CN108872994A - 面向水下目标探测的光声混合雷达系统 - Google Patents

面向水下目标探测的光声混合雷达系统 Download PDF

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Abstract

面向水下目标探测的光声混合雷达系统，属于水下目标探测技术领域，为解决现有技术存在的问题，中处理器与脉冲源连接，激光器输出端与电光调制器、光纤放大器、滤波器、第一光纤放大器依次连接，第一光纤放大器输出光纤端面位于准直镜的焦点处；准直镜、准直放置LBO倍频晶体、分束棱镜、光声转换装置依次同轴设置，光学发射天线放置于分束棱镜反射光出口处，反射镜与发射天线的光轴呈45°角，使探测激光与超声波同方向出射；滤光片和会聚透镜组组成光接收天线，光接收天线和换能器并列放置；滤光片与会聚透镜依次同轴放置，光电探测器端面位于会聚透镜焦点处；光电探测器、第二滤波器和处理器依次连接；换能器、第一滤波器和处理器依次连接。

Description

面向水下目标探测的光声混合雷达系统
技术领域
本发明涉及水下目标探测技术领域，具体涉及一种面向水下目标探测的光声混合雷达系统。
背景技术
近年来，海洋的战略地位愈发重要，人类对海洋的探测活动日益增多，水下目标的快速探测和精确识别成为现代水下探测领域研究的热点。由于声波在水中具有良好的传播特性，目前声呐和水听器等水声探测技术仍然在水下目标探测领域占据主导地位。但根据海洋声学的基本特性,海水中声波的传播速度受海水的温度、盐度和水压等环境因素影响较大，同时由于声波的长距离传播能力，各种噪声都会对声纳探测构成干扰，使之难以捕获和辨认目标，尤其是小目标。
相比于水下声波探测，光波在水中损耗大，传播距离短，但由于其受温度和盐度变化影响小，探测速率高，方向性好，空间分辨率高等优点，因此近年来水下激光探测技术备受关注。
中国专利公开号为：“CN 105728972A”，提出一种水下探测系统及水下探测方法，如图1所示，该系统包括激光发射装置、超声探测装置和测量装置。该系统通过激光发射装置向水下待探测区域内的目标物体发射波长为430～570nm的激光，目标物体吸收激光产生超声波。超声探测装置接收目标物体吸收激光后产生的超声波，测量装置将超声探测装置接收到的超声信号进行分析处理获取探测目标的信息。
该系统实现了激光发射超声接收的组合，相比于单纯声纳设备，激光束的发射提高了探测精度；不过该系统没有有效综合超声探测和激光探测，受到激光束能量的限制，系统所提高的探测距离有限，仍然无法与声纳探测的距离相比，同时该系统需要保证足够的激光能量，功耗较大。
发明内容
本发明为解决现有水下目标声纳探测空间分辨率低，激光探测距离短的问题，提出了一种面向水下目标探测的光声混合雷达系统。
本发明解决技术问题的技术方案是：
面向水下目标探测光声混合雷达系统，其特征是，该系统包括：处理器、脉冲源、激光器、电光调制器、第一光纤放大器、ASE滤波器、第二光纤放大器、准直镜、LBO倍频晶体、分光棱镜、光声转换装置、光学发射天线、反射镜、换能器、第一电滤波器、滤光片、会聚透镜组、光电探测器和第二电滤波器；处理器与脉冲源连接，激光器输出端与电光调制器、光纤放大器、滤波器、第一光纤放大器依次连接，第一光纤放大器输出光纤端面位于准直镜的焦点处；准直镜、准直放置LBO倍频晶体、分束棱镜、光声转换装置依次同轴设置，光学发射天线准直放置于分束棱镜反射光出口处，反射镜与发射天线的光轴呈45°角放置，使探测激光与超声波同方向出射；信号接收端，由滤光片和会聚透镜组组成光接收天线，光接收天线和换能器并列放置；光接收天线中滤光片与会聚透镜依次同轴准直放置，光电探测器端面位于会聚透镜焦点处；光电探测器、第二滤波器和处理器依次连接；换能器、第一滤波器和处理器依次连接。
本发明的有益效果是：
1)单激光发射源实现激光和声纳同时发射：本发明基于单个1064nm激光器实现声呐发射及激光发射，减小了系统的体积和重量，降低成本。
2)实现高功率高速率探测：相比于直接调制532nm激光器，激光器和电光调制器组合容易实现高频率脉冲，提高空间分辨率，另外利用掺Yb光纤放大器可以增加发射功率有利于实现远距离探测，同时结构中在会聚透镜之后加入LBO倍频晶体，将激光器发出的近红外光转变为蓝绿光532nm，减小了海水由于散射和吸收对探测光的损耗，有利于实现远距离探测。
3)光声混合探测实现探测互补：激光探测空间分辨率高，但传输距离短；声呐传输距离远，但空间分辨率低。两者混合探测可实现长短距离互补的水下目标探测。本发明在水下目标探测领域具有广泛应用前景。
附图说明
图1为现有的一种水下光声混合探测雷达系统；
图2为本发明面向水下目标探测光声混合雷达系统。
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施例作详细说明。
如图2所示，面向水下目标探测光声混合雷达系统，该系统包括：处理器1、脉冲源2、激光器3、电光调制器4、第一光纤放大器5、ASE滤波器6、第二光纤放大器7、准直镜8、LBO倍频晶体9、分光棱镜10、光声转换装置11、光学发射天线12、反射镜13、换能器14、第一电滤波器15、滤光片16、会聚透镜组17、光电探测器18和第二电滤波器19；
处理器1通过电缆与脉冲源2连接，激光器3输出端与电光调制器4、光纤放大器5、滤波器6、第一光纤放大器7依次通过光纤连接，第一光纤放大器7输出光纤端面位于准直镜8的焦点处。准直镜8、准直放置LBO倍频晶体9、分束棱镜10、光声转换装置11依次同轴设置，光学发射天线12准直放置于分束棱镜10反射光出口，反射镜13与发射天线12的光轴呈45°角放置，使探测激光与超声波同方向出射。信号接收端，由滤光片16和会聚透镜组17组成光接收天线，光接收天线和换能器14并列放置。光接收天线中滤光片16与会聚透镜17依次同轴准直放置，光电探测器18端面位于会聚透镜17焦点处。光电探测器18、第二滤波器19和处理器1通过电缆依次连接。换能器14、第一滤波器15和处理器1通过电缆依次连接。
处理器1控制脉冲源2产生脉冲电信号，产生的脉冲电信号通过电缆注入电光调制器4用于调制激光器1产生波长为1064nm的脉冲激光束；1064nm的脉冲激光束经光纤进入到第一光纤放大器5放大，放大后的激光束由ASE滤波器6处理第一光纤放大器5引入的噪声后由第二光纤放大器7进一步放大激光束功率；放大后的激光束通过准直镜8准直进入LBO倍频晶体9获得带脉冲信号的532nm探测激光。探测激光由分束棱镜10分成能量为1：1的两束532nm探测激光，其中一束激光由声光转换装置11接收，激发出超声波信号向待测目标发射，另一束经反射的532nm激光经过光发射天线12和反射镜13，以平行光形式与声波信号平行同向出射，照向待测目标。超声波信号和探测光信号照射到待测目标表面被反射，反射回的超声波信号和光信号分别被换能器14和光接收天线接收。超声波信号由换能器14接收，被转换为电信号，得到的电信号由第一滤波器15处理滤去噪声后由电缆传输至处理器1进行数据处理分析；反射回的光信号由光学接收天线接收，先通过滤光片16滤去杂散光，再通过同轴放置的会聚透镜17聚焦到光电探测器18表面，转换为电信号，得到的电信号由第二滤波器19处理滤除噪声经电缆进入处理器1进行数据处理分析，得出待测物质距离探测器的距离，从而完成对水下待测目标的光声混合探测。
所述处理器1为微电脑处理器，可控制脉冲源2产生脉冲电信号来驱动激光器3，另外可处理分析接收端接收光声信号。
所述脉冲源2为任意波形发生器，用于产生脉冲电信号，注入激光器3产生脉冲激光。
所述的激光器3为1064nm波段的半导体激光器。
所述的电光调制器4为铌酸锂晶体调制器，用于调制产生高频率脉冲。
所述的第一光纤放大器5为掺铒前置光纤放大器，用于放大弱小脉冲激光束。
所述的ASE滤波器6为带通滤波器，用于滤去光纤放大器引入的自发辐射噪声。
所述的第二光纤放大器7为铒镱共掺的高功率光纤放大器，用于进一步放大脉冲激光束的功率。
所述的LBO(三硼酸锂)倍频晶体9，具有较高的匹配效率和激光损伤阈值等优点，用于将1064nm激光倍频到532nm即“蓝绿窗口”的范围内，减小水下散射和吸收对光能量的损耗。
所述光声转换装置11为汇聚激光到水中激发超声波装置。
所述换能器14为可将超声波信号转换为电信号的装置。
所述滤光片16为中心波长为532nm的带通滤光片(带宽为几个纳米)，用于滤除从被测目标反射回的信号光中的杂散光。
所述的第一电滤波器15和第二电滤波器19为低通滤波器，分别用于滤去光电探测器18和换能器14引入的高频噪声。
本发明可以得到面对水下目标探测的光声混合雷达装置，实现水下长距离高精度目标探测。随着各种光电器件的不断发展，将会得到更远距离更高精度的探测装置，并且其应用也将更加广泛。

Claims (6)

1.面向水下目标探测光声混合雷达系统，其特征是，该系统包括：处理器(1)、脉冲源(2)、激光器(3)、电光调制器(4)、第一光纤放大器(5)、ASE滤波器(6)、第二光纤放大器(7)、准直镜(8)、LBO倍频晶体(9)、分光棱镜(10)、光声转换装置(11)、光学发射天线(12)、反射镜13、换能器14、第一电滤波器15、滤光片16、会聚透镜组17、光电探测器18和第二电滤波器19；
处理器1与脉冲源2连接，激光器3输出端与电光调制器4、光纤放大器5、滤波器6、第一光纤放大器7依次连接，第一光纤放大器7输出光纤端面位于准直镜8的焦点处；
准直镜8、准直放置LBO倍频晶体9、分束棱镜10、光声转换装置11依次同轴设置，光学发射天线12准直放置于分束棱镜10反射光出口处，反射镜13与发射天线12的光轴呈45°角放置，使探测激光与超声波同方向出射；
信号接收端，由滤光片16和会聚透镜组17组成光接收天线，光接收天线和换能器14并列放置；
光接收天线中滤光片16与会聚透镜17依次同轴准直放置，光电探测器18端面位于会聚透镜17焦点处；光电探测器18、第二滤波器19和处理器1依次连接；换能器14、第一滤波器15和处理器1依次连接。
2.根据权利要求1所述的面向水下目标探测光声混合雷达系统，其特征在于，所述激光器3为1064nm波段的半导体激光器。
3.根据权利要求1所述的面向水下目标探测光声混合雷达系统，其特征在于，所述电光调制器4为铌酸锂晶体调制器，用于调制产生高频率脉冲。
4.根据权利要求1所述的面向水下目标探测光声混合雷达系统，其特征在于，所述第一光纤放大器5为掺铒前置光纤放大器，用于放大弱小脉冲激光束。
5.根据权利要求1所述的面向水下目标探测光声混合雷达系统，其特征在于，所述ASE滤波器6为带通滤波器，用于滤去光纤放大器引入的自发辐射噪声。
6.根据权利要求1所述的面向水下目标探测光声混合雷达系统，其特征在于，所述第二光纤放大器7为铒镱共掺的高功率光纤放大器，用于进一步放大脉冲激光束的功率。
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