CN111103592B - 一种高灵敏度的点元化阵列关联检测激光测深系统 - Google Patents

Abstract

一种高灵敏度的点元化阵列关联检测激光测深系统，属于高灵敏度激光测深领域，激光产生模块(1)根据综合控制与处理模块(8)的控制指令发射两束激光脉冲；能量较小的激光脉冲依次经激光脉冲同步触发监视模块(2)、数据高速采集模块(7)后进入综合控制与处理模块(8)作为计时起始信号；能量较大的激光脉冲依次经发射光学模块(3)、扫描模块(4)后向目标发射；目标反射的回波光信号依次经扫描模块(4)、接收光学模块(5)、N×N阵元探测模块(6)、数据高速采集模块(7)进入综合控制与处理模块(8)；所述综合控制与处理模块(8)利用多路关联检测算法从所述回波光信号中反演目标的位置信息。

Description

一种高灵敏度的点元化阵列关联检测激光测深系统

技术领域

本发明涉及一种高灵敏度的点元化阵列关联检测激光测深系统，特别是涉及一种水下激光微弱信号的探测和检测系统，属于高灵敏度激光测深领域。

背景技术

水深测量是进行海洋科学研究的基础，也是海洋测绘的重要内容。由于声波在水中衰减小、传播距离远，因而目前应用最广泛最成熟的水深测量是采用声学探测手段，一般基于船、浮标等水上移动平台，测量深度可达万米。但是水深小于10m的浅滩多礁区域作业环境复杂，对船只存在威胁，声学探测手段效率低、机动性差、无法全覆盖，对沿岸浅水区域缺乏高精度测深能力。以多光谱、红外、微波遥感技术为代表的现有海洋光学遥感测量手段可以大范围地进行扫描，但由于海水对微波、红外、多光谱光波的吸收很严重，只能测量海水表面，需要借助复杂的海洋与大气环境模型来反演20m以内的测量深度，测深误差难以控制在10％以内，难以应用到复杂的水体环境中。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种高灵敏度的点元化阵列关联检测激光测深系统，在无需大口径接收光学模块和高激光发射能量的条件下，该系统能够提升测深系统的信噪比，拓展传统激光测深系统的最大测深能力。

本发明目的通过以下技术方案予以实现：

一种高灵敏度的点元化阵列关联检测激光测深系统，包括激光产生模块、激光同步触发监视模块、发射光学模块、扫描模块、接收光学模块、N×N阵元探测模块、数据高速采集模块、综合控制与处理模块；

激光产生模块根据综合控制与处理模块的控制指令发射两束激光脉冲；能量较小的激光脉冲依次经激光脉冲同步触发监视模块、数据高速采集模块后进入综合控制与处理模块作为计时起始信号；能量较大的激光脉冲依次经发射光学模块、扫描模块后向目标发射；目标反射的回波光信号依次经扫描模块、接收光学模块、N×N阵元探测模块、数据高速采集模块进入综合控制与处理模块；

所述综合控制与处理模块利用多路关联检测算法从所述回波光信号中反演目标的位置信息。

优选的，所述激光产生模块包括脉冲激光器和激光分束器，脉冲激光器产生的激光脉冲经激光分束器后分为两束输出。

优选的，所述激光脉冲的宽度为ns级。

优选的，所述激光分束器的分光比为1：M，其中M为实数，且M>>1。

优选的，所述激光分束器采用镜片镀膜的方式实现。

优选的，所述N×N阵元探测模块采用PMT阵列或者APD阵列。

优选的，所述数据高速采集模块的通道数大于等于N²+1，其中N²个高速采集通道分别与N²个阵元探测模块的各个探测通道连接，1个高速采集通道与激光同步触发监视模块连接，且每个高速采集通道的采样率不低于1G Sample/s。

优选的，所述接收光学模块包括次镜、主镜、光阑，所述次镜、主镜、光阑组成卡塞格林光学系统。

优选的，所述接收光学模块将目标反射的回波的弥散斑覆盖N×N阵元探测模块的整个感光面。

优选的，所述综合控制与处理模块还用于控制扫描模块的扫描周期和方位、用于控制激光产生模块发射激光脉冲、用于控制激光同步触发监视模块和N×N阵元探测模块开启距离选通。

优选的，利用多路关联检测算法从所述回波光信号中反演目标的位置信息的方法包括如下步骤：

S1、设N²个阵元探测模块输出的回波模拟信号经数据高速采集模块的N²个高速采集通道采样后输出的回波信号序列为x_i(t)，其中t代表时间，i代表第i个高速采集通道，i＝1,2,…,N²；

S2、以阵元探测模块上峰值能量最高的阵元为中心，分别与邻域的阵元进行双阵元或三阵元乘法运算，获得中间过程结果R(t)；

S3、对中间过程结果R(t)进行理查德—露森去卷积运算，增强回波关联峰值的信号强度；

S4、通过极大值检测算法和平均方差函数方法进行回波关联峰值的位置检测，获得目标的位置信息。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果：

(1)本发明系统采用点元化阵列探测体制，将单个激光脚点光斑经接收光学系统收集后透射到N×N阵元探测模块的整个像面上，用N×N阵元细分探测，并对N²个阵元的输出信号进行多路关联检测算法处理，阵元间的噪声不关联、信号关联的特性抑制噪声，通过单次测量能够提升系统的信噪比以及提高微弱信号的检测能力，拓展激光测深系统的最大测深能力，有效降低系统的光学口径或者发射能量；

(2)本发明系统采用物方远心接收光学系统，能够在物距变化条件下保证目标回波的弥散斑覆盖整个N×N阵列探测模块的感光面，易于激光测深系统在不同的飞行高度都满足N×N阵列探测模块对接收到的弥散斑的尺寸以及横向分布要求，有效降低安装难度。

附图说明

图1为本发明系统结构示意图；

图2为接收光学模块和阵元探测模块的位置示意图；

图3为阵元间多路关联检测示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步详细描述。

实施例1：

一种高灵敏度的点元化阵列关联检测激光测深系统，其特征在于，包括激光产生模块1、激光同步触发监视模块2、发射光学模块3、扫描模块4、接收光学模块5、N×N阵元探测模块6、数据高速采集模块7、综合控制与处理模块8；

激光产生模块1根据综合控制与处理模块8的控制指令发射两束激光脉冲；能量较小的激光脉冲依次经激光脉冲同步触发监视模块2、数据高速采集模块7后进入综合控制与处理模块8作为计时起始信号；能量较大的激光脉冲依次经发射光学模块3、扫描模块4后向目标发射；目标反射的回波光信号依次经扫描模块4、接收光学模块5、N×N阵元探测模块6、数据高速采集模块7进入综合控制与处理模块8；

所述综合控制与处理模块8利用多路关联检测算法从所述回波光信号中反演目标的位置信息。

所述激光产生模块1包括脉冲激光器和激光分束器，脉冲激光器产生的激光脉冲经激光分束器后分为两束输出。所述激光脉冲的宽度为ns级。所述激光分束器的分光比为1：M，其中M为实数，且M>>1。所述激光分束器采用镜片镀膜的方式实现。

所述N×N阵元探测模块6采用PMT阵列或者APD阵列，其中N＝2或3。

所述数据高速采集模块7的通道数大于等于N²+1，其中N²个高速采集通道分别与N²个阵元探测模块6的各个探测通道连接，1个高速采集通道与激光同步触发监视模块2连接，且每个高速采集通道的采样率不低于1G Sample/s。

所述接收光学模块5包括次镜21、主镜22、光阑23，所述次镜21、主镜22、光阑23组成卡塞格林光学系统。

所述接收光学模块5将目标反射的回波的弥散斑覆盖N×N阵元探测模块6的整个感光面。

所述综合控制与处理模块8还用于控制扫描模块4的扫描周期和方位、用于控制激光产生模块1发射激光脉冲、用于控制激光同步触发监视模块2和N×N阵元探测模块6开启距离选通。

利用多路关联检测算法从所述回波光信号中反演目标的位置信息的方法包括如下步骤：

S1、设N²个阵元探测模块6输出的回波模拟信号经数据高速采集模块7的N²个高速采集通道采样后输出的回波信号序列为x_i(t)，其中t代表时间，i代表第i个高速采集通道，i＝1,2,…,N²；

S2、以阵元探测模块6上峰值能量最高的阵元为中心，分别与邻域的阵元进行双阵元或三阵元乘法运算，获得中间过程结果R(t)；

S3、对中间过程结果R(t)进行理查德—露森去卷积运算，增强回波关联峰值的信号强度；

S4、通过极大值检测算法以及平均方差函数方法进行回波关联峰值的位置检测，获得目标的位置信息。

实施例2：

一种高灵敏度的点元化阵列关联检测激光测深系统，包括激光产生模块1、激光同步触发监视模块2、发射光学模块3、扫描模块4、接收光学模块5、N×N阵元探测模块6、数据高速采集模块7、综合控制与处理模块8；激光产生模块1根据综合控制与处理模块8的控制指令以kHz重复频率发射窄脉宽的激光脉冲；激光脉冲通过1：M分束器(M>>1，M为实数)，能量为1/(M+1)的部分经激光同步触发监视模块2探测，输出的信号接入数据高速采集模块7进行采样处理后，接入综合控制与处理模块8的一个输入端作为计时起始信号；能量为M/(M+1)的部分经发射光学模块3、扫描模块4向目标发射；目标的反射回的回波光信号经接收光学模块5后，到达N×N阵列探测模块6；N×N阵列探测模块6输出N²个通道的信号，分别与数据高速采集模块7的N²个通道的输入端相连并进行采样；采样后N²个通道的输出信号分别接入到综合控制与处理模块8的N²个输入端进行预处理，并采用多路关联检测算法进行目标微弱回波信号的去噪和提取，最终反演出目标的精确位置信息。

所述的激光产生模块1包括一个高能量、窄脉宽的脉冲激光器和一个能量分束比为1:M的激光分束器。所述的高能量窄脉宽的脉冲激光器的脉冲能量在mJ级，脉冲宽度在ns级，能量分束比为1:M的激光分束器采用镜片镀膜的方式实现。

所述的接收光学模块5采用物方远心和离焦设计，能够在物距变化条件下保证目标回波的弥散斑尺寸固定且覆盖整个N×N阵列探测模块6的感光面；采用窄带滤波片，抑制到达探测器的杂光，提高信噪比。

所述的N×N阵元探测模块6为PMT阵列或者APD阵列，位于接收光学模块5的像方焦面之后，数据高速采集模块7之前，且每个阵元具有独立的信号输出功能。

所述的数据高速采集模块7具有N²+1个通道，其中N²个高速采集通道分别与N²个阵元探测模块6的各个探测通道连接，1个高速采集通道与激光同步触发监视模块2连接，并且各通道的信号采样率不低于于1G Sample/s。

所述的综合控制与处理模块8包括数据处理模块和控制电路，包括N²+1个输入接口，N²+2个输出接口，分为平台部分和地面部分，平台部分负责控制和回波数据预处理(滤波)和存储，地面部分负责多路关联检测处理；数据处理模块需要在激光发射初始时刻和探测器距离选通期间分别记录并处理激光脉冲信号，其中初始时刻，能量为1/(M+1)的激光组分经同步触发监视模块2探测、数据高速采集模块7采样得到单通道的计时起始信号，接入数据处理模块的1个输入接口，由数据处理模块记录和处理；在探测器距离选通期间，能量为M/(M+1)的激光组分产生的回波信号经N×N阵元探测模块6探测、数据高速采集模块7采样得到N²个通道的回波信号，分别接入数据处理模块的N²个输入接口，由数据处理模块记录，后期接入地面计算机并运用多路关联检测算法提取淹没在噪声中的微弱信号，反演水体深度数据。控制电路模块的1个输出接口控制扫描模块4的扫描周期和方位，1个输出接口控制激光产生模块1发射激光脉冲，N²个输出接口控制N×N阵元探测模块6开启距离选通。

利用多路关联检测算法从所述回波光信号中反演目标的位置信息的方法包括如下步骤：

S1、设N²个阵元探测模块6输出的回波模拟信号经数据高速采集模块7的N²个高速采集通道采样后输出的回波信号序列为x_i(t)，其中t代表时间，i代表第i个高速采集通道，i＝1,2,…,N²；

S2、以阵元探测模块6上峰值能量最高的阵元为中心，分别与邻域的阵元进行双阵元或三阵元乘法运算，获得中间过程结果R(t)；

S3、对中间过程结果R(t)进行理查德—露森去卷积运算，增强回波关联峰值的信号强度；

S4、通过极大值检测算法以及平均方差函数方法进行回波关联峰值的位置检测，获得目标的位置信息。

实施例3：

一种高灵敏度的点元化阵列关联检测激光测深系统，如图1所示，包括激光产生模块1、激光同步触发监视模块2、发射光学模块3、扫描模块4、接收光学模块5、N×N阵元探测模块6、数据高速采集模块7、综合控制与处理模块8。其中激光产生模块1、发射光学模块3组成激光测深系统的激光发射光源；N×N阵元探测模块6位于接收光学模块5的像方焦面之后，数据高速采集模块7之前，物距变化时激光回波光斑在N×N阵元探测模块6上的弥散斑尺寸固定；所述的综合控制与处理模块8分为平台部分和地面部分，平台上进行控制和存储各个通道的波形，地面部分包括的多路关联检测算法开发成软件包在计算机上运行，用于微弱信号的提取和水体深度的反演。

图2中，接收光学模块5属于物方远心光学系统，包括次镜21、主镜22和光阑23组成，次镜21、主镜22组成卡塞格林光学系统，光阑23位于像方焦面出，N×N阵元探测模块6置于光阑23后的固定位置，使得该位置上激光弥散斑的尺寸与N×N阵元探测模块6的感光面的尺寸相当。

图3中，以N＝3为例介绍阵元间多路关联检测的工作流程的示意图，接收光学模块5将回波光斑的弥散斑透射到N×N阵元探测模块6上，3×3阵元探测模块输出9路回波信号，光斑的中心位于阵元35处。先进行双阵元关联检测，将阵元35分别与邻域的8个阵元两两做多路关联检测处理，输出回波相关峰值信息，根据这8组信号分别反演水体深度信息，计算8个水体深度信息的平均值和涨落；再进行三阵元关联检测计算，以领域三阵元窗口为单位遍历整个像面，3×3阵元探测模块分成四组：阵元31、35、39为第一组，阵元33、35、37为第二组，阵元32、35、38为第三组，阵元34、35、36为第四组，分别对各组数据进行三阵元多路关联检测处理，输出回波相关峰值信息，根据这4组信号分别反演水体深度信息，计算4个水体深度信息的平均值和涨落；根据目标水体地形的空间尺度特性，从双阵元和三阵元关联检测的两组结果中优选一组作为多路关联检测的深度信息输出。

本发明系统的工作流程是：激光产生模块1根据综合控制与处理模块8的控制指令以k Hz重复频率发射窄脉宽的激光脉冲；激光脉冲通过1：M分束器(M>>1，M为实数)，能量为1/(M+1)的部分经激光同步触发监视模块2探测，输出的信号接入数据高速采集模块7进行采样处理后，接入综合控制与处理模块8的一个输入端作为计时起始信号；能量为M/(M+1)的部分经发射光学模块3、扫描模块4向目标发射；目标的反射回的回波光信号经接收光学模块5，到达N×N阵列探测模块6；N×N阵列探测模块6输出N²个通道的信号，分别与数据高速采集模块7的N²个通道的输入端相连并进行采样；采样后N²个通道的输出信号分别接入到综合控制与处理模块8的N²个输入端进行预处理，并采用多路关联检测算法进行目标微弱回波信号的去噪和提取，最终反演出目标的精确位置信息。

利用多路关联检测算法从所述回波光信号中反演目标的位置信息的方法包括如下步骤：

S1、设N²个阵元探测模块6输出的回波模拟信号经数据高速采集模块7的N²个高速采集通道采样后输出的回波信号序列为x_i(t)，其中t代表时间，i代表第i个高速采集通道，i＝1,2,…,N²；

S2、以阵元探测模块6上峰值能量最高的阵元为中心，分别与邻域的阵元进行双阵元或三阵元乘法运算，获得中间过程结果R(t)；

S3、对中间过程结果R(t)进行理查德—露森去卷积运算，增强回波关联峰值的信号强度；

S4、通过极大值检测算法以及平均方差函数方法进行回波关联峰值的位置检测，获得目标的位置信息。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (9)

1.一种高灵敏度的点元化阵列关联检测激光测深系统，其特征在于，包括激光产生模块(1)、激光同步触发监视模块(2)、发射光学模块(3)、扫描模块(4)、接收光学模块(5)、N×N阵元探测模块(6)、数据高速采集模块(7)、综合控制与处理模块(8)；

激光产生模块(1)根据综合控制与处理模块(8)的控制指令发射两束激光脉冲；能量较小的激光脉冲依次经激光脉冲同步触发监视模块(2)、数据高速采集模块(7)后进入综合控制与处理模块(8)作为计时起始信号；能量较大的激光脉冲依次经发射光学模块(3)、扫描模块(4)后向目标发射；目标反射的回波光信号依次经扫描模块(4)、接收光学模块(5)、N×N阵元探测模块(6)、数据高速采集模块(7)进入综合控制与处理模块(8)；

所述综合控制与处理模块(8)利用多路关联检测算法从所述回波光信号中反演目标的位置信息；

所述N×N阵元探测模块(6)采用PMT阵列或者APD阵列；

利用多路关联检测算法从所述回波光信号中反演目标的位置信息的方法包括如下步骤：

S1、设N²个阵元探测模块(6)输出的回波模拟信号经数据高速采集模块(7)的N²个高速采集通道采样后输出的回波信号序列为x_i(t)，其中t代表时间，i代表第i个高速采集通道，i＝1,2,…,N²；

S2、以阵元探测模块(6)上峰值能量最高的阵元为中心，分别与邻域的阵元进行双阵元或三阵元乘法运算，获得中间过程结果R(t)；

S3、对中间过程结果R(t)进行理查德—露森去卷积运算，增强回波关联峰值的信号强度；

S4、通过极大值检测算法和平均方差函数方法进行回波关联峰值的位置检测，获得目标的位置信息。

2.根据权利要求1所述的一种高灵敏度的点元化阵列关联检测激光测深系统，其特征在于，所述激光产生模块(1)包括脉冲激光器和激光分束器，脉冲激光器产生的激光脉冲经激光分束器后分为两束输出。

3.根据权利要求1所述的一种高灵敏度的点元化阵列关联检测激光测深系统，其特征在于，所述激光脉冲的宽度为ns级。

4.根据权利要求2所述的一种高灵敏度的点元化阵列关联检测激光测深系统，其特征在于，所述激光分束器的分光比为1：M，其中M为实数，且M>>1。

5.根据权利要求2所述的一种高灵敏度的点元化阵列关联检测激光测深系统，其特征在于，所述激光分束器采用镜片镀膜的方式实现。

6.根据权利要求1～5之一所述的一种高灵敏度的点元化阵列关联检测激光测深系统，其特征在于，所述数据高速采集模块(7)的通道数大于等于N²+1，其中N²个高速采集通道分别与N²个阵元探测模块(6)的各个探测通道连接，1个高速采集通道与激光同步触发监视模块(2)连接，且每个高速采集通道的采样率不低于1G Sample/s。

7.根据权利要求1～5之一所述的一种高灵敏度的点元化阵列关联检测激光测深系统，其特征在于，所述接收光学模块(5)包括次镜(21)、主镜(22)、光阑(23)，所述次镜(21)、主镜(22)、光阑(23)组成卡塞格林光学系统。

8.根据权利要求1～5之一所述的一种高灵敏度的点元化阵列关联检测激光测深系统，其特征在于，所述接收光学模块(5)将目标反射的回波的弥散斑覆盖N×N阵元探测模块(6)的整个感光面。

9.根据权利要求1～5之一所述的一种高灵敏度的点元化阵列关联检测激光测深系统，其特征在于，所述综合控制与处理模块(8)还用于控制扫描模块(4)的扫描周期和方位、用于控制激光产生模块(1)发射激光脉冲、用于控制激光同步触发监视模块(2)和N×N阵元探测模块(6)开启距离选通。

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