CN109471121B - 双介质空间激光光声雷达 - Google Patents
双介质空间激光光声雷达 Download PDFInfo
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Abstract
双介质空间激光光声雷达，涉及激光光声雷达。设有激光光声发射模块和接收模块；激光光声发射模块设有高能脉冲激光器、光开关和光学系统；接收模块设有连续波激光器、分束器、相控阵外差式多普勒散斑干涉仪、CCD、光电探测器PD和计算机；高能脉冲激光器输出端接光开关输入端，光开关的调制输出端接光学系统输入端，光学系统输出端发出激发声波至水面，连续波激光器输出端接分束器的输入端，分束器的激光束分两路进入相控阵外差式多普勒散斑干涉仪，其中一路为干涉仪的探测光；另一路作为参考光；相控阵外差式多普勒散斑干涉仪输出端通过反射镜得到反射光束和透射光束，反射光束经过光电探测器PD接计算机，透射光束经CCD接计算机。
Description
技术领域
本发明涉及激光光声雷达，尤其是涉及具有高精度、高灵敏度、高分辨率的水下目标(静音/静止/运动)识别、测距、定位、测速、成像及通信等功能的双介质空间激光光声雷达。
背景技术
随着海洋开发事业的发展，解决水下目标与海洋空间和地理信息的感知、传递、处理，对海洋世界全貌了解、海洋生态链掌握、海洋灾害预测、防灾减灾等具有重大意义。空中对水下(海里)目标的直接快速探测是未来雷达技术发展的一个重要趋势。
目前，对于海底不明物的探测，主要有声纳探测和激光雷达等方法。声纳探测包括主动声纳和被动声纳。主动声纳自身发射声波，利用发射基阵向水中发射声脉冲，接收目标反射的回波，并把接受目标的反射波作为检测与估计的基础，更进一步地进行目标定位与识别。被动声纳自身不发射声波，依靠目标辐射的声波作为检测与估计的基础，通过搜索来自目标的声波来发现和识别目标。机载激光雷达海洋探测是利用机载的蓝绿激光发射和接收设备，通过发射大功率、窄脉冲激光，探测水下目标的一种遥感技术。
综上对于水下不明物的主要探测方法的分析，声纳探测系统其搜索速度受到很大的限制，效率较低。主动声纳容易暴露自身位置，隐蔽性较差。混响是限制主动声纳性能的主要因素；被动声纳无法探测无噪声的目标。激光雷达探测的水下探测距离较小，一般限于在浅水探测方面。
发明内容
本发明的目的在于克服现有水下不明物探测技术的不足，提供在大气空间可对水下不明物(静音/静止/运动)实现识别、测距、定位、测速、成像及通信等功能的一种双介质空间激光光声雷达。
本发明设有激光光声发射模块和接收模块；所述激光光声发射模块设有高能脉冲激光器、光开关和光学系统；所述接收模块设有连续波激光器、分束器、相控阵外差式多普勒散斑干涉仪、CCD、光电探测器PD和计算机；
所述高能脉冲激光器的输出端接光开关的输入端，光开关的调制输出端接光学系统的输入端，光学系统的输出端发出激发声波至水面，所述连续波激光器的输出端接分束器的输入端，分束器的激光束分两路进入相控阵外差式多普勒散斑干涉仪，其中一路为干涉仪的探测光，经耦合光学系统和光纤出射，分别经环形器到达各个相控阵光束定向器，并发送至所探测目标水面；另一路作为参考光，经光频率调制器调制产生差频；相控阵外差式多普勒散斑干涉仪的输出端通过反射镜得到反射光束和透射光束，反射光束经过光电探测器PD接计算机，透射光束经CCD接计算机。
所述相控阵外差式多普勒散斑干涉仪可设有至少1个外差式多普勒散斑干涉仪。
本发明可采用光波、声波组合式工作模态，即光波、声波协同工作。本发明具有主动和被动两种工作模式，可根据实际情况需求，选择运转模式。
所述激光光声发射模块，由高能脉冲激光器发出高能脉冲激光，经光开关进行调制，并通过光学系统，在水面激发声波，声波在水下传播，遇到水下目标时被反射，通过主动式系统接收模块进行接收。
所述接收模块由连续或准连续波激光器发射的激光束分两路进入相控阵多普勒散斑干涉仪，一路为干涉仪的探测光，经耦合光学系统、光纤出射，分别经环形器到达各个相控阵光束定向器，并发送至所探测目标水面，此时返回接收器的是已受水下声源声波调制的探测光；另一路作为参考光，经光频率调制器调制产生差频。
本发明利用激光光声效应产生的声波作为水下声源，激光光声发射模块和接收模块无需与水介质接触，可以装载在海面上(如机载)构成一个非接触探测系统。
所述相控阵光束定向器可实现多光束空间扫描、寻的、测量等。
本发明以被动式工作模式运转时，照射在水面的探测光是受水下目标发射的声波直接调制，此时激光光声发射模块不工作。
被水下目标反射/散射返回水面的声波对到达水面的探测光进行调制，被调制后、携带目标信息的探测信号光经相控阵光束定向器和光环行器，与参考光一同进入光纤耦合器，再经分束器，分别进入光电探测器PD与CCD。经CCD成像及计算机处理，可得到水下不明物的形貌。由光电探测器PD接收的信号，经A/D转换及计算机处理，可实现对目标的测距、测频、测速、定位等。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明提出一种新的水下不明物激光探测系统。该系统兼有主动和被动式工作模式，可根据实际情况需求，选择运转模式，具有高精度、高灵敏度、高分辨率的海底目标(静音/静止/运动)识别、测距、定位、测速、成像及通信等功能。基于激光光声效应，采用光波、声波组合式工作模态，水下(海里)采用低损耗声波长传输信号、水面采用光波调制、解调信号，保持了传统声纳声波长距离传输信号优点。目标声源信号调制激光、光学解调法取代水听器之类接触式接收器，提高了对水下目标的探测灵敏度、测量精度、识别图像分辨率；基于激光干涉原理对水下目标声频探测、激光干涉条纹与光学相控阵技术相结合实现目标三维光学成像，使本雷达系统具有高精度、高灵敏度、宽工作频带、高分辨率；采用以激光波长为计量单位，可实现对微振动、远距离目标高精度探测；外差式激光干涉仪结构的应用，使雷达系统具有较强的抗环境干扰能力。
附图说明
图1为本发明实施例包括激光光声发射模块和接收模块的结构组成原理示意图。
图2为本发明实施例的接收模块工作原理示意图。
具体实施方式
以下通过具体实施方式对本发明作进一步的描述。
如图1所示，本发明兼有主动和被动式工作模式，可根据实际情况需求，选择运转模式，具有高精度、高灵敏度、高分辨率的海底目标(静音/静止/运动)识别、测距、定位、测速、成像及通信等功能。主动工作方式由激光光声发射模块和接收模块组成。激光光声发射模块1由高能脉冲激光器11、光开关12和光学系统13组成。高能脉冲激光器11发出高能脉冲激光，波长为λ1(该波长为海水强烈吸收)，经光开关12进行调制，并通过光学系统13，聚焦到海面，海面表面很薄的一层水在极短的时间内吸收了大部分激光能量而发生热膨胀和汽化乃至等离子击穿等变化，进而发生膨胀爆炸，在水面激发声波；声波在水下传播，当遇到水下不明物时被反射回来，对照射在水面的探测激光束λ2进行调制，被调制的探测光λ2通过主动式系统接收模块2进行接收。
接收模块2由连续波激光器21、分束器22、相控阵外差式多普勒散斑干涉仪23、CCD24、光电探测器PD 25和计算机26组成，工作原理示意图如图2所示。波长为λ2激光器31发射的激光束分两路进入相控阵外差式多普勒散斑干涉仪，一路为相控阵外差式多普勒散斑干涉仪的探测光，经耦合光学系统32和光纤耦合器33出射，分别经环形器40到达各个相控阵光束定向器35，并发送至所探测目标A水面；另一路作为参考光，经光频率调制器34调制产生差频。由激光光声效应产生的、被水下目标反射/散射返回水面的声波对到达海面的探测光进行调制，被调制后、携带目标信息的探测信号光经相控阵光束定向器35和光纤环行器40，与参考光一同进入光纤耦合器36，再经分束器，分别进入光电探测器PD37与CCD39。经CCD 39成像，进入计算机310进行处理，可得到海底不明物的形貌。由光电探测器PD37接收的信号，经A/D38转换，再经计算机310处理，可实现对目标A的测距、测频、测速、定位等。相控阵光束定向器35可实现多光束空间扫描、寻的、测量等。
本发明利用激光光声效应产生的声波作为水下声源，激光光声发射模块1和接收模块2无需与水介质接触，可以装载在水面(海面)上(如机载)构成一个非接触探测系统；在水下利用声波而不是光波进行传播，避免了水对光波的严重吸收。
被动式工作原理与主动式系统的接收模块基本相同，两者主要区别在于，以被动式工作模式运转时，照射在水面的探测光λ2是受水下目标发射的声波直接调制，激光光声发射模块1不工作。
本发明兼有主、被动式工作模式，可根据实际情况需求，选择运转模式，实现空中对水下目标(静音/静止/运动)的高精度、高灵敏度、高分辨率的识别、测距、定位、测速、成像等。除外，本发明还具有通信功能。
Claims (7)
1.双介质空间激光光声雷达，其特征在于设有激光光声发射模块和接收模块；所述激光光声发射模块设有高能脉冲激光器、光开关和光学系统；所述接收模块设有连续波激光器、分束器、相控阵外差式多普勒散斑干涉仪、CCD、光电探测器PD和计算机；
所述高能脉冲激光器的输出端接光开关的输入端，光开关的调制输出端接光学系统的输入端，光学系统的输出端发出激发声波至水面，所述连续波激光器的输出端接分束器的输入端，分束器的激光束分两路进入相控阵外差式多普勒散斑干涉仪，其中一路为干涉仪的探测光，经耦合光学系统和光纤出射，分别经环形器到达各个相控阵光束定向器，并发送至所探测目标水面；另一路作为参考光，经光频率调制器调制产生差频；相控阵外差式多普勒散斑干涉仪的输出端通过反射镜得到反射光束和透射光束，反射光束经过光电探测器PD接计算机，透射光束经CCD接计算机；
被水下目标反射/散射返回水面的声波对到达海面的探测光进行调制，被调制后、携带目标信息的探测信号光经相控阵光束定向器和光环行器，与参考光一同进入光纤耦合器，再经分束器，分别进入光电探测器PD与CCD，经CCD成像及计算机处理，得到水下不明物的形貌，由光电探测器PD接收的信号，经A/D转换及计算机处理，实现对水下目标的测距、测频、测速、定位、成像。
2.如权利要求1所述双介质空间激光光声雷达，其特征在于所述相控阵外差式多普勒散斑干涉仪设有至少1个外差式多普勒散斑干涉仪。
3.如权利要求1所述双介质空间激光光声雷达，其特征在于采用光波、声波组合式工作模态，即光波、声波协同工作，具有主动和被动两种工作模式，选择运转模式。
4.如权利要求1所述双介质空间激光光声雷达，其特征在于所述激光光声发射模块，由高能脉冲激光器发出高能脉冲激光，经光开关进行调制，并通过光学系统，在水面激发声波，声波在水下传播，遇到水下目标时被反射，通过主动式系统接收模块进行接收。
5.如权利要求1所述双介质空间激光光声雷达，其特征在于所述接收模块由连续或准连续波激光器发射的激光束分两路进入相控阵多普勒散斑干涉仪，一路为干涉仪的探测光，经耦合光学系统、光纤出射，分别经环形器到达各个相控阵光束定向器，并发送至所探测目标水面，返回接收器的是已受水下声源声波调制的探测光；另一路作为参考光，经光频率调制器调制产生差频。
6.如权利要求1所述双介质空间激光光声雷达，其特征在于利用激光光声效应产生的声波作为水下声源，激光光声发射模块和接收模块无需与水介质接触，装载在海面上构成一个非接触探测系统。
7.如权利要求1所述双介质空间激光光声雷达，其特征在于所述相控阵光束定向器实现多光束空间扫描、寻的、测量。
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