用于计算所述激光发射装置发射激光和所述超声探测装置接收超声波之间的时差(Δt)，所述距离计算模块的输入端连接所述时差计算模块的输出端，用于根据所述时差计算模块输出的所述时差(Δt)以及光在水中的传播速度(v1)，超声信号在水中的传播速度(v2)计算得到所述目标物体表面的被测点与所述水下探测系统的距离。
3.根据权利要求2所述的水下探测系统，其特征在于：所述距离计算模块根据如下式子计算得到所述距离d：d＝(Δt×v1×v2)/(v1+v2)。
4.根据权利要求2所述的水下探测系统，其特征在于：所述测量装置还包括速度测量模块；所述速度测量模块的输入端连接所述距离计算模块的输出端，用于根据所述距离计算模块多次测量输出的所述被测点的距离变化估算所述目标物体的速度。
5.根据权利要求1所述的水下探测系统，其特征在于：所述超声探测装置包括多个超声探测器；所述测量装置包括方位确定模块；所述多个超声探测器均用于接收所述目标物体表面被测点吸收所述激光后产生的超声波；所述方位确定模块用于根据各个超声探测器接收到所述超声波的时差确定所述目标物体表面的被测点的方位。
6.根据权利要求1所述的水下探测系统，其特征在于：所述水下探测系统还包括透镜和微扫描装置；所述超声探测装置包括多个超声探测器；所述测量装置包括三维形貌重构模块；所述透镜用于对所述激光发射装置发射的所述激光进行聚焦，所述微扫描装置用于使聚焦后的激光在设定范围内对所述目标物体进行逐点扫描；所述多个超声探测器用于接收所述目标物体表面被测点吸收所述激光后产生的超声波；所述三维形貌重构模块用于根据各个超声探测器接收到所述超声波的时刻和各时刻间的时差确定所述被测点的距离和方位，逐点确定得到所述目标物体表面多个点的三维坐标，拟合出所述目标物体的三维形貌。
7.根据权利要求1所述的水下探测系统，其特征在于：所述测量装置包括参考功率谱存储模块和成分分析模块，所述参考功率谱存储模块用于存储水中多个物体的超声信号的功率谱，所述成分分析模块的输入端连接所述参考功率谱存储模块的输出端，所述成分分析模块用于检测接收到的超声信号的功率谱，将检测到的功率谱与参考功率谱进行比对，分析出目标物体的成分。
8.根据权利要求1所述的水下探测系统，其特征在于：所述激光发射装置为按照200～250kHz的频率发射激光的激光发射装置。
9.一种水下探测方法，其特征在于：包括以下步骤：1)向水下待探测的区域内的目标物体发射波长在430～570nm的激光；2)接收所述目标物体吸收所述激光后产生的超声波；3)对所述超声信号进行分析处理获取所述目标物体的信息。
10.根据权利要求9所述的水下探测方法，其特征在于：所述步骤3)包括以下步骤：31)计算发射激光和接收超声波之间的时差(Δt)；32)根据所述时差(Δt)以及光在水中的传播速度(v1)，超声信号在水中的传播速度(v2)计算得到所述目标物体上的被测点与进行水下探测所在的位置的距离。
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