CN108521307B - 一种海浪高度自适应的激光致声水下通信系统 - Google Patents

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Abstract

一种海浪高度自适应的激光致声水下通信系统，激光致声水下通信领域，为了解决现有技术存在无法对海浪高度进行自适应调节，天气恶劣，搭载平台扰动大的情况下，光声转化效率低，水下通信质量差的问题，其包括激光器、扩束镜组、变焦光学系统、激光测距系统、控制器和电机，激光器出射的光束经过扩束镜组扩束，进入变焦光学系统，光束经过变焦光学系统后聚焦于水面下，激发产生声波进行通信，激发激光测距系统对海浪高度进行实时测量，将实时测量的海平面高度数据传入总控系统，经过数据处理传送电信号给电机，电机控制变焦光学系统进行相应调节，补偿海浪引起的海平面高度变化，以保持最佳水下激光聚焦位置，实现对水下通信系统击穿位置实时调节。

Description

一种海浪高度自适应的激光致声水下通信系统
技术领域
本发明属于激光致声水下通信领域，特别涉及一种海浪高度自适应的激光致声水下通信系统。
背景技术
潜艇是现代军事力量的重要组成部分，隐蔽和可靠是潜艇对岸通信追求的主要目标，激光致声水下通信技术结合了红外激光在大气中传输损耗较小和声波在海水中衰减较小的优点，在水下通信领域有着广泛的应用前景。激光致声水下通信技术利用航空航天平台搭载激光器，空中平台发射的调制激光信号聚焦于海水表面及水下靠近表面的位置，通过光击穿效应激发声波信号，水下目标接收声波信号并恢复所带编码信息，实现大气-海水信道中的激光致声通信。激光致声水下通信要求光斑聚焦于水下一定位置，使空泡能够完整地进行脉动过程，并在每次溃灭时辐射声信号，保证光声能量转换效率最高。海平面高度随着海浪产生几米到几十米的变化使得光斑聚焦位置发生偏移，极大的衰减了激光能量密度，影响光声能量转换。
中国专利授权公告号为“CN204559587U”,专利名称为“激光跳频水下致声数字通信系统”，将大气光通信与水下声通信相结合，利用激光跳频技术，通过信息加载于不同重频帧组成的编码来控制激光器进行激光发射，经大气传输使激光能量达到水面后以气化或击穿方式与水介质发生互作用，从而把光波能量转化为声波能量在水下各异方向传播。由于其未将海浪高度的变化考虑其中，无法实现对海浪高度的自适应调节，光声转化率低，通信性能差。
发明内容
本发明为了解决现有技术存在无法对海浪高度进行自适应调节，天气恶劣，搭载平台扰动大的情况下，光声转化效率低，水下通信质量差的问题，提出一种自适应海浪高度的激光致声水下通信光学系统。
本发明解决技术问题的方案是：
一种海浪高度自适应的激光致声水下通信系统，其特征是，该系统包括激光器、扩束镜组、变焦光学系统、激光测距系统、控制器和电机，激光器出射的光束经过扩束镜组扩束，进入变焦光学系统，光束经过变焦光学系统后聚焦于水面下，激发产生声波进行通信，激发激光测距系统对海浪高度进行实时测量，将实时测量的海平面高度数据传入总控系统，经过数据处理传送电信号给电机，电机控制变焦光学系统进行相应调节，补偿海浪引起的海平面高度变化，以保持最佳水下激光聚焦位置。
本发明的有益效果：
本发明可以根据海浪高度和搭载平台高度的变化对激光致声水下通信系统水下击穿位置实时调节，保持最佳激光聚焦激发位置，提高聚焦质量，保证光声转换效率和水下通信质量。
所述的扩束镜组将激光扩束后近似于平行光出射，增大了会聚角，使激光击穿区域形成单空泡，空泡能量和尺寸增大，提高激光击穿辐射声信号效率。
附图说明
图1是本发明一种自适应海浪高度的激光致声水下通信光学系统的结构示意图。
其中：1、激光器，2、扩束镜组，3、变焦光学系统，3-1、前固定组，3-2、变倍组，3-3、补偿组，3-4、后固定组，4、激光测距系统，5、控制器，6、电机。
图2是本发明所述的激光测距系统的结构示意图。
其中：4-1、激光发射系统，4-2、激光接收系统，4-3、信息处理系统。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
如图1所示，一种自适应海浪高度的激光致声水下通信光学系统，该系统包括激光器1、扩束镜组2、变焦光学系统3、激光测距系统4、控制器5和电机6。
激光器1出射的光束经过扩束镜组2扩束，进入变焦光学系统3，光束经过变焦光学系统3后聚焦于水面下。激光测距系统4对海浪高度进行实时测量，将实时测量的海平面高度数据传入控制器5，海平面高度数据经过控制器5中的单片机控制电路和驱动电路，转换成电信号传送给电机6，电机6控制变焦光学系统3进行相应调节，补偿海浪引起的海平面高度变化，以达到最佳水下聚焦位置。
变焦光学系统3包含同轴设置的四个透镜组，分别为前固定组3-1、变倍组3-2、补偿组3-3和后固定组3-4；其中前固定组3-1和变倍组3-2均为小孔径凹透镜，补偿组3-3和后固定组3-4均为大孔径凸透镜。变焦光学系统3主要是消去光学系统的球差，变倍组3-2和补偿组3-3间距可调，用于将激光聚焦于不同位置，另外该间距可以对系统加工装配误差进行补偿。
当海浪高度发生变化，水下光斑聚焦深度也发生变化，激光器1出射的光束经变焦光学系统3后在水下聚焦的光斑就会发生弥散，激光测距系统4对海面高度进行实时测量，将测量的数据传入控制器5，经处理后将电信号传送给电机6，电机6控制变焦光学系统3进行变焦补偿，通过调节变焦光学系统3中变倍组3-2与补偿组3-3之间的间距，对光斑聚焦位置进行补偿，将光斑聚焦于水下最佳位置，实现对海浪高度的自适应调节。
图2为激光测距系统的结构示意图，激光测距系统4包括激光发射器4-1、激光接收器4-2和信息处理器4-3。激光发射器4-1发射高功率脉冲激光射向海面，海面反射回来的激光脉冲信号由激光接收器4-2接收，经信息处理器4-3得到实时的海平面高度数据，然后传给控制器5。

Claims (3)

1.一种海浪高度自适应的激光致声水下通信系统，其特征是，该系统包括激光器(1)、扩束镜组(2)、变焦光学系统(3)、激光测距系统(4)、控制器(5)和电机(6)；激光器(1)出射的光束经过扩束镜组(2)扩束，进入变焦光学系统(3)，光束经过变焦光学系统(3)后聚焦于水面下，激光测距系统(4)对海浪高度进行实时测量，将实时测量的海平面高度数据传入控制器(5)，经过数据处理传送电信号给电机(6)，电机(6)控制变焦光学系统(3)进行相应调节，补偿海浪引起的海平面高度变化，以达到最佳水下聚焦位置。
2.根据权利要求1所述的一种海浪高度自适应的激光致声水下通信系统，其特征在于，所述变焦光学系统(3)包括同轴设置的前固定组(3-1)、变倍组(3-2)、补偿组(3-3)和后固定组(3-4)；其中前固定组(3-1)和变倍组(3-2)均为小孔径凹透镜，补偿组(3-3)和后固定组(3-4)均为大孔径凸透镜；变倍组(3-2)和补偿组(3-3)之间距离可调，用于将激光聚焦于不同位置。
3.根据权利要求1所述的一种海浪高度自适应的激光致声水下通信系统，其特征在于，所述激光测距系统(4)包括激光发射器(4-1)、激光接收器(4-2)和信息处理器(4-3)，激光发射器(4-1)发射高功率脉冲激光射向海面，海面反射回来的激光脉冲信号由激光接收器(4-2)接收，经信息处理器(4-3)得到实时的海平面高度数据，然后传给控制器(5)。
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