CN106950559A - 多波段半导体激光水下探测/照明装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多波段半导体激光水下探测/照明装置，用于对水下目标的激光探测与摄影照明。它包括有波长范围为480‑532nm内的多波段半导体激光器组、发射光学系统、ICCD光电探测器、激光探测器、接收光学系统、系统控制器和信号/图像显示器。其中的多波段半导体激光器组，采用480‑532nm波段范围内的多支不同波长的半导体激光器组合而成，可采取准连续或脉冲方式工作。该装置可独立应用，也可与LED照明灯、卤素照明灯或532nm固体激光器等现有水下照明光源配套使用，能够更好地适应不同水质和水下小型平台使用。

Description

多波段半导体激光水下探测/照明装置

技术领域

本发明属于水下探测和照明技术领域。多波段半导体激光水下探测/照明装置，采用在水下透射系数最高的480-532nm的蓝绿半导体激光作为探测/照明光源，有助于提高对水下目标的观察距离或探测能力。利用半导体激光器的电光转换效率高、体积小和重量轻等独特优势，能够更好地适应水下无人小平台的使用要求。该装置可独立使用，也可与LED和卤素照明灯或532nm固体激光器配合使用，作为现有水下照明设备的一种辅助照明增程手段。

背景技术

水下基本是一个全黑世界，除声波可在水里传播以外，480-532nm的光波也是一个宝贵的水下传输窗口。过去几十年间，为弥补声波探测在成像和定位精度方面的不足，相继发展了卤素强光灯、LED灯和532nm固体蓝绿激光等水下光源，为实现人眼直接观察、CCD摄影成像和近程目标探测提供了几种照明/探测光源。

近年来，随着小型水下航行器的迅速发展与广泛使用，对具有更高电光转换效率和适应多样化水质的新型照明光源提出了迫切需求。在此形势下，上述传统水下光源也开始面临诸多挑战。如

1、目前水下常用的百瓦级LED灯的水下照明距离太近，通常不超过5-8米。其原因主要在于：卤素强光灯和LED灯均为可见光-近红外的寛光谱光源，能在水下有效传输的光谱能量实际不足整个光谱能量的20％，故灯能量的利用率很低。如果依靠提高光源的发射功率来进一步增加水下的作用距离，显然将大幅增加对水下平台的供电压力，也不适合小型水下航行器使用。

2、现有的532nm固体蓝绿激光器自身存在一些技术弱点，非水下最佳光源。原因，一则532nm激光是由高峰值功率1064nm固体激光器二倍频获得，该类激光器自身的光电转换效率通常不超过百分之几，若再加上倍频效率(最高不过60％)，故532nm绿光的总电光转换效率太低，不利于水下平台使用；二则，该波段虽位于水下透射波段，但接近上限，并非为不同海域的最佳透射波长；三则水下观察/摄影用ICCD探测器原本为宽光谱接收器件，但因照明激光波长单一，所以也难发挥接收器件的宽谱响应特点。

若与上述光源相比，本发明所提出的多波段半导体激光水下探测/照明装置，由480-532nm波段内的多支半导体激光器作光源，技术优势明显，如

1、480-532nm波段内的半导体激光器的发射能量全部位于水下透射波段范围，且可根据工作水质与目标反射特征的需要，从中选择最佳激光波长，由此较卤素强光灯和LED灯在水下的实际有用光谱能量利用率更高。

2、半导体激光器的电光转换效率是目前各类激光器中电光转换效率最高者，通常为20-50％，故较532nm固体蓝绿激光器对承载平台的体积、重量和供电压力更小。

3、半导体激光器可很方便地实现准连续与脉冲工作方式的切换，更容易满足多样式工作需求。

由上可见，本发明具有较高的实际应用价值，容易推广使用。

发明内容

本发明的目的是为有效提高对水下目标的观察距离或图像观察清晰度，提供一种新的发展思路与技术途径。

本发明的多波段半导体激光水下探测/照明装置，它是按下述方案实现的。多波段半导体激光水下探测/照明装置包括多波段半导体激光器组、发射光学系统、ICCD光电探测器、激光探测器、接收光学系统、系统控制器和信号/图像显示器。其特征是：多波段半导体激光器组由480-532nm波段内的多支半导体激光器组成，主要激光波长有488nm、514nm、520nm、525nm等。可根据水质状态、目标特点与照明距离等要求，将多支不同波长的激光器或同一波长的多支激光器进行适当组合。不同波长半导体激光器的最大输出功率为几十毫瓦-几瓦。系统控制器可对多波段半导体激光器组的工作状态、输出功率、重复频率与发射时间进行控制，如根据水质状况和工作距离需求，控制多波段半导体激光器组中每支激光器的输出功率与重复频率；如根据水下任务不同，控制激光器以准连续或脉冲方式工作，用于激光照明时，可准连续工作，用于激光探测时，可脉冲工作，并通过获取激光脉冲的发射时间，精确控制ICCD光电探测器成像帧频与激光脉冲的发射时间同步。多波段半导体激光器组与发射光学系统，可根据承载平台的特点与使用要求，采取圆形、矩形或环状排布方式。其中，圆形排布适用于收发合一的光学系统，ICCD光电探测器被放置在光学发射/接收系统的中心，多波段半导体激光器组中的多支激光器均匀分布在其周边；矩形排布适用于收发分离的光学系统，多波段半导体激光器组中的激光器可按正方形或长方形排布，在相应的发射光学系统配套下，成为一个独立的发射单元；若将多波段半导体激光器组中各激光器的输出端与其相对应的光纤耦合器和传导光纤连接，就可将各路激光的输出光束引导到所需位置；若将传导光纤的输出端固定在一个半径可变的环套上，还可直接将其加装到LED或卤素照明灯发射光学镜筒外上；若将传导光纤的输出端面加工成会聚透镜状，还可实现压缩激光输出光束的发散角，并准直发射出去，以此作为配合现有水下照明灯使用的一种激光照明增程设备。信号/图象显示器可用于显示被激光探测/照明的目标图像。多波段半导体激光水下探测/照明装置可被密封在一个或一个以上的密封结构件中，或将其中多波段半导体激光器组中的激光器(机头)、发射光学系统、接收光学系统、ICCD光电探测器和激光探测器等放置在密封壳体内，而将激光电源、系统控制器和信号/图像显示器等放在船舱内，两部分之间通过电缆和光缆连接，适用于水下不同深度的激光探测/照明使用。多波段半导体激光水下激光探测/照明装置也可通过传导光纤与532nm激光的输出光缆并束，实现两类激光照明光源的水下复合应用。

本发明水下透射型多波段激光探测/照明装置的优点是：

1、多波段半导体激光器组的发射波长分布在480-532nm范围，能更好地适应不同海域的水质情况和不同目标的波长反射特性；

2、半导体激光器组和发射光学系统可根据需要和平台特点，设计成为手电筒、探照灯或环状嵌套等结构，便于加装在各种水下平台上，或与现有的水下照明灯配套使用；

3、与目前水下常用的卤素强光灯和LED灯相比，由于半导体激光器组的输出能量全部位于水的最佳透射波段，且半导体激光器组的电光转换效率高，故在同样供电功率下，半导体激光器组的水下探测/照明距离应该更远；若与532nm固体蓝绿激光器相比，不但半导体激光器组的电光转换效率高，输出波长较532nm更接近水的透射波段，且有多个波长可选，因此能更好地适应不同海域的水质情况，及对不同反射率目标的探测；此外，还可充分发挥ICCD等探测器的寛光谱响应特性，有助于提高水下激光照明下的ICCD成像距离。

附图说明

图1本发明水下多波段半导体激光探测/照明装置构成框图；

图2本发明水下多波段半导体激光探测/照明装置环套结构与原水下照明灯配合示意图。

具体实施方式

本发明的水下多波段激光探测/照明装置是一种采用在水下透射系数最高的480-532nm蓝绿光半导体激光器组，用于配合ICCD被动成像的主动探测/照明光源及成像探测/照明装置。图1给出了本发明水下多波段激光探测/照明装置构成框图，图2给出了本发明水下多波段激光探测/照明装置的激光器组布局结构示意图。

下面结合附图对水下多波段激光探测/照明装置做详细描述。

多波段半导体激光水下探测/照明装置，它是按下述方案实现的，它包括多波段半导体激光器组1、发射光学系统2、ICCD光电探测器3、激光探测器4、接收光学系统5、系统控制器6、信号/图像显示器7。

工作过程如下：多波段半导体激光器组1由发射波段在480-532nm范围内的多支半导体激光器组成，主要波长包括488nm、514nm、520nm、525nm等；多波段半导体激光器组1可通过改变对半导体激光器的泵浦电流方式，实现准连续或脉冲方式工作，激光照明时，多采用准连续工作方式；激光探测时，多采用脉冲工作方式；不同波长的半导体激光器的最大输出平均功率不同，大体分布在几十毫瓦-瓦级；在系统控制器6的控制下，可根据不同工作水域的水质情况、目标对不同波长的反射特性，及水下探测/照明应用的距离要求，选择多波段半导体激光器组1中的激光输出波长、不同波长激光器的输出功率，及脉冲工作时的重复频率。

多波段半导体激光器组1与发射光学系统2的耦合方式，可根据承载平台的特点，采取圆形、矩形或环状排布方式。其中，圆形排布适用于收发合一的光学系统，ICCD光电探测器3被放置在光学发射/接收系统中心，多波段半导体激光器组1中的多支激光器均匀或非均匀地布设在ICCD光电探测器3的周边，每支半导体激光器类似于一个小发射灯泡，经各自对应的小抛物面反射镜将激光束准直发射出去，整体架构类似于手电筒；矩形排布更适用于收发独立的光学系统，多波段半导体激光器组1中的多支激光器按正方形，如2×2、3×3，----，或长方形，如2×3、3×5，----等，所有半导体激光器被集成到一块基板上，采用热电制冷方式确保整体尺寸几厘米的半导体激光矩阵可长时间稳定工作，半导体激光器阵列和与之配套的发射光学系统2共同组成一个独立的发射单元；环状排布则可为一可加装在LED或卤素照明灯光学镜筒外的环套，多波段半导体激光器组1中的多支激光器通过与各自对应的光纤耦合器8与传导光纤9相连，利用传导光纤9将各路激光束传递到环套上；若将传导光纤9的输出端加工成一种会聚透镜的形状，可通过压缩激光发散角，提高激光探测/照明的作用距离。类似的多波段半导体激光器组环套也可与现有532nm固体激光器的输出光纤光缆并束组合，使宽波段低功率半导体激光与单波长大能量固体激光两类探测/照明源联合使用，相互取长补短。

光学发射系统2为一宽波段接收系统，收集被半导体激光照射目标的激光散射回波，并将其聚焦到激光探测器4上，为提高激光探测的灵敏度，在激光探测器4前加装一个特定波长的窄带滤光片，其透射波长可选择多波段半导体激光器组1中的任意一支。激光探测器4将光电转换信号送至系统控制器6，以准确获取脉冲激光的发射时间，据此精确控制ICCD光电探测器3的成像帧频与脉冲激光的发射时间同步，通过距离选通措施，降低水下背景的干扰。系统控制器6一方面对ICCD探测器3接收到的目标图像实施图像增强处理，另一方面对多波段半导体激光器组1的工作状态、输出功率、重复频率与发射时间等实施控制。信号/图象显示器7用于显示、记录或传送在激光照明下的ICCD光电探测器3所获得的水下目标图像。

Claims (12)

1.多波段半导体激光水下探测/照明装置，其特征是它包括有波长范围为480-532nm内的至少2支以上不同波长的半导体激光器，与之相应的发射和接收光学系统、ICCD光电探测器、激光探测器、系统控制器和信号/图像显示器。

2.权利要求1中，所述的多波段半导体激光器组由480-532nm波长范围内2支以上不同波长的半导体激光器组成，主要波长为488nm、514nm、520nm和525nm等。

3.权利要求2中，多波段半导体激光器组可以准连续或脉冲方式工作。

4.权利要求2中，多波段半导体激光器组用于激光照明时，可采用准连续工作方式，用于激光探测时，可采用脉冲工作方式，此时可通过获取激光脉冲的发射时间，精确控制ICCD光电探测器成像帧频与激光脉冲的发射时间同步。

5.权利要求2中，不同波长的半导体激光器的最大输出功率有所不同，大多分布在几十毫瓦-几瓦，系统控制器可根据水质状况和工作距离的要求，控制多波段半导体激光器组中每支激光器的输出功率与重复频率。

6.权利要求2中，所述的多波段半导体激光器组与发射光学系统，可根据承载平台的特点与使用要求，采取圆形、矩形或环状排布方式。

7.权利要求6中，圆形排布适用于收发合一的光学系统，ICCD光电探测器被放置在光学发射/接收系统的中心，多波段半导体激光器组中的多支激光器均匀分布在其周边。

8.权利要求6中，矩形排布适用于收发分离的光学系统，多波段半导体激光器组中的激光器可按正方形或长方形排布，在相应的发射光学系统配套下，成为一个独立的发射单元。

9.权利要求2中，多波段半导体激光器组中各激光器的输出端分别与其相对应的光纤耦合器和传导光纤连接，各激光器的输出光束被传导到所需要的位置，所有传导光纤的输出端被固定在一个半径可变，并可加装到LED或卤素照明灯发射光学镜筒外的环套上，传导光纤的输出端面被加工成会聚透镜状，实现对激光输出光束发散角的压缩，将多波段半导体激光器的输出光束从环套上准直发射出去。

10.权利要求1中，多波段半导体激光水下探测/照明装置被密封在一个或一个以上的密封结构中，适用于水下不同深度的激光探测/照明使用。

11.权利要求2中，多波段半导体激光器组中的激光器(机头)、发射光学系统、接收光学系统、ICCD光电探测器和激光探测器等，可被放置在一个或一个以上的密封结构中，多波段半导体激光器组中的激光电源、系统控制器和信号/图像显示器等可放置在船舱内，两部分之间通过电缆和光缆连接。

12.权利要求1中，多波段半导体激光水下激光探测/照明装置中的多路传导光纤可与532nm固体激光器的输出光纤并束组合，实现532nm单波长、大能量、绿光激光与准连续、宽光谱、低功率半导体激光的水下复合应用。