CN1064454A - 连续光脉冲提高能见度法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明采用特定时间间隔的连续光脉冲法来提 高能见度以及实施该方法的装置。本发明所采用的 特定时间间隔为：a.间隔时间恰等于光由系统照明光 源发出，经待观察物体反射，再返回到系统接收装置 的一次往返的时间；b.间隔时间加上光脉冲的发射与 紧接的选通接收这两个动作之间的延迟时间差，恰等 于光由系统照明光源发出，经待观察物体反射，再返 回到系统接收装置的一次往返时间。本发明所用光 脉冲可以是X射线脉冲，也可以是电子束脉冲或超 声波脉冲。

Description

本发明是用特定时间间隔的连续光脉冲来提高能见度的方法以及实施本方法的装置。国际分类号为B63C11/48。

能够在混浊水或其他混浊介质（例如浓雾）中清晰地观察目标，是人们一直希望解决的课题，不少研究人员对此进行了长期的研究，也提出了一些具体方法：如角度选通、偏振技术、全息成象和距离选通等。前几种方法，虽对目标的观察清晰度有所提高，但达不到实用要求。距离选通技术虽能较好地改善观察目标的清晰度，但由于实施时，存在几项不易解决的技术难题，从而阻碍了该技术的实际应用。

在混浊水或其他混浊介质中，悬浮着大量成份复杂的细小微粒，这些微粒将来自水下观察系统照明光源的光线散射回该系统接收装置，形成散射光噪声背景，这种背景噪声随着水的混浊度和系统到目标的距离而增强，从而使来自目标的光信息相对减弱，造成目标模糊，在很多场合使目标完全看不见。

众所周知，光的传播有一定的速度，因此散射光与目标光到达接收装置有一个时间差。如若光源能发出一短促光脉冲（该脉冲持续长度应明显小于系统到目标的距离），并在接收装置前加一快速光开关，这便组成一个距离选通观察系统。当目标反射光到达系统时，启开光开关，让其进入接收装置，而在这之前和之后都使光开关关闭着，这样大部分散射光都能被阻挡掉，这可大大提高信号噪声比，使目标变清晰。但具体实施这一方案，存在一系列不易解决的技术问题：

1、系统光源发出的光脉冲必须很短，例如当其持续长度是系统与目标间距离的五分之一时（此时信噪比可大大提高，从而有明显实用价值），若目标距离为10米，则脉宽约为10纳秒，若目标距离为1米，则脉宽为1纳秒。而该光脉冲又必须有足够能量，否则目标的反射光能将低的无法探测，这种大能量，高功率的短光脉冲只有调Q或锁模激光器才能提供。需要特种激光器系统做光源是距离选通观察装置一显著特征，由于这类激光器系统体积大、装置复杂，它造成难于适应水底苛刻工作条件，使用不便，不易维护和费用高等严重缺点，从而阻碍该项技术的广泛实际使用。

2、光开关的开启和关闭必须与光源发射光脉冲之间高度精确同步，尤其对于近距离目标，这种同步控制的精度需是（甚至短于）纳秒量级（光开关开闭前、后沿则是（甚至短于）亚纳秒量级。考虑到目标有远有近，这种同步控制还必须能连续调谐。虽曾不断实验过各种方法，但由于种种原因都并不理想，实际上这种高精度的同步控制（且需是方便实用的），至今技术上尚未真正解决。

3、距离选通方案基于单脉冲工作方式，这样一则由于目标反射光能弱，接收系统需具有象增强器等设备提高接收灵敏度，从而使系统更复杂，笨重和昂贵，二则也使它只能用于照象等获取静止画面，无法对运动目标进行连续实时观察，这大大局限了此类装置的实用意义。

当然，按照一种显而易见的技术改进方法，该问题可通过将单脉冲变成多脉冲，即提高激光器脉冲输出频率的方法来解决。但这样会使激光器系统体积更加庞大（另根据目前激光器发展水平，其工作频率也无法做的很高），再则对光开关的同步控制不仅要高精度，还要高频率重复下的可靠性，这样不仅无补于问题的解决，还造成技术上新的困难。

距离选通技术虽有明显改善水下目标清晰度的作用，但上述几项严重的对其实际应用造成实质性阻碍的缺陷却长期未得到显著的实质性的改进，从1971年距离选通技术首次公开报道，到1988年英国一公司声称用该技术制成用于水下观察的电视系统，时隔近20年，但两装置的技术原理和基本特征是相同的（而且该英国公司所用激光器的输出脉冲是20纳秒，考虑倍频后脉宽稍有压缩（脉宽15纳秒），按前所述，这样长的脉冲对至少3米之内的目标是无法提高其清晰度的）。

随着人类（包括机器人）各种水下活动的急速增多，显然，提高水中目标的观察清晰度是一个迫切需要解决的问题，为此目的，特作出本发明。

本发明提出一种技术方法-特定间隔连续光脉冲法及实施该方法的技术装置。该方法能明显提高水下目标的观察清晰度，并可对目标进行连续实时观察。实施装置简单、可靠、方便实用、且造价较低。

本发明的技术方法的基本原理是：由观察系统照明光源发出连续的短光脉冲，这些光脉冲的峰值间隔是特定的，其间隔时间可有两种：一、间隔时间恰等于光由系统照明光源发出，经所观察物体反射，再返回到系统接收装置的一次往返的时间。二、间隔时间加上光脉冲的发射与紧接的选通接受这两个动作之间延迟时间的差（即二者之和）恰等于光由系统照明光源发出，经所观察物体反射，再返回到系统接收装置的一次往返的时间。由于光速极高，该连续光脉冲的频率亦很高，例如对应1米-20米的目标，频率将是100兆赫-5兆赫，光脉冲脉宽一般应明显小于光脉冲峰值之间间隔，例如应小于其间隔的五分之一。

在系统接收装置前加一光开关，该光开关与连续光脉冲相同的频率和相近的占空比（或以光脉冲频率的M分之一，M为数值不大的正整数）而连续地开启和关闭。

对于具有第一种时间间隔的光脉冲，使光脉冲的选通接收与发射两动作同时进行，即每当系统照明光源发射一个光脉冲的同时，系统接收装置前的光开关打开，该光脉冲发出后即关闭。或光脉冲的选通接收以光脉冲发射频率的M分之一间隔地与发射同时进行。

对于具有第二种时间间隔的光脉冲，使光脉冲的选通接收与发射两动作同频率地跟随，即每当系统照明光源发射一个光脉冲之后，经过一固有的脉冲的发射与紧接的选通接收这两个动作之间的延迟时间差，系统接收装置前的光开关打开，然后随即关闭（开启时间约一个光脉冲脉宽）。或光脉冲的选通接收以光脉冲发射频率的M分之一间隔地与发射跟随。

于是，由于光脉冲间隔是特定的，再在一段时间内（这段时间可以很短，例如短于五十分之一秒，从而视觉可暂留以形成连续感，但对于高频率的脉冲及其短间隔而言，这已经足够长了），使它们近似保持等间隔（稳定度依脉冲的占空比而定，例如对十分之一的占空比，百分之一的间隔稳定性已足够），这样每当一个脉冲由目标反射返回的接收装置时，恰逢接收光开关打开，脉冲通过后又迅速关闭;或者在由目标反射返回的M个脉冲中，总有一个（序号固定）在返回到接收装置时，恰逢接收光开关打开，脉冲通过后，又迅速关闭。于是便可有效的降低接收光中散射光的成份，从而明显提高目标清晰度，同时由于是连续工作方式，可对目标实时进行观察。

具体实现上述原理，也有如何产生高频率短光脉冲，如何使接收装置光开关在纳秒量级迅速动作，如何使光脉冲的发射与接收装置光开关精确协调配合等实质性问题，借助于本发明同时提出的实施技术装置（其核心是特别构思的光出射和入射光开关），这些问题可得以解决。

图1为特定间隔连续光脉冲法观察系统的一种原理性装置图（它发射和接收具有第一种时间间隔的光脉冲，且对应于取M＝1）。图1中晶体C₁、C₂……C₈和偏振片P₁、P₂…P_K、P_K+1组成系统的光出射和入射开关，所附电子线路1，提供一频率为W的正（余）弦高频振荡电压。图1中2是半反镜，3是由灯、聚光罩和透镜等组成的光源，该光源出射窄带平行光，4是待观察目标，5是观察者。各偏振片偏振方向平行，两两间分别有一普克尔效应电光晶体，这构成K级串联型平行尼科耳光路，当平行光I₀由左侧入射时，经此光开关出射的光强为

I_a＝I₈（1-sin²（ψ/2））^K（1）

ψ∝usin（wt）  （2）

其中u为所附电路产生的施加于各晶体上的振荡电压峰值，取u为各晶体的半波电压。

由上两式可知，通过光开关将出射频率为2W的连续光脉冲，且由于K级普克尔开关的串联作用，光脉冲脉宽会变窄，利用串联平行尼科耳光路压缩光脉宽，改善占空比是本光开关设计的一个特点。实际上当取K＝2，即只用两级串联时，就可有明显实用效果。

图2是根据（1）式，在采用两级串联型平行尼科耳光路做出、入射光开关时，计算所得的进入接收系统的入射光强随时间的变化曲线，光脉冲占空比是0.177。计算曲线值时，取K＝4，这是因为入射光脉冲需两次通过两块晶体。

设水中目标位于前方距离L处，调整电路电压振荡频率W为

W=2πν=n (c)/(2Ln_＊) （C：真空光速 n_＊：水的折射率） （3）

此时，当该光开关打开时，不仅有一光脉冲自左向右向外发射，而且恰有一自目标反射回的脉冲自右向左射入，光开关的开启是短暂的，在这之前和之后返回的散射光都被阻挡掉。

入射进入光开关的脉冲光携带着很强的目标信息，经半反镜2反射而被观察到。

在实际调试中，频率W是否校准可用待观察物体是否变得最为清晰而十分方便地加以判别。

之所以用高频正（余）弦振荡电压，而不采用一般的矩形（或其它波形）电压做电光晶体控制电压，是本光开关设计的另一特点，这是因为：

1、对于频率等于或大于50兆赫，幅度为几百伏至几千伏的高频高幅度控制电压，正（余）弦波形目前在技术上实现已较易，而矩形或其它波形则很难，甚至还无法实现。

2、正（余）弦波形振荡电路功耗小，矩形或其它波形电路功耗大。

3、正（余）弦波形的产生电路简单，对电路器件要求较低。

本技术方法另一项突出的优点是不必使用激光器作光源，如图1所示，可使用普通白炽灯。考虑到要保证电光开关具有良好的开关作用，可用滤色片将灯谱带滤窄一些，或使用碘化铊灯（一种气体放电灯），该种灯其辐射能量70%集中在5350A的绿线上，经滤光和准直即可使用。虽然此时每个光脉冲的能量是很低的，但由于系统以高频工作，其能量的高速累积和碘化铊灯的在绿波段的高发光效率足可以在大多数场合用肉眼就可以观察到目标，考虑到本系统工作频率已高到其间隔仅为光脉冲一次往返的时间，故本方法已使接收能量的提高接近极限。这样，由于系统的光源和接收部分装置可大为简化，并使造价降低，这就使本技术可望得到广泛的实际使用。

亦可基于本技术方法的基本原理，对光路结构具体形式做不同安排。例如，光出射和光入射光路分开，并各有一光开关，两光开关受同一变化电压控制，这样出射光与入射光光路在空间分开，对提高出、入射光能的利用有利，也使系统各部分的布局方便一些，但要增加所用晶体个数。

对于光出射和光入射光路分开的光路结构，虽然两光开关在受同一变化电压控制时，使两光开关的动作同时进行并不困难，但也允许两光开关的动作之间有一延迟时间差，这往往在制作、调试装置时会带来方便，设选通接收落后于脉冲发射的时间差为△t，则应调整电路电压振荡频率W为

w=2πν= (cπ)/(2Ln_＊－C△t) （4）

式中有关参数定义同式（3）。这对应于第二种时间间隔的光脉冲，于是按前所述，进入接收装置光开关的脉冲光也携带着很强的目标信息。

当然电光晶体亦可用其它电光物质取代。

本技术方法中的光脉冲可用X射线脉冲、电子束脉冲、超声波脉冲等代替，从而依据本技术方法的基本原理去解决更广泛的问题。

Claims (8)

1、一种能提高能见度的方法，其特征在于用具有特定时间间隔和一定占空比的连续高频光脉冲照明物体，并且：

a.同频率地同时地或以照明光脉冲频率的M分之一间隔地同时地选通接收该物体的反射光脉冲；

b.同频率地固定延时地跟随着或以照明光脉冲频率的M分之一间隔地固定延时地跟随着选通接收该物体的反射光脉冲。

2、如权利要求1所述的一种提高能见度的方法，其特征在于所述特定时间间隔：

a.间隔时间恰等于光由系统照明光源发出，经待观察物体反射，再返回到系统接收装置的一次往返的时间;

b.间隔时间加上光脉冲的发射与紧接的选通接收这两个动作之间的延迟时间差，恰等于光由系统照明光源发出，经待观察物体反射，再返回到系统接收装置的一次往返的时间。

3、如权利要求1所述的一种提高能见度的方法，其特征在于所述的一定占空比是指光脉冲脉宽一般应明显小于光脉冲峰值之间间隔。

4、如权利要求1所述的一种提高能见度的方法，其特征在于所述光脉冲可以是X射线脉冲，也可以是电子束脉冲或超声波脉冲。

5、如权利要求1所述的特定时间间隔连续光脉冲提高视距法的装置，其特征在于采用由K级普克尔光开关串联而构成的光出射和光入射的光开关。

6、如权利要求5所述的特定时间间隔连续光脉冲提高视距法的装置，其特征在于所述光开关是利用串联平行尼科耳光路的作用，压缩光脉宽，通过选择串联级数，可以获得所需的占空比。

7、如权利要求6所述的特定时间间隔连续光脉冲提高视距法的装置，其特征在于光出射和光入射可以由一个光开关来控制，也可以用两个光开关来控制。

8、如权利要求6所述的特定时间间隔连续光脉冲提高视距法的装置，其特征在于用正（余）弦波形的高频振荡电压做光开关的控制电压。

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