CN112505717B - 一种基于频域反射的水下多目标测距雷达系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于频域反射的水下测距雷达系统，包括发射端，接收端和计算机；发射端包括，激光器，调制器，信号发生器；接收端包括，聚焦透镜，探测器，锁相放大器；激光器与调制器连接；信号发生器与调制器和所述锁相放大器连接；调制器、聚焦透镜、探测器、锁相放大器和计算机依次连接。本发明通过发射线性调频的激光，射频源与回波信号输入锁相放大器得到回波的频域响应，再对频域响应做傅里叶逆变换得到多个被测目标在水中的位置和距离，同时通过插零提高探测精度，得到水下被测目标的高精度位置信息，能够应用在水下探测雷达中。

Description

一种基于频域反射的水下多目标测距雷达系统
技术领域
本发明涉及水下雷达领域，尤其涉及到一种基于频域反射的水下测距雷达系统。
背景技术
在海洋的探测和开发过程中，水下测距雷达在海洋工程的建设及检修、海洋生态观测、海底飞机和沉船残骸的打捞、水下探雷探潜等方面都有重要的应用。而声呐的体积较大、受温度影响较大，因此在浅水区常使用蓝绿光激光雷达。
而现有的水下激光雷达在不进行空间扫描的情况下无法同时得到不止一个的目标信息。相反地，探测器接收到多个目标的回波会造成探测的不准确。此外，现有水下激光雷达中，探测精度局限于硬件设备的带宽。
激光雷达在海洋中发射激光照射物体，并接收回波，由此得到物体的距离信息，因此现在需要提供一种基于频域反射的水下多目标测距雷达，探测精度可通过数据处理提高而不仅仅依赖带宽。
发明内容
本发明目的是提供一种基于频域反射的水下测距雷达系统，通过发射线性调频的激光，射频源与回波信号输入锁相放大器得到回波的频域响应，再对频域响应逆傅里叶变换得到多个被测目标在水中的距离，同时通过插零提高探测精度，得到水下被测目标的高精度位置信息，能够应用在水下探测雷达中。
本发明提供一种基于频域反射的水下测距雷达系统，包括:
发射端，接收端和计算机；
所述发射端包括，激光器、调制器、信号发生器；
所述接收端包括，聚焦透镜、探测器、锁相放大器；
所述激光器与所述调制器连接；
所述信号发生器分别与所述调制器和所述锁相放大器连接；
所述调制器、聚焦透镜、探测器、锁相放大器和所述计算机依次连接。
优选的，所述激光器为蓝绿光激光器，用于产生直流信号，将直流信号传送给所述调制器，所述信号发生器用于产生信号波。
优选的，所述调制器为电光调制器，用于通过所述信号波对直流信号进行强度调制，控制直流信号的调制频率，生成高频正弦波强度调制信号，所述高频正弦波强度调制信号碰到被测目标后反射回波信号，所述回波信号通过所述聚焦透镜接收。
优选的，所述信号发生器将高频正弦波强度调制信号作为本振信号，将本振信号发送至所述锁相放大器。
优选的，所述聚焦透镜用于将所述回波信号聚焦在所述探测器的光敏面上。
优选的，所述聚焦透镜为平凸透镜，所述光敏面为硅平面。
优选的，锁相放大器型号SR830是一种双相DSP锁相放大器，所述锁相放大器用于接收所述探测器光敏面上接收的回波信号，提取回波信号和本振信号频率相同的部分，得到一组频域响应信号数据，并将频域响应信号数据发送至所述计算机。
优选的，所述计算机对频域响应信号数据做数据处理和傅里叶逆变换，得到被测目标在水中的距离和被测目标的位置信息。
优选的，所述数据处理采用在频域响应信号数据中插零的方法。
优选的，所述计算机用于显示被测目标在水中的位置信息。
本发明公开了以下技术效果：
(1)本发明在只有一个激光器且在不扫描的情况下，发射高频正弦波强度调制信号，通过锁相放大器能够同时探测到所有物体的位置，接收多个目标的回波信号，且不会因为有多个物体而影响探测精度；
(2)本发明通过对计算机中进行数据处理时的频域数据插零和傅里叶逆变换，有效提高了雷达系统的探测精度，而不仅仅局限于硬件设备的带宽；
(3)本发明由信号发生器进行频率步进，能够在多个不同频率下探测目标，而探测目标的距离和目标的空间分辨率之间不再存在矛盾，也不存在模糊距离的问题。
附图说明
图1为本发明的系统框架图；
图2为锁相放大器接收信号示意图；
图3为计算机处理的傅里叶逆变换求目标延时示意图。
具体实施方式
下面将结合本实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参照图1-3所示，本发明提供一种基于频域反射的水下测距雷达系统，包括发射端，接收端和计算机；
所述发射端包括，激光器、调制器、信号发生器；
所述接收端包括，聚焦透镜、探测器、锁相放大器；
所述激光器与所述调制器连接；
所述信号发生器分别与所述调制器和所述锁相放大器连接；
所述调制器、聚焦透镜、探测器、锁相放大器和所述计算机依次连接；
所述激光器为波长532nm的蓝绿光激光器，用于产生连续光，通过信号发生器控制调制器将连续光转换成大于100MHz的直流信号，所述信号发生器用于产生信号波；
所述调制器为电光调制器，通过信号波对直流信号改变调制频率进行强度调制，得到高频正弦波强度调制信号，高频正弦波调制信号对海水中的散射进行抑制，通过高频正弦波强度调制信号向水下发射步进信号，当高频正弦波强度调制信号碰到被测目标后反射回波信号，将所述回波信号通过所述聚焦透镜接收；
所述信号发生器将高频正弦波强度调制信号作为本振信号，并将本振信号发送至锁相放大器，所述锁相放大器只响应与该本振信号频率相同的信号；
所述聚焦透镜用于将所述回波信号聚焦在所述探测器的光敏面上，所述聚焦透镜为平凸透镜能高透532nm的光，聚焦之后的回波信号噪声高，将回波信号聚焦在一起全部被探测器光敏面接收，所述探测器增强了探测的信号，且更准确，将探测器的光敏面上接收的回波信号发送至锁相放大器，所述光敏面为硅平面；
所述锁相放大器型号SR830是一种双相DSP锁相放大器，用于接收所述探测器光敏面上的回波信号，所述锁相放大器只响应回波信号与本振信号频率或相位相同的信号，从而抑制回波信号中的噪声，提高探测信噪比，回波信号是一个不太标准的正弦波，通过与本振信号对比，得到不同目标的幅度和相位信息，即相位差，且通过幅度和相位信息间接求得延时信息；
所述锁相放大器的核心器件是相敏检波器，回波信号在相敏检波器中与本振信号混频，经低通滤波器后得到与回波信号幅值成比例的直流输出分量，而回波信号中只有与本振信号同频率的成分能够达到最大的直流输出，因此得到回波信号中与本振信号频率相同的部分，所述相同的部分为携带目标的位置信息的目标反射信号，从而实现在噪声中提取目标信息的回波信号，在不进行空间扫描的情况下，同时得到多个目标信息的回波信号，对回波信号插零，从而得到了一组频域响应信号数据，实现在噪声中把回波信号提取出来，将得到的一组频域响应信号数据发送至计算机；
所述计算机对频域响应信号数据做数据处理和傅里叶逆变换，得到延时曲线中的峰值；
所述傅里叶逆变换得到的延时曲线中的峰值即为目标的延时信息，有几个峰，就代表探测光路上有几个物体；每个峰值对应的延时就代表不同物体的延时信息，得到目标延时信息从而得到目标的位置信息；
所述在数据处理过程中，通过在频域响应信号数据中插零，在不改变频率带宽的条件下，提高探测的精度，计算频率与相位差的曲线从而计算不同目标的距离，在一定限度内对频域响应信号数据插零越多，精度提升越大，因为频域插零就代表时域压缩，在时域上就更准确，相应得到的目标位置信息就更准；
所述计算机通过做数据处理和傅里叶逆变换后得到了被测目标在水中的精确距离和水下多目标的高精度位置信息。
具体一种基于频域反射的水下测距雷达系统实施方式如下：
S1：通过波长532nm的蓝绿光激光器产生直流信号，分别为电光调制器提供直流信号，信号发生器产生一种信号波，并将一种基于频域反射的水下多目标测距雷达系统一直处于工作状态下；
S2：调制器通过信号波对直流信号进行强度调制，得到高频正弦波强度调制信号，所述高频正弦波强度调制信号，在水中碰到多个被测目标后反射回波信号，将反射回的回波信号发送至探测器光敏面上；
S3：所述信号发生器将高频正弦波强度调制信号作为本振信号，将本振信号发送至型号为SR830的双相DSP锁相放大器；
S4：将探测器光敏面上的回波信号发送至锁相放大器；
S5：通过锁相放大器提取回波信号与本振信号频率相同的部分，回波信号与本振信号相比得到不同目标的幅度和相位信息，通过幅度和相位信息得到了不同目标的延时信息，通过锁相放大器在噪声中提取目标反射信号，在不进行空间扫描的情况下，同时得到不止一个目标信息，且对接收到多个目标的回波信号延时信息提高准确性，从而得到了一组频域响应信号数据，如图2，提高探测的信噪比，将得到的一组频域响应信号数据发送至计算机；
S6：所述频域响应信号数据通过计算机做傅里叶逆变换，所述傅里叶逆变换得到的延时曲线中的峰值，如图3，峰值即为目标的延时信息，有几个峰，就代表探测光路上有几个物体；每个峰值对应的延时就代表不同物体的延时信息，得到目标延时信息从而得到目标的位置信息；
S7：频域响应信号数据通过计算机做数据处理，通过在频域响应信号数据中插零，在不改变频率带宽的条件下，提高探测的精度，在一定限度内，插零越多，精度提升越大，最后得到了被测目标在水中的精确距离和水下被测目标的高精度位置信息。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (5)

1.一种基于频域反射的水下测距雷达系统，其特征在于，包括：发射端，接收端和计算机；
所述发射端包括，激光器、调制器、信号发生器；
所述接收端包括，聚焦透镜、探测器、锁相放大器；
所述激光器与所述调制器连接；
所述信号发生器分别与所述调制器和所述锁相放大器连接；
所述调制器、聚焦透镜、探测器、锁相放大器和所述计算机依次连接；
所述激光器为蓝绿光激光器，用于产生直流信号，将直流信号传送给所述调制器，所述信号发生器用于产生信号波，由信号发生器进行频率步进，能够在多个不同频率下探测目标；
所述调制器为电光调制器，用于通过所述信号波对直流信号进行强度调制，控制直流信号的调制频率，生成高频正弦波强度调制信号，所述高频正弦波强度调制信号碰到被测目标后反射回波信号，所述回波信号通过所述聚焦透镜接收；
所述信号发生器将高频正弦波强度调制信号作为本振信号，将本振信号发送至所述锁相放大器；
锁相放大器型号SR830是一种双相DSP锁相放大器，所述锁相放大器用于接收所述探测器光敏面上接收的回波信号，提取回波信号和本振信号频率相同的部分，得到一组频域响应信号数据，并将频域响应信号数据发送至所述计算机；
所述计算机对频域响应信号数据做数据处理和傅里叶逆变换，得到被测目标在水中的距离和被测目标的位置信息。
2.根据权利要求1所述的基于频域反射的水下测距雷达系统，其特征在于，所述聚焦透镜用于将所述回波信号聚焦在所述探测器的光敏面上。
3.根据权利要求2所述的基于频域反射的水下测距雷达系统，其特征在于，所述聚焦透镜为平凸透镜，所述光敏面为硅平面。
4.根据权利要求1所述的基于频域反射的水下测距雷达系统，其特征在于，所述数据处理采用在频域响应信号数据中插零的方法。
5.根据权利要求1所述的基于频域反射的水下测距雷达系统，其特征在于，所述计算机用于显示被测目标在水中的位置信息。
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