CN112859044B - 一种基于涡旋光的水下激光雷达系统 - Google Patents

一种基于涡旋光的水下激光雷达系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种所述系统包括：发射端、接收端和计算机，其中发射端包括：激光器、信号发生器和电光调制器；接收端包括：缩束透镜组、螺旋相位板、不透明元件、滤光片、探测器和示波器；激光器、电光调制器、缩束透镜组、螺旋相位板、不透明元件、滤光片、探测器、示波器、计算机依次连接；信号发生器分别与电光调制器、示波器连接。本发明通过缩束透镜组提高了探测的信号强度，增加探测的信噪比，通过螺旋相位板将目标反射光转换为涡旋光，再结合不透明元件减少了探测器对于涡旋中心的散射光的接收，通过滤光片进一步减少了散射光的接收，提升了探测的精度。

Description

一种基于涡旋光的水下激光雷达系统
技术领域
本发明涉及水下雷达领域，特别是涉及一种基于涡旋光的水下激光雷达系统。
背景技术
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、无法在水上传播，因此在浅水区常使用蓝绿光激光雷达。
现有的激光雷达的准确性受海水散射限制严重。后向散射光可由脉冲光源和距离门探测器组合进行抑制，超过100MHz调制频率的连续光对后向散射也有明显效果。而前向散射光仍然是探测雷达的主要制约因素。
激光探测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。而散射光携带错误的距离信息，因此现在提高一种基于涡旋光的水下连续光雷达系统，抑制前向散射光，提高雷达的探测精度。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于涡旋光的水下激光雷达系统，以解决上述现有技术存在的问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供一种基于涡旋光的水下激光雷达系统，其特征在于所述系统包括：发射端、接收端和计算机，其中，
所述发射端包括：激光器、信号发生器和电光调制器；
所述接收端包括：缩束透镜组、螺旋相位板、不透明元件、滤光片、探测器和示波器；
所述激光器为蓝绿光激光器，波长为532nm，用于产生高斯光，并将所述高斯光发射到电光调制器，所述高斯光为直流光；
所述信号发生器用于产生信号波并发送给电光调制器；
所述电光调制器用于调制信号后进行发射，所述电光调制器通过信号波对上述激光器产生的所述直流光进行调制，得到调制光，并将所述调制光向水下发射，所述调制光碰到被测目标后反射回来得到目标反射光，其中所述调制光的为光强呈高频正弦波形式的光回波信号；
所述缩束透镜组用于接收所述目标反射光并将其进行缩束；
所述螺旋相位板用于将缩束的目标反射光转换为涡旋光；
所述不透明元件用于剔除目标反射光中心的散射光；
所述滤光片为532nm窄带滤光片，用于过滤除532nm波段之外的光；
所述探测器为光电倍增管探测器PMT，用于接收光并转换成电信号，再将所述电信号放大发送给示波器，所述电信号为回波信号；
所述示波器用于接收所述信号发生器发出的参考信号和所述探测器的回波信号，再将所述参考信号和所述回波信号的波形发送至计算机进行计算；
所述计算机用于计算距离；所述激光器、所述电光调制器、所述缩束透镜组、所述螺旋相位板、所述不透明元件、所述滤光片、所述探测器、所述示波器、所述计算机依次连接；
所述信号发生器分别与电光调制器、示波器连接。
进一步地，所述高频正弦波调制信号的频率为大于100MHz。
进一步地，所述信号发生器还用于将所述高频正弦波调制信号作为参考信号发送到示波器。
进一步地，其中所述缩束透镜组由两个透镜组成，所述两个透镜共轴共焦点，呈并列状，靠近反射光一端的透镜为第一透镜，远离反射光一端的透镜为第二透镜，所述第一透镜的直径大于所述第二透镜的直径，所述第二透镜的焦距小于所述第一透镜，所述透镜上均为532nm高透的平凸透镜。
进一步地，所述涡旋光的形成会使反射光呈圆环状，则圆心处的光全部为散射光。
进一步地，所述螺旋相位板为玻璃元件。
进一步地，所述不透明元件为中心镀黑漆的532nm高透玻璃片，所述黑漆的直径和涡旋光的空心直径相同，所述空心即为涡旋中心。
进一步地，所述示波器为高速高带宽示波器。
进一步地，所述计算机的测距方法为：
通过互相关计算参考信号和回波信号的相位差，再由所述相位差计算时间差，从而得到相对于参考信号的距离信息。
本发明公开了以下技术效果：
本发明通过缩束透镜组将因散射而发散的目标反射光接收并缩束，提高探测的信号强度，增加探测的信噪比，再将进行缩束的目标反射光经过螺旋相位板转换为涡旋光，配合不透明元件，减少了探测器对于散射光的接收，提升了探测的精度，再进入探测器之前，用滤光片对目标反射光进行滤波，进一步减少了探测器对散射光的接收、提升了探测的精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的系统框架图；
图2为使用涡旋光抑制散射示意图；
图3为连续光相位差求距离示意图。
具体实施方式
现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。
应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。
除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所属领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。
在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见得的。本申请说明书和实施例仅是示例性的。
关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
本发明中所述的“份”如无特别说明，均按质量份计。
实施例1
参照图1-3所示，本发明提供一种基于涡旋光的水下激光测距雷达系统，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，缩束透镜组、螺旋相位板、不透明遮光元件、滤光片、探测器、示波器；
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示波器连接；
所述激光器、缩束透镜组、螺旋相位板、不透明遮光元件、滤光片、探测器、示波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的射频调制信号，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光强进行强度调制，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，回波信号被缩束透镜组接收。
所述信号发生器将射频正弦波强度调制信号作为参考信号，并将参考信号发送到示波器。
所述缩束透镜组由两个透镜组成，将散射后的回波缩束。所述两个透镜共轴共焦点，呈并列状，靠近反射光一端的透镜为第一透镜，远离反射光一端的透镜为第二透镜，所述第一透镜的直径大于所述第二透镜的直径，所述第二透镜的焦距小于所述第一透镜，两个透镜均为532nm高透的平凸透镜，先是聚焦再发散，两个透镜有一个重合的焦点。通过缩束透镜组将因散射而发散的回波接收，提高探测的信号强度，增加探测的信噪比，其中所述532nm为透镜上的镀膜，可让透镜对532nm的光高透过率，减少损耗。
所述螺旋相位板是一种玻璃元件，通过螺旋相位板的高斯光可以转换为涡旋光，涡旋光具有螺旋形的波前，在圆心处为相位奇点，光强为零，又称为暗中空光束。涡旋光束的形成对空间相干性有要求，只有保留空间相干性的目标反射光可以转换为涡旋光，而散射光在水中多次碰撞后失去空间相干性，维持原有状态不变。
所述不透明元件为在532nm高透的玻璃片的中心镀黑漆，黑漆的直径和涡旋光的空心直径相同，可以将分布在涡旋中心的散射光全部遮挡，从而减少探测器对散射光的接收，但是不影响分布在涡旋上的目标反射光的接收。
所述滤光片为532nm窄带滤光片，只保留532nm的波段，其他波长的光是环境杂光，被滤除无法进入探测器。
所述探测器为PMT，接收回波并放大，将回波的光信号进行模数转换，转换为电信号，得到光强随时间变化的额曲线并发送给示波器。
所述示波器为高速高带宽示波器，接收信号发生器发出的参考信号和探测器接收的回波信号，再通过U盘将两个信号波形发送至计算机进行计算。
所述计算机内由相位测距方法计算距离，是通过互相关计算参考信号和回波信号的相位差，再由相位差计算时间差，从而得到相对于参考信号的距离信息。
实施例2
信号发生器产生射频正弦波信号发送给电光调制器，电光调制器将532nm的直流光信号调制为射频强度调制信号。激光器发出的射频强度调制的高斯光照射水中的物体，在水中被吸收和散射。在散射的作用下，回波扩散，被缩束光学透镜组接收并压缩。缩束后的光通过螺旋相位板，其中保留有空间相干性的目标反射光可以被转换为暗中空的涡旋光，而在水中多次碰撞而失去空间相干性的散射光则保持原有状态。从而，分布在空心的涡旋光中心的只有散射光。由不透明元件遮住这部分光，可以阻止这部分光被接收，而对涡旋上的目标反射光没有影响。光在进入探测器之前经过532nm的窄带滤光片，将环境光滤除。探测器接收回波，发送到示波器。
示波器接收到信号发生器发出的参考波和探测器接收的回波，二者的相位差即与光传播的距离有关，携带目标的位置信息。将示波器接收到的波形信息传递给计算机来计算。
在计算机中，通过互相关求出两波型的相位差信息，这一相位差即可求出距离。
此外，在探测时要先将目标放在水缸的窗口附近，在此时计算相位差及距离，作为基准。之后将目标放置在水缸中，求出的距离信息减去基准的距离信息，为目标实际的位置。
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 (9)

1.一种基于涡旋光的水下激光雷达系统，其特征在于：所述系统包括：发射端、接收端和计算机，其中，
所述发射端包括：激光器、信号发生器和电光调制器；
所述接收端包括：缩束透镜组、螺旋相位板、不透明元件、滤光片、探测器和示波器；
所述激光器为蓝绿光激光器，波长为532nm，用于产生高斯光，并将所述高斯光发射到电光调制器，所述高斯光为直流光；
所述信号发生器用于产生信号波并发送给电光调制器；
所述电光调制器用于调制信号后进行发射，所述电光调制器通过信号波对上述激光器产生的所述直流光进行调制，得到调制光，并将所述调制光向水下发射，所述调制光碰到被测目标后反射回来得到目标反射光，其中所述调制光的光强呈高频正弦波形式；
所述缩束透镜组用于接收所述目标反射光并将其进行缩束；
所述螺旋相位板用于将缩束的目标反射光转换为涡旋光；
所述不透明元件用于剔除目标反射光中心的散射光；
所述滤光片为532nm窄带滤光片，用于过滤除532nm波段之外的光；
所述探测器为光电倍增管探测器PMT，用于接收光并转换成电信号，再将所述电信号放大发送给示波器，所述电信号为回波信号；
所述示波器用于接收所述信号发生器发出的参考信号和所述探测器的回波信号，再将所述参考信号和所述回波信号的波形发送至计算机进行计算；
所述计算机用于计算距离；
所述信号发生器分别与电光调制器、示波器连接。
2.根据权利要求1所述的基于涡旋光的水下激光雷达系统，其特征在于：所述信号发生器产生高频正弦波调制信号，所述高频正弦波调制信号的频率为大于100MHz。
3.根据权利要求1所述的基于涡旋光的水下激光雷达系统，其特征在于：所述信号发生器产生高频正弦波调制信号，所述信号发生器还用于将所述高频正弦波调制信号作为参考信号发送到示波器。
4.根据权利要求1所述的基于涡旋光的水下激光雷达系统，其特征在于：其中所述缩束透镜组由两个透镜组成，所述两个透镜共轴共焦点，呈并列状，靠近反射光一端的透镜为第一透镜，远离反射光一端的透镜为第二透镜，所述第一透镜的直径大于所述第二透镜的直径，所述第二透镜的焦距小于所述第一透镜，所述第一透镜和所述第二透镜均为532nm高透的平凸透镜。
5.根据权利要求1所述的基于涡旋光的水下激光雷达系统，其特征在于：所述涡旋光的形成会使反射光呈圆环状，则圆心处的光全部为散射光。
6.根据权利要求5所述的基于涡旋光的水下激光雷达系统，其特征在于：所述螺旋相位板为玻璃元件。
7.根据权利要求1所述的基于涡旋光的水下激光雷达系统，其特征在于：所述不透明元件为中心镀黑漆的532nm高透玻璃片，所述黑漆的直径和涡旋光的空心直径相同，所述空心即为涡旋中心。
8.根据权利要求1所述的基于涡旋光的水下激光雷达系统，其特征在于：所述示波器为高速高带宽示波器。
9.根据权利要求1所述的基于涡旋光的水下激光雷达系统，其特征在于：所述计算机的测距方法为：通过互相关计算参考信号和回波信号的相位差，再由所述相位差计算时间差，从而得到相对于参考信号的距离信息。
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