CN113391323B - 小开口级联同步扫描水下激光全周向探测方法 - Google Patents

小开口级联同步扫描水下激光全周向探测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种小开口级联同步扫描水下激光全周向探测方法，首先利用小开口级联同步扫描水下激光全周向探测装置开始扫描并取得回波信号；接着对回波信号进行滤波得到目标信号；最后根据目标信号解算出与目标的距离。本发明实现了水下激光周视扫描透光窗口的小型化，解决了透光窗口面积过大带来的密封问题，避免了透光窗口强度不足导致的整体强度降低，增大了探测装置的空间利用率，减小了扫描盲区。本发明利用光纤通断控制方法以提高扫描激光的能量利用率，提出了自适应后向散射滤除算法可针对不同水质滤除水体后向散射，增大了回波信号的信噪比，提高了对目标的捕获率。

Description

小开口级联同步扫描水下激光全周向探测方法
技术领域
本发明属于水下激光探测领域，具体涉及一种小开口级联同步扫描水下激光全周向探测方法。
背景技术
自上世纪60年代水下蓝绿透光窗口被发现以来，蓝绿激光因其高透过率和低吸收性使水下目标探测系统不再局限于声探测和电磁探测，而使水下激光探测成为了可能。
目前，用于水下目标探测的蓝绿激光技术逐渐趋于成熟，基于该技术应运而生的水下激光雷达、水下激光成像、水下激光通信等技术已经在各个领域发挥重要作用。
水下激光探测技术是采用蓝绿激光作为光源实现对目标的测距、识别和成像。传统的声呐探测相比，激光在水下的传播距离很短，但是声波探测的精确性差、盲区大。激光则具有探测方向好，定位准确的特点，可以直接用于成像技术，对快速探测、目标识别具有重要意义。此外，激光具有高亮度、短脉冲、高准直度等优点，可以有效滤除其他光源造成的光噪声，因此用于水下目标探测时可以获得声呐探测无法取得的探测效果。
水下激光周视扫描装置的工作原理是：发射蓝绿激光束照射目标，接收系统探测目标表面反射回的光波，获得目标的信息。为实现探测器的360°周视探测，目前主流的光路布局主要有多发多收式、单发多收式和单发单收式。
多发多收式，即在探测器周围分布多个激光器和多个接收器，考虑到水下蓝绿激光器功率和体积较大，散热困难，激光器数量不宜过多，故不宜采用此方法。
单发多收式是应用旋转棱镜或激光扫描器实现激光的单光束周向扫描，同时采用多个接收器，分区接收回波信号。该方案由于接收器较多，背景噪声较大，导致有效探测距离缩短。
单发单收式是基于发射器与接收器都固定在电机轴上做同步扫描，该方法不仅可以提高激光发射能量的利用率、减小背景噪声还可以解决多发多收式激光器过多的问题，本发明采用单发单收式探测模式。
上述的水下激光探测器的探测过程，谭亚运提出了一种水下激光近程扫描探测系统设计方案(谭亚运，水下脉冲激光近程周向扫描探测技术研究，南京理工大学，2017)在理想状态下是采用一整块透光环窗作为发射激光和接收目标回波的透光窗口，考虑到扫描装置水下承载压力的能力有限，现有探测方式的透光窗口必须采用加强肋板的提高承载能力，由此带来的问题：如果探测目标为水下高速运动目标，光束发射频率非常高，当相邻两个光束发射角度小于加强肋板的宽度时，会给透光窗口带来较大的盲区。此外在扫描过程中，透光窗口处不能有物品遮挡激光，故不能安装电路板等其他元件，对探测器空间造成了极大的浪费。
与空气中相比，海水激光探测的较大痛点是激光在海水中的后向散射问题，传统的解决办法是采用非同轴光学系统尽量避开后向散射，但在实际操作中仍有较大的后向散射信号被接收。
发明内容
本发明的目的在于提供一种小开口级联同步扫描水下激光全周向探测方法以实现蓝绿激光束在水体环境中的360°全周向探测，并得出到所探测目标的距离信息。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种小开口级联同步扫描水下激光全周向探测方法，步骤如下：
步骤1、利用小开口级联同步扫描水下激光探测器发射蓝绿激光在水下进行探测扫描，当探测到目标时，目标反射激光得到回波光束，探测器收到回波光束产生回波信号x(n)；
步骤2、利用自适应后向散射滤除算法处理回波信号x(n)，得到误差估计信号e(n)，即目标信号；
步骤3、通过飞行时间测距法测出开始脉冲与目标信号之间的时间间隔ΔT，则小开口级联同步扫描水下激光探测器与目标的距离D：
其中cw为水中的光速。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：
(1)采用八片小型透光窗口玻璃，实现了透光窗口的小型化，明显地提高了水下激光探测器的整体强度，避免了透光窗口面积过大造成的探测器空间的浪费，解决了透光窗口面积过大带来的密封问题，避免了加强筋带来的扫描盲区。
(2)本发明中的激光发射与接收采用同步扫描模式，实现装置小型化的同时采用棱锥形反射棱镜，实现了激光在0-90°区间内的往复扫描。此外，配合四个光纤提出了光纤通断控制方法，提高了激光能量利用率。
(3)提出了自适应后向散射滤除算法可针对不同水质滤除水体后向散射，增大了回波信号的信噪比，提高了对目标的捕获率。
(4)本发明采用单个激光发射器通过四个光纤实现激光的全周向扫描，避免了所需激光器过多带来的散热和高空间占用率的问题。
附图说明
图1为本发明小开口级联同步扫描水下激光全周向探测方法的流程图。
图2为本发明小开口级联同步扫描水下激光全周向探测器的控制关系图。
图3本发明小开口级联同步扫描水下激光全周向探测器的结构示意图。
图4是图3的A-A剖视图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
结合图1，一种小开口级联同步扫描水下激光全周向探测方法，步骤如下：
步骤1、利用小开口级联同步扫描水下激光探测器(以下简称探测器)发射蓝绿激光在水下进行探测扫描，当探测到目标时，目标反射激光得到回波光束，探测器收到回波光束产生回波信号。
结合图3和图4，所述探测器包括外壳10、光纤控制模块7、激光发射模块8、主控制模块9、四根光纤6和四组扫描单元，外壳10分为前腔和后腔，光纤控制模块7、激光发射模块8和主控制模块9均设置在后腔内，前腔上开有4个激光接收窗口3和4个激光发射窗口11，窗口通过玻璃实现透光且密封，4个激光接收窗口3呈环形等间隔分布，4个激光发射窗口11呈环形等间隔分布，每个激光接收窗口3正下方对应有一个激光发射窗口11，所述扫描单元包括共轴设置的激光接收模块1、激光接收棱镜2、双出轴电机4、激光发射棱镜5。双出轴电机4的两个输出轴分别连接激光接收棱镜2和激光发射棱镜5，一个激光接收棱镜2位于一个激光接收窗口3中，一个激光发射棱镜5位于一个激光发射窗口11中。光纤控制模块7、激光发射模块8分别与主控制模块9连接，四个扫描单元中的双出轴电机4和激光接收模块1分别与主控制模块9连接，每根光纤6一端连接激光发射模块8，另一端对准一个激光发射棱镜5。
4个激光接收窗口3和4个激光发射窗口11共计采用八片小型透光窗口玻璃，实现了窗口的小型化，明显地提高了水下激光探测器的整体强度，避免了透光窗口面积过大造成的探测器空间的浪费，解决了透光窗口面积过大带来的密封问题，避免了加强筋带来的扫描盲区。
根据扫描单元的布局情况，探测器的探测范围是有限的，目标必须要在发射光束与接收视场的交点，所以存在近端的盲区距离RA和远端的探测截止距离RD。设激光发射中心与激光接收中心距离为d0，激光发射口径为rt，激光接收口径为rr，光束发散半角为θt，接收视场半角为θr，发射光束与电机轴方向夹角为α，接收视场与电机轴方向夹角为β，则：
综上所述，当目标位于探测器的近端盲区距离RA之外，远端探测截止距离RD之内时可以被探测到。
激光接收棱镜2和激光接收棱镜5均为棱锥形，其底面为正多边形，侧面由若干个三角形包围构成。具体参数包括：三角形侧面的个数k、正多边形的边长l(mm)、棱镜倾角α(rad)。本发明涉及的探测器中单个扫描单元的扫描角θ为90°，扫描角度θ与三角形侧面的个数k的关系为：
θ＝2π/k (2)
故k取4，正四边形的边长l、棱镜倾角α需根据激光接收反射镜的结构进行设定，需要保证反射棱镜的反射面能够反射激光发射模块8经光纤6传递过来的准直蓝绿激光束并形成扇形光场，同时扇形光场的角度需要在激光接收反射镜的接收范围内。
光纤控制模块7准确控制四根光纤6的通断，保证激光发射模块8中的单个激光器发出的准直蓝绿激光束只进入一个扫描单元，四组扫描单元有序交替工作实现探测器的360°全周向扫描，减少了激光器所需的最低激光频率，避免了激光能量的浪费。
设双出轴电机4的转动速度为ω，光束持续时间t，则一个扫描单元产生0-90°扫描光场的光束最短持续时间为：
结合图1，为实现激光能量的充分利用，具体的光纤通断控制方法为：扫描开始，四个扫描单元轮流扫描t时间完成360°全周向扫描。因通常探测器与理想待测目标的交会时间很短，仅为1到2秒，即使遇到大型舰艇也不会超过30s，故判断：如某个扫描单元获得长持续回波信号(持续一分钟以上)即认为疑似遇到海底或礁石类的盲区，此时为充分利用激光能量探测非盲区区域，光纤控制模块7控制疑似盲区单元的通光时间为t时间，非盲区单元的通光时间为2t时间。若疑似盲区单元不再收到长连续回波信号认为已经脱离盲区恢复正常通光时间。
结合图2，主控制模块9控制双出轴电机4带动激光接收棱镜2和激光发射棱镜5旋转，此时激光发射模块8发射出准直蓝绿激光束，在光纤控制模块7的作用下通过光纤6把光传递到指定的扫描单元的激光发射棱镜5上通过激光发射窗口11生成90°的扇形扫描光场，四组扫描单元有序交替作用实现装置的360°全周向周视扫描。当目标进入到探测范围后，经目标表面反射产生的回波光束通过激光接收窗口3经激光接收棱镜2反射后进入到激光接收模块1中，随后激光接收模块1将光信号转变为电信号，即回波信号，并将回波信号传输至主控制模块9中。
步骤2、主控制模块9利用自适应后向散射滤除算法处理回波信号x(n)，得到误差估计信号e(n)，即目标信号，具体如下：
其中x(n)为回波信号，M为滤波器阶数，y(n)表示中间函数，W(n)为权系数向量，d(n)为无目标时采集到的参考信号，n表示所收到的回波信号的编号，n的范围为从M开始到收到最后一个回波信号结束，μ为迭代步长。
λ为输入信号自相关矩阵的最大特征值，即输入信号的总功率。在目标出现之前为快速把后向散射信号滤除，迭代步长μ应当大一些，目标出现之后为了获得更好的稳态性能，迭代步长μ应当小一些。故μ表达式如下：
其中，σ为初始参数，a(0＜a＜1)为信号对比度调整参数，a取值越大滤波后的目标信号与后向散射信号的对比度越低，算法收敛速度越快，反之a取值越小滤波后的目标信号与后向散射信号的对比度越高，算法收敛速度越慢。可根据探测器光电探测器对回波信号的灵敏程度选择合适的取值。c0为近海处的海水光衰减系数，c为当前探测海水的光衰减系数。
与传统后向散射滤除算法相比，本发明利用自适应后向散射滤除算法的优点在于：
(1)首次在水下后向散射滤除算法中考虑了不同海水水质对算法的影响。以近海处海水光衰减系数c0为基准，当水质更加浑浊即c＞c0时，后向散射信号的幅值相对近海也会升高，此时σ减小则可以更加突出目标的回波信号，提高信噪比。
(2)与传统变步长算法不同，μmax与σ都可在迭代开始之前得出结果，迭代过程中只需判断目标是否出现(e(n)＜0时，说明目标出现)即可，在保证后向散射滤除效果的同时，加快了算法的收敛速度，减少了算法的复杂度。
步骤3、综合考虑算法复杂度和测距精度，本发明采用飞行时间测距法(Time ofFlight Measurement)获得开始脉冲与目标信号之间的时间间隔ΔT则探测器与目标的距离D为：
其中cw为水中的光速。
飞行时间测距法具体的原理为：主控制模块9在控制激光器发射蓝绿激光束的同时产生一个开始脉冲，等待目标信号到来后采用恒比定时法测出开始脉冲与目标信号之间的时间间隔ΔT。

Claims (6)

1.一种小开口级联同步扫描水下激光全周向探测方法，其特征在于，步骤如下：
步骤1、利用小开口级联同步扫描水下激光探测器发射蓝绿激光在水下进行探测扫描，当探测到目标时，目标反射激光得到回波光束，探测器收到回波光束产生回波信号x(n)；
其中，小开口级联同步扫描水下激光探测器，具体结构如下：
所述小开口级联同步扫描水下激光探测器包括外壳(10)、光纤控制模块(7)、激光发射模块(8)、主控制模块(9)、四根光纤(6)和四组扫描单元，外壳(10)分为前腔和后腔，光纤控制模块(7)、激光发射模块(8)和主控制模块(9)均设置在后腔内，前腔上开有4个激光接收窗口(3)和4个激光发射窗口(11)，窗口通过玻璃实现透光且密封，所述扫描单元包括共轴设置的激光接收模块(1)、激光接收棱镜(2)、双出轴电机(4)、激光发射棱镜(5)；双出轴电机(4)的两个输出轴分别连接激光接收棱镜(2)和激光发射棱镜(5)，一个激光接收棱镜(2)位于一个激光接收窗口(3)中，一个激光发射棱镜(5)位于一个激光发射窗口(11)中；光纤控制模块(7)、激光发射模块(8)分别与主控制模块(9)连接，四个扫描单元中的双出轴电机(4)和激光接收模块(1)分别与主控制模块(9)连接，每根光纤(6)一端连接激光发射模块(8)，另一端对准一个激光发射棱镜(5)；
根据扫描单元的布局情况，探测器的探测范围是有限的，目标必须要在发射光束与接收视场的交点，所以存在近端的盲区距离RA和远端的探测截止距离RD；
设激光发射中心与激光接收中心距离为d0，激光发射口径为rt，激光接收口径为rr，光束发散半角为θt，接收视场半角为θr，发射光束与电机轴方向夹角为α，接收视场与电机轴方向夹角为β，则：
综上所述，当目标位于探测器的近端盲区距离RA之外，远端探测截止距离RD之内时能够被探测到；
步骤2、利用自适应后向散射滤除算法处理回波信号x(n)，得到误差估计信号e(n)，即目标信号，具体如下：
X(n)＝[x(n),x(n-1),...,x(n-M+1)]
y(n)＝WT(n)X(n)
e(n)＝d(n)-y(n)
W(n+1)＝W(n)+μX(n)e(n)
其中x(n)为回波信号，M为滤波器阶数，y(n)表示中间函数，W(n)为权系数向量，d(n)为无目标时采集到的参考信号，n表示所收到的回波信号的编号，n的范围为从M开始到收到最后一个回波信号结束，μ为迭代步长；
λ为输入信号自相关矩阵的最大特征值，即输入信号的总功率；
μ表达式如下：
其中，σ为初始参数，a为信号对比度调整参数，0＜a＜1，c0为近海处的海水光衰减系数，c为当前探测海水的光衰减系数；
步骤3、通过飞行时间测距法测出开始脉冲与目标信号之间的时间间隔ΔT，则小开口级联同步扫描水下激光探测器与目标的距离D：
其中cw为水中的光速。
2.根据权利要求1所述的小开口级联同步扫描水下激光全周向探测方法，其特征在于：4个激光接收窗口(3)呈环形等间隔分布，4个激光发射窗口(11)呈环形等间隔分布，每个激光接收窗口(3)正下方对应有一个激光发射窗口(11)。
3.根据权利要求1所述的小开口级联同步扫描水下激光全周向探测方法，其特征在于：激光接收棱镜(2)和激光接收棱镜(5)均为棱锥形。
4.根据权利要求1所述的小开口级联同步扫描水下激光全周向探测方法，其特征在于：光纤控制模块(7)准确控制四根光纤(6)的通断，保证激光发射模块(8)中的单个激光器发出的准直蓝绿激光束只进入一个扫描单元，四组扫描单元有序交替工作实现探测器的360°全周向扫描，减少了激光器所需的最低激光频率，避免了激光能量的浪费。
5.根据权利要求1所述的小开口级联同步扫描水下激光全周向探测方法，其特征在于：主控制模块(9)控制双出轴电机(4)带动激光接收棱镜(2)和激光发射棱镜(5)旋转，此时激光发射模块(8)发射出准直蓝绿激光束，在光纤控制模块(7)的作用下通过光纤(6)把光传递到指定的扫描单元的激光发射棱镜(5)上通过激光发射窗口(11)生成90°的扇形扫描光场，四组扫描单元有序交替作用实现装置的360°全周向周视扫描；
当目标进入到探测范围后，经目标表面反射产生的回波光束通过激光接收窗口(3)经激光接收棱镜(2)反射后进入到激光接收模块(1)中，随后激光接收模块(1)将光信号转变为电信号，即回波信号，并将回波信号传输至主控制模块(9)中。
6.根据权利要求1所述的小开口级联同步扫描水下激光全周向探测方法，其特征在于，步骤3中，飞行时间测距法具体如下：小开口级联同步扫描水下激光探测器发射蓝绿激光束的同时产生一个开始脉冲，等待目标信号到来后采用恒比定时法测出开始脉冲与目标信号之间的时间间隔ΔT。
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