CN114924255A - 基于编码脉冲的水体激光雷达及编码脉冲激光生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于编码脉冲的水体激光雷达及编码脉冲激光生成方法，通过调制方式或物理方式的编码脉冲激光转换装置将连续激光或脉冲激光转换为适用于水体和目标探测的蓝绿波段编码脉冲激光；采用调制方式时提高出射激光的平均发射功率，通过对激光脉冲进行编码产生编码相关增益，去除背景噪声，提高系统信噪比，从而实现脉冲激光雷达的长距离和弱信号目标探测，同时由于连续激光器器件成熟，可供选择的波段比较多，适用性更广，能够满足不同水体场景的探测需求；采用物理方式时对激光脉冲进行编码生成两路编码脉冲激光，与单重复脉冲激光雷达系统相比，不仅可以提高系统信噪比，还能够增加探测维度和范围，减小探测等待时间，提高探测效率。

Description

基于编码脉冲的水体激光雷达及编码脉冲激光生成方法

技术领域

本发明涉及激光雷达技术领域，尤其涉及一种基于编码脉冲的水体激光雷达及编码脉冲激光生成方法。

背景技术

蓝绿波段激光相比于其他波段的可见光在水体中吸收系数最小，是水体激光雷达探测的窗口。激光雷达使用连续激光或者脉冲激光进行探测。连续激光器器件成熟，可获得高平均功率激光，且可供选择的波长较多，但是，通过连续波调频等技术获得距离分辨率，在可见光波段难以实现，技术复杂。而脉冲激光雷达可以获得距离信息，但现有的单重复脉冲蓝绿波段激光雷达脉冲重复频率低，平均功率低，无法实现在水体中的长距离探测。

实现激光雷达在水体中的长距离探测，一是要求激光器平均功率高，二是要求激光是脉冲光，但是现有技术在蓝绿波段二者无法同时满足。

发明内容

本发明在于克服现有技术的不足，提供一种基于编码脉冲的水体激光雷达及编码脉冲激光生成方法，激光源选用高功率连续激光器或高重复频率脉冲激光器，采用调制的编码脉冲转换方法将连续激光转换为编码脉冲激光，不仅可提高蓝绿波段脉冲激光的平均发射功率，而且通过对脉冲激光进行编码产生编码相关增益，去除背景噪声，提高系统信噪比，从而实现水体脉冲激光雷达的长距离和弱信号目标探测，同时由于连续激光器器件成熟，可供选择的波段比较多，适用性更广，能够满足不同水体场景的探测需求。此外，采用物理的编码脉冲转换方法时，激光源可选用高功率连续激光器或高重复频率脉冲激光器，通过物理的编码脉冲激光转换装置对激光脉冲进行编码生成两路编码脉冲激光，与单重复脉冲激光雷达系统相比，不仅可以提高系统信噪比，还能够增加探测维度和范围，减小探测等待时间，提高探测效率。

本发明采用如下技术方案：

一方面，一种基于编码脉冲的水体激光雷达，包括：高功率激光器、编码脉冲激光转换装置、准直耦合器、收发望远镜模块、滤波器、探测器、采集模块和计算模块；

所述编码脉冲激光转换装置将所述高功率激光器产生的高功率激光转换为编码脉冲激光，所述编码脉冲激光经准直耦合器耦合入光纤后经收发望远镜模块中的发射望远镜入射到水体中；出射激光与水体相互作用产生的回波信号经收发望远镜模块中的接收望远镜接收，回波信号通过滤波器滤波之后进入探测器，探测器将该回波光信号转换成电信号；电信号由采集模块采集，采集的数字信号通过计算模块处理后反演获得水体和目标探测信息。

优选的，所述编码脉冲激光转换装置将高功率连续激光转换为编码脉冲激光的方式为调制方式；所述编码脉冲激光转换装置包括光调制器和编码波形发生装置；所述高功率激光器为近红外波段高功率连续激光器；所述水体激光雷达还包括倍频器；

所述近红外波段高功率连续激光器产生近红外波段高功率连续激光，编码波形发生装置驱动光调制器将近红外波段连续激光调制为编码脉冲激光，编码脉冲激光进入倍频器二倍频后产生适用于水体探测的蓝绿波段编码脉冲激光；

所述编码波形发生装置包括编码发生器和波形发生器；所述编码发生器产生单极性Golay互补码序列，并驱动所述波形发生器产生单极性Golay互补码序列脉冲波形；所述波形发生器驱动光调制器将近红外波段高功率连续激光调制为Golay编码脉冲激光。

优选的，所述编码脉冲激光转换装置将高功率激光转换为编码脉冲激光的方式为物理方式；所述高功率激光器为蓝绿波段高功率连续激光器；所述编码脉冲激光转换装置包括两路编码脉冲激光转换装置；所述准直耦合器包括第一准直耦合器和第二准直耦合器；所述收发望远镜模块包括第一收发望远镜模块和第二收发望远镜模块；所述滤波器包括第一滤波器和第二滤波器；所述探测器包括第一探测器和第二探测器；所述采集模块为多路采集模块；所述水体激光雷达还包括聚焦系统；

所述蓝绿波段高功率连续激光器产生的蓝绿波段高功率连续激光通过聚焦系统聚焦后生成的聚焦光束，经两路编码脉冲激光转换装置转换为两路编码脉冲激光，分别为第一路空间脉冲激光和第二路空间脉冲激光；第一路空间脉冲激光经第一准直耦合器耦合入光纤，通过第一收发望远镜模块中的发射望远镜入射到水体中；第二路空间脉冲激光经第二准直耦合器耦合入光纤，通过第二收发望远镜模块中的发射望远镜入射到水体中；

第一路激光与水体相互作用产生的第一路回波信号通过第一收发望远镜模块中的接收望远镜接收，第二路激光与水体相互作用产生的第二路回波信号通过第二收发望远镜模块中的接收望远镜接收；所述第一路回波信号经第一滤波器滤波之后进入第一探测器，所述第二路回波信号经第二滤波器滤波之后进入第二探测器，所述第一探测器用于将第一路回波信号转换成第一路电信号，所述第二探测器用于将第二路回波信号转换成第二路电信号，所述多路采集模块采集第一路电信号和第二路电信号并通过计算模块进行处理后反演获得水体和目标探测信息。

优选的，所述编码脉冲激光转换装置将高功率激光转换为编码脉冲激光的方式为物理方式；所述高功率激光器为蓝绿波段高重复频率脉冲激光器；所述编码脉冲激光转换装置包括两路编码脉冲激光转换装置；所述准直耦合器包括第一准直耦合器和第二准直耦合器；所述收发望远镜模块包括第一收发望远镜模块和第二收发望远镜模块；所述滤波器包括第一滤波器和第二滤波器；所述探测器包括第一探测器和第二探测器；所述采集模块为多路采集模块；所述水体激光雷达还包括聚焦系统；所述水体激光雷达还包括频率同步装置；

所述蓝绿波段高重复频率脉冲激光器产生的蓝绿波段高重复频率脉冲激光通过聚焦系统聚焦后生成的聚焦光束，经两路编码脉冲激光转换装置转换为两路编码脉冲激光，分别为第一路空间脉冲激光和第二路空间脉冲激光；频率同步装置控制蓝绿波段高重复频率脉冲激光器的脉冲重复频率为编码脉冲转换装置的脉冲编码频率的整数倍；第一路空间脉冲激光经第一准直耦合器耦合入光纤，通过第一收发望远镜模块中的发射望远镜入射到水体中；第二路空间脉冲激光经第二准直耦合器耦合入光纤，通过第二收发望远镜模块中的发射望远镜入射到水体中；

第一路激光与水体相互作用产生的第一路回波信号通过第一收发望远镜模块中的接收望远镜接收，第二路激光与水体相互作用产生的第二路回波信号通过第二收发望远镜模块中的接收望远镜接收；所述第一路回波信号经第一滤波器滤波之后进入第一探测器，所述第二路回波信号经第二滤波器滤波之后进入第二探测器，所述第一探测器用于将第一路回波信号转换成第一路电信号，所述第二探测器用于将第二路回波信号转换成第二路电信号，所述多路采集模块采集第一路电信号和第二路电信号并通过计算模块进行处理后反演获得水体和目标探测信息。

优选的，所述两路编码脉冲激光转换装置包括高速电机、编码转盘、分路转盘、和同步转轴；所述编码转盘按两组相同的Golay互补码序列各4个码组交替排列在圆盘上打孔；所述分路转盘按编码转盘的8个码组圆孔所对应的拱形区域交替透过编码脉冲激光和反射编码脉冲激光；所述的高速电机通过同步转轴和夹具固定编码转盘；所述同步转轴连接高速电机、编码转盘和分路转盘，高速电机通过同步转轴带动编码转盘和分路转盘同步转动，编码转盘与同步转轴垂直，分路转盘与同步转轴成45度角，以使编码转盘和分路转盘对应的8个扇区转动时在水平方向上的投影一直保持重叠；所述分路转盘通过挖空区域和反射区域将编码转盘产生的编码脉冲激光分成两路，挖空区域透过第一组编码脉冲激光产生第一路编码脉冲激光，反射区域反射第二组编码脉冲激光产生第二路编码脉冲激光。

优选的，所述编码转盘的直径dt的获取公式如下：

dt＝{[N*dr+(N-1)d]/1000+dc}*8/π+2*dw

所述编码转盘(162)的激光脉冲持续时间pt的获取公式如下：

pt＝1/Rd/60/{[N*dr+(N-1)d]/1000+dc)*8}*1000*dr/1000000000

其中，Rd表示转速；N表示Golay码组长度；dr表示圆孔直径；d表示圆孔间距；dc表示码组间距；dw表示圆孔中心与转盘边沿的距离。

优选的，所述聚焦系统包括准直镜和聚焦镜，聚焦光斑直径为10-50μm。

第二方面，一种编码脉冲激光生成方法，包括：

近红外波段高功率连续激光器产生近红外波段高功率连续激光；

由编码发生器和波形发生器组成的编码波形发生装置驱动光调制器将近红外波段连续激光调制为编码脉冲激光；

具体的，所述编码发生器产生单极性Golay互补码序列，并驱动所述波形发生器产生单极性Golay互补码序列脉冲波形；所述波形发生器驱动光调制器将近红外波段高功率连续激光调制为Golay编码脉冲激光。

第三方面，一种编码脉冲激光生成方法，包括：

蓝绿波段高功率连续激光器产生的蓝绿波段高功率连续激光通过聚焦系统聚焦后生成聚焦光束，经两路编码脉冲激光转换装置转换为两路编码脉冲激光；

具体的，所述两路编码脉冲激光转换装置包括高速电机、编码转盘、分路转盘、和同步转轴；所述编码转盘按两组相同的Golay互补码序列各4个码组交替排列在圆盘上打孔；所述分路转盘按编码转盘的8个码组圆孔所对应的拱形区域交替透过编码脉冲激光和反射编码脉冲激光；所述同步转轴连接高速电机、编码转盘和分路转盘，高速电机通过同步转轴带动编码转盘和分路转盘同步转动，编码转盘与同步转轴垂直，分路转盘与同步转轴成45度角，以使编码转盘和分路转盘对应的8个扇区转动时在水平方向上的投影一直保持重叠。

第四方面，一种编码脉冲激光生成方法，包括：

蓝绿波段高重复频率脉冲激光器产生的蓝绿波段高重复频率脉冲激光通过聚焦系统聚焦后生成聚焦光束，经两路编码脉冲激光转换装置转换为两路编码脉冲激光，频率同步装置控制蓝绿波段高重复频率脉冲激光器的脉冲重复频率为两路编码脉冲转换装置的脉冲编码频率的整数倍；

具体的，所述两路编码脉冲激光转换装置包括高速电机、编码转盘、分路转盘、和同步转轴；所述编码转盘按两组相同的Golay互补码序列各4个码组交替排列在圆盘上打孔；所述分路转盘按编码转盘的8个码组圆孔所对应的拱形区域交替透过编码脉冲激光和反射编码脉冲激光；所述同步转轴连接高速电机、编码转盘和分路转盘，高速电机通过同步转轴带动编码转盘和分路转盘同步转动，编码转盘与同步转轴垂直，分路转盘与同步转轴成45度角，以使编码转盘和分路转盘对应的8个扇区转动时在水平方向上的投影一直保持重叠。

本发明的有益效果如下：

(1)本发明基于编码脉冲激光转换装置生成编码脉冲激光，采用调制方式实现时，编码脉冲激光转换装置由编码波形发生装置和光调制器组成，高功率连续激光器经过该编码脉冲激光转换装置，产生适用于水体探测的蓝绿波段编码脉冲激光，不仅可提高脉冲激光平均发射功率，而且通过对激光脉冲进行编码产生编码相关增益，去除背景噪声，提高系统信噪比，从而实现脉冲激光雷达的长距离和弱信号目标探测，同时由于连续激光器器件成熟，可供选择的波段比较多，适用性更广，能够满足不同水体场景的探测需求；

(2)本发明采用物理方式实现时，编码脉冲激光转换装置由编码转盘、分路转盘、高速电机和同步转轴组成，通过对编码转盘和分路转盘的合理设计，与单重复脉冲激光雷达系统相比，不仅能够提高系统信噪比，还能够增加探测维度和范围，减小探测等待时间，提高探测效率。

根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述及其他目的、优点和特征。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述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，对于本领域的普通技术人员来讲，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附图。

图1为本发明实施例1的采用调制的编码脉冲激光转换方式且收发望远镜同轴的水体激光雷达的光路图；

图2为本发明实施例2的采用调制的编码脉冲激光转换方式且收发望远镜分离的水体激光雷达的光路图；

图3为本发明实施例3的采用物理的编码脉冲激光转换方式且收发望远镜同轴的水体激光雷达的光路图；

图4为本发明实施例3的编码脉冲激光生成示意图图；其中，(a)表示两路编码脉冲转换装置的结构图；(b)表示产生第一路编码脉冲激光的原理图；(c)表示表示产生第二路编码脉冲激光的原理图；

图5为双极性Golay互补码序列A和B的时域波形图和自相关之和示意图；

图6为单极性Golay互补码序列A₁、A₂、B₁、B₂的时域波形图；

图7为采用单激光脉冲的水体响应回波信号来模拟Golay互补码序列编码激光脉冲的水体响应回波信号及解码结果；其中，(a)表示发射单激光脉冲经过水体响应得到的回波信号，尖峰为硬目标的响应；(b)表示8位偏置后的单极性Golay互补码序列A₁、A₂、B₁、B₂编码激光脉冲在时域上的波形图；(c)表示模拟8位单极性Golay互补码序列A₁、A₂、B₁、B₂编码激光脉冲经过水体响应之后回波信号；

图8为接收回波信号对比；其中，(a)表示单激光脉冲的回波信号；(b)表示8位单极性Golay编码脉冲回波信号的解码结果；

图9为归一化后接收回波信号对比；其中，(a)表示图8(a)的归一化结果；(b)表示图8(b)的归一化结果；

图10为编码转盘实现方式示意图；

图11为激光束透过编码圆盘上相邻两个圆孔的能量和时间t之间的位置关系示意图；

图12为d＝2r时激光束通过编码圆盘上相邻两个圆孔在时域上所形成的脉冲波形图；

图13为本发明实施例3提供的两路8位Golay互补码序列编码转盘示意图；

图14为本发明实施例3提供的两路8位Golay互补码序列分路转盘示意图；

图15为本发明实施例3生成的第一路编码脉冲激光和第二路编码脉冲激光在时域上的归一化波形图，该波形图包括两路8位单极性Golay互补码序列脉冲；

图16为本发明实施例4的采用物理的编码脉冲激光转换方式且收发望远镜分离的水体激光雷达的光路图；

图17为本发明实施例5的采用物理的编码脉冲激光转换方式，激光源为脉冲激光器，且收发望远镜同轴的水体激光雷达的光路图；

图18为本发明实施例6的采用物理的编码脉冲激光转换方式，激光源为脉冲激光器，且收发望远镜分离的水体激光雷达的光路图；

图19为本发明实施例5和6脉冲激光器产生的激光脉冲，两路编码脉冲转换装置产生的第一路编码脉冲激光和第二路编码脉冲激光在时域上的归一化波形图，该波形图包括两路8位单极性Golay互补码序列脉冲。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，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。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

实施例1

参见图1所示，本实施例采用调制的编码脉冲激光转换方式，且本实施例的收发望远镜模块为收发同轴望远镜结构。

具体的，一种基于编码脉冲的水体激光雷达，包括：

近红外波段高功率连续激光器1、光调制器2、编码波形发生装置3、倍频器4、准直耦合器5、光信号分路模块6、收发同轴望远镜7、滤波器8、探测器9、采集模块10和计算模块11。

其中，近红外波段高功率连续激光器1产生中心波长为1064nm的近红外波段高功率连续激光(红外波段高功率连续激光器波长范围为800nm-1100nm，平均功率大于100W，本实施例选取1064nm)，编码波形发生装置3由编码发生器和波形发生器组成，编码发生器产生编码序列，编码发生器驱动波形发生器产生编码序列脉冲波形，波形发生器产生的编码序列脉冲波形驱动光调制器2将近红外波段连续激光调制为编码脉冲激光，编码脉冲激光进入倍频器4二倍频后产生适用于水体探测的中心波长为532nm的绿光波段编码脉冲激光。该空间激光经准直耦合器5耦合入光纤，准直耦合器5与光信号分路模块6通过光纤连接，绿光波段编码脉冲激光经光信号分路模块6之后通过收发同轴望远镜7入射到水体中。

出射激光与水体相互作用产生的回波信号经收发同轴望远镜7接收，回波信号经光信号分路模块6通过滤波器8过滤掉太阳和天空背景噪声后进入探测器9，探测器9将该回波光信号转换成电信号。电信号由采集模块10采集，采集的数字信号通过计算模块11处理后反演获得水体和目标探测信息。

本实例中，所述光信号分路模块6包括光纤环形器或光开关，即所述光信号分路模块6可以为光纤环形器或光开关中的任意一种，当然，也可以是其他具有同等功能的器件，本实例不做具体限制。

本实施例中，编码发生器产生的编码序列选取自相关性强的编码，以获得高编码相关增益。

本实例中，所述光调制器2包括声光调制器和电光调制器。

综上，采用调制方式将连续激光转换为编码脉冲激光是通过编码波形发生装置3驱动光调制器2来实现的。近红外波段连续激光器1产生近红外连续激光(例如波长864nm或1064nm)，编码波形发生装置3由编码发生器和波形发生器组成，编码发生器产生单极性Golay互补码序列，编码发生器驱动波形发生器产生单极性Golay互补码序列脉冲波形，波形发生器产生的脉冲波形驱动光调制器(AOM或EOM)将近红外连续激光调制为Golay编码脉冲激光，经倍频器4二倍频后，产生蓝绿波段Golay编码脉冲激光(与波长864nm连续激光对应，二倍频得到脉冲激光的波长为432nm，与波长1064nm连续激光对应，二倍频得到脉冲激光的波长为532nm)。

实施例2

参见图2所示，本实施例采用调制的编码脉冲激光转换方式，且本实施例的收发望远镜模块为收发分离式望远镜结构，即包括独立设置的发射望远镜和接收望远镜，当采用收发分离式光学望远镜结构时，需采用两根光纤，一根光纤连接准直耦合器和发射望远镜，另一根光纤连接接收望远镜和滤波器。

具体的，一种基于编码脉冲的水体激光雷达，包括：

近红外波段高功率连续激光器1、光调制器2、编码波形发生装置3、倍频器4、准直耦合器5、发射望远镜12、接收望远镜13、滤波器8、探测器9、采集模块10、计算模块11。

其中，近红外波段高功率连续激光器1产生中心波长为1064nm的近红外波段高功率连续激光(红外波段高功率连续激光器波长范围为800nm-1100nm，平均功率大于100W，本实施例选取1064nm)，编码波形发生装置3由编码发生器和波形发生器组成，编码波形发生装置3驱动光调制器2将近红外波段连续激光调制为编码脉冲激光，编码脉冲激光进入倍频器4二倍频后产生适用于水体探测的中心波长为532nm的绿光波段编码脉冲激光，该空间激光经准直耦合器5耦合入光纤，准直耦合器5与发射望远镜12通过光纤连接，绿光波段编码脉冲激光经发射望远镜12入射到水体中。

出射激光与水体相互作用产生的回波信号经接收望远镜13接收，回波信号通过滤波器8过滤掉太阳和天空背景噪声后进入探测器9，探测器9将该回波光信号转换成电信号。电信号由采集模块10采集，采集的数字信号通过计算模块11处理后反演获得水体和目标探测信息。

本实施例其他部分的具体结构及实现同实施例一，此处不再重复说明。

实施例3

参见图3所示，本实施例采用物理的编码脉冲激光转换方式，且本实施例的收发望远镜模块为收发同轴望远镜结构。

具体的，一种基于编码脉冲的水体激光雷达，包括：

蓝光波段高功率连续激光器14、聚焦系统15、两路编码脉冲转换装置16、第一准直耦合器17、第一光信号分路模块18、第一收发同轴望远镜19、第一滤波器20、第一探测器21、第二准直耦合器22、第二光信号分路模块23、第二收发同轴望远镜24、第二滤波器25、第二探测器26、多路采集模块27、计算模块28。

其中，蓝光波段高功率连续激光器14产生中心波长445-465nm的蓝光波段高功率连续激光(蓝绿波段高功率连续激光器波长范围为400nm-560nm，平均功率大于100W，本实施例采用445-465nm蓝光波段)。聚焦系统15由准直镜和聚焦镜组成，蓝光波段激光经准直镜准直后，通过聚焦镜聚焦到10-50μm大小的光斑，经两路编码脉冲激光转换装置16转换为两路编码脉冲激光，第一路空间脉冲激光经第一准直耦合器17耦合入光纤，第一准直耦合器17与第一光信号分路模块18通过光纤连接，第一路脉冲激光经第一光信号分路模块18之后通过第一收发同轴望远镜19入射到水体中。第二路空间脉冲激光经第二准直耦合器22耦合入光纤，第二准直耦合器22与第二光信号分路模块23通过光纤连接，第二路脉冲激光经第二光信号分路模块23之后通过第二收发同轴望远镜24入射到水体中。

第一路出射激光与水体相互作用产生的回波信号通过第一收发同轴望远镜19接收。回波信号经第一光信号分路模块18通过第一滤波器20滤波之后进入第一探测器21。第二路出射激光与水体相互作用产生的回波信号通过第二收发同轴望远镜24接收。回波信号经第二光信号分路模块23通过第二滤波器25滤波之后进入第二探测器26。第一探测器21和第二探测器26用于将回波光信号转换成电信号，这两路电信号进入多路采集模块27，由多路采集模块27采集，采集的数字信号通过计算模块28处理后反演分别获得这两路回波信号对应的水体和目标探测信息。

本实例中所述第一光信号分路模块18和第二光信号分路模块23包括光纤环形器、光开关，即所述第一光信号分路模块18和第二光信号分路模块23可以为光纤环形器或光开关中的任意一种，当然，也可以是其他具有同等功能的器件，本实例不做具体限制。

参见图4所示，本实例中所述两路编码脉冲激光转换装置16由高速电机161、编码转盘162、分路转盘163和同步转轴164组成。蓝光波段高功率连续激光器14产生蓝光波段高功率连续激光，经准直镜准直后，通过聚焦镜聚焦到10-50μm大小的光斑，该激光束焦点光斑穿过由高速电机161带动的编码转盘162上的按编码排列的圆孔，编码转盘162转动一圈生成两组编码脉冲激光，一组透过分路转盘163，另一组经分路转盘163反射，产生两路适用于水体探测的蓝绿波段空间脉冲激光。

编码转盘162靠近转盘圆周外沿的位置上按一定的编码方式排列了一系列小圆孔(码组圆孔1621)，这些圆孔的圆心位于与编码转盘162的同心圆上(即圆孔的圆心到编码转盘圆心的距离都相等)，编码转盘162转动时，聚焦系统15出射的激光束151通过圆孔在时间上表现为一个激光脉冲。编码转盘162上的圆孔根据选取的自相关性强的编码进行打孔排列，以获得编码相关增益。

自相关性强的编码有如下几种可供选择：

(1)Golay互补码序列；

(2)伪随机(PN)码序列(m序列和M序列)；

(3)混沌(Chaotic)序列；

(4)最小峰值旁瓣(MPS)序列；

(5)互补相关普罗米修斯标准正交序列(CCPONS)；

(6)Simplex码序列。

其中Golay互补码序列有如下优点：

(1)相关主峰之外的相关值为0(即旁瓣为0)。在理想情况下Golay互补码序列解码不失真，因此在相同编码长度情况下Golay互补码序列可获得最高的编码相关增益。

(2)序列平衡性(“1”和“-1”个数相等)。在该条件下，可以由相关运算去除回波信号中叠加的满足平稳随机过程的背景噪声；

(3)用迭代方法即可产生各种长度的码组序列，物理硬件实现相对简单。

由于其他编码方式无法同时满足上述三个条件，因此本实施例选择Golay互补码序列作为编码序列对编码转盘162进行打孔，以产生编码脉冲激光。

Golay互补码序列由两个阶数为n、长度为N＝2ⁿ、包含“1”和“-1”的双极性序列A和B组成，序列A和B满足如下关系：

其中，“*”表示相关运算，k为相关运算的移位值，k＝0时即做相关运算的两个序列对齐，此时序列A和B的自相关值之和最大。

Golay互补码采用如下迭代规则产生：

其中，“|”表示两个序列连接，

表示B的反极性码，即将序列B中的“1”替换为“-1”、“-1”替换为“1”得到序列

0阶、长度1的迭代初始序列为：

例，长度N＝2和N＝4的双极性Golay互补码序列分别为：

以长度N＝8为例，其双极性Golay互补码序列为：

双极性Golay互补码序列A和B的时域波形和自相关之和参见图5所示。

由于激光雷达只能发射正极性(“1”)的脉冲，因此需要将双极性Golay互补码序列进行偏置得到4组单极性(“1”和“0”)码序列A₁、A₂、B₁、B₂，偏置公式如下：

即：

同样以N＝8为例，其双极性Golay互补码序列经过偏置转换为单极性Golay互补码序列为：

单极性Golay互补码序列A₁、A₂、B₁、B₂的时域波形参见图6所示。

激光雷达发射端发射单极性Golay互补码脉冲序列A₁、A₂、B₁、B₂到水体中，接收端根据同步触发信号和Golay码组长度对回波信号在时域上进行距离划分，截取回波信号得到4组与发射序列A₁、A₂、B₁、B₂对应的接收信号A₁′、A₂′、B₁′、B₂′，假设水体和接收机总的信道冲激响应为h_k，不考虑其他噪声，则回波信号的解码公式如下：

其中，“*”表示相关运算，

表示卷积运算，Z为最终的解码结果。可以看到，理论上Golay互补码编码脉冲经过水体和接收机的响应之后，经解码得到的结果是水体和接收机的信道冲激响应的2N倍。

采用单激光脉冲的水体响应回波信号来模拟Golay互补码序列编码激光脉冲的水体响应回波信号及解码结果。图7(a)表示发射单激光脉冲经过水体响应得到的回波信号，尖峰为硬目标的响应。图7(b)表示8位偏置后的8位单极性Golay互补码序列A₁、A₂、B₁、B₂编码激光脉冲在时域上的波形图，4个码组序列之间的间隔距离为单脉冲回波信号的时间长度(防止码组间信号重叠)。图7(c)表示模拟8位单极性Golay互补码序列A₁、A₂、B₁、B₂编码激光脉冲经过水体响应之后回波信号。

图8(a)和8(b)为单激光脉冲的回波信号和8位单极性Golay编码脉冲回波信号的解码结果之间的对比，两个图上尖峰的最大值分别为148788和2380608，正好是16倍的关系，即采用Golay互补码序列编码激光脉冲作为发射信号，从接收信号的能量幅度衡量，产生的编码相关增益是单激光脉冲的2N倍。

图9(a)和图9(b)分别表示将图8(a)和8(b)两个信号归一化后的结果，可以看到单激光脉冲经水体响应后的回波信号和8位单极性Golay互补码序列编码激光脉冲水体响应回波信号的解码结果波形完全一样。即在理想情况下，对Golay编码脉冲回波信号解码不失真。

如上，本实施例中，采用物理方式时，通过两路编码脉冲激光转换装置16将连续激光转换为脉冲激光是通过编码转盘162来实现的。以长度N＝8的Golay互补码序列为例设计编码转盘，将单极性Golay互补码序列以“圆孔”的方式排列于靠近编码转盘外圆周的位置，这些圆孔的圆心到编码转盘圆心的距离都相等。编码转盘162的实现方式参见图10所示，其中的实心圆表示打孔，激光可以透过(表示“1”)，空心圆表示未打孔，激光不能透过(表示“0”)。将蓝光波段高功率连续激光器14和聚焦系统15位置固定，聚焦系统15的轴线与编码转盘162垂直，将激光的聚焦斑点固定位于圆孔所在的圆周上的某个位置，当高速电机161通过同步转轴164带动编码转盘162转动时，转动到激光束位于圆孔之内时，激光束透过圆孔，在时域上形成脉冲。

当相邻两个圆孔间距d取不同值时，激光束透过两个圆孔的能量(以光斑圆的面积表示，即激光束透过圆孔在时域上形成为脉冲)和时间t之间的位置关系示意图参见图11所示所示，此时d＝r。设定圆孔半径r＝10，激光聚焦光斑大小与圆孔大小相等(聚焦光斑半径应小于等于圆孔半径，才能保证激光束全部通过圆孔)，并且聚焦光斑在两个圆孔圆心所在的轴线上从左向右移动，在示意图中，聚焦光斑此时移动到位于两个圆孔圆心之间的中心位置上。相邻两个圆孔间距d和圆孔半径r与激光束透过两个圆孔形成的脉冲之间的关系如下：

(1)当0≤d<2r时，激光束透过两个圆孔在时域上形成的两个脉冲存在重叠。

(2)当d≥2r时，激光束透过两个圆孔在时域上形成的两个脉冲分离不重叠。图12表示d＝2r时激光束通过两个圆孔在时域上所形成的脉冲波形，此时两个脉冲正好不重叠。

考虑到圆孔之间的间距d影响到编码转盘设计尺寸，在同样的圆孔尺寸和编码长度时，圆孔间距越大，转盘尺寸越大，因此两个圆孔的间距取符合不重叠条件的最小值，即：

d＝2r

假设激光雷达探测最远距离为L，单极性Golay互补码序列的4个码组之间的间距Cd要求满足如下关系，才能保证相邻两个码组脉冲的回波信号不会重叠，接收端才能正确解码，即：

Cd≥L

但是Cd和L满足上述关系式又会造成脉冲信号在时域上占空比很低，与单重复脉冲激光雷达类似，同样也要按上述关系式留出相邻两次发射码组脉冲之间的间隔(即探测等待时间)，以避免相邻两个码组脉冲的回波信号产生重叠。为了提高探测效率，将两组相同的Golay码组序列A₁、A₂、B₁、B₂和AA₁、AA₂、BB₁、BB₂交叉组合，按A₁、AA₁、A₂、AA₂、B₁、BB₁、B₂、BB₂的顺序排列于编码转盘上，参见图13所示，并通过之后的分路转盘将这两组Golay码组分离，分成两路脉冲激光发射，从而提高探测效率。

激光透过编码转盘162上的圆孔之后，通过分路转盘163分成两路出射编码脉冲激光，分路转盘如图14所示。

其中拱形通孔1631表示挖空，让编码转盘162产生的脉冲激光穿过，生成第一路由Golay互补码序列A₁、A₂、B₁、B₂编码的脉冲激光；拱形反射镜片1632能够让编码转盘162产生的脉冲激光反射，生成第二路由Golay互补码序列AA₁、AA₂、BB₁、BB₂编码的脉冲激光。

编码转盘162与高速电机161转轴垂直，分路转盘163与高速电机161转轴成45度角，编码转盘162和分路转盘163由同步转轴连接，以保证同步转动，即保证两个转盘上的A₁、AA₁、A₂、AA₂、B₁、BB₁、B₂、BB₂这8个扇区转动时在水平方向上的投影一直保持重叠。由高速电机161、编码转盘162、分路转盘163和同步转轴164组成的物理方式的编码脉冲转换装置原理图如图4(a)所示。激光束151通过编码转盘162后穿过分路转盘163的拱形通孔1631产生的第一路编码脉冲激光的过程如图4(b)所示，激光束151通过编码转盘162后经分路转盘163的拱形反射镜片1632反射产生的第二路编码脉冲激光的过程如图4(c)所示。

当聚焦后的连续激光束经过如图13所示的由长度N＝8的Golay互补码序列打孔排列的编码转盘162和图14所示的分路转盘163分路后，生成的第一路编码脉冲激光和第二路编码脉冲激光在时域上的归一化波形如图15所示，此时设定编码转盘上的圆孔间距d和圆孔半径r关系为d＝2r。

编码转盘转速(即高速电机转速)、Golay码组长度、圆孔直径、圆孔间距、编码转盘直径和激光脉冲持续时间的部分关系如表1所示。

表1

由表1可以看出，在高速电机转速确定的情况下，编码转盘尺寸主要由Golay码组长度、圆孔直径和圆孔间距决定，但是还需要考虑电机功率、整个激光雷达系统的大小、激光微孔加工的难度和精度、转盘转动稳定性等因素。综合考虑上述因素，编码转盘在100mm-150mm比较合适。编码转盘尺寸确定后，电机转速越高、编码长度越长或圆孔直径越小，激光脉冲持续时间越短。

具体的，设定编码转盘转速Rd(即高速电机转速，单位转/min)、Golay码组长度N、圆孔直径dr(单位μm)、圆孔间距d(按圆孔中心所在的圆周计算，单位μm)、两个扇区间距dc(即码组间距，按圆孔中心所在的圆周计算，单位mm)、圆孔中心与转盘边沿的距离dw(单位mm)，则编码转盘直径dt(单位mm)和激光脉冲持续时间pt(即系统分辨率，单位ns)的计算公式及关系式如下：

dt＝{[N*dr+(N-1)d]/1000+dc}*8/π+2*dw (7)

pt＝1/Rd/60/{[N*dr+(N-1)d]/1000+dc)*8}*1000*dr/1000000000 (8)

表1只列出编码转盘为60000转和120000转的情况，其他情况都可由式(7)和式(8)计算得出。

本实施例中，当高速电机161转速为6万转/分钟，编码转盘162上的圆孔按长度为8位Golay互补码序列进行编码打孔排列，圆孔直径为1000μm，圆孔间距为1000μm，码组间距为20mm，圆孔中心距转盘圆周边沿为2mm时，通过以上几个参数计算得到编码转盘162的直径为93.127mm，激光脉冲持续时间为3571.429ns。

实施例4

参见图16所示，本实施例采用物理的编码脉冲激光转换方式，且本实施例的收发望远镜模块为收发分离式望远镜结构，即包括独立设置的发射望远镜和接收望远镜，当采用收发分离式光学望远镜结构时，需采用两根光纤，一根光纤连接准直耦合器和发射望远镜，另一根光纤连接接收望远镜和滤波器。

具体的，一种基于编码脉冲的水体激光雷达，包括：

蓝光波段高功率连续激光器14、聚焦系统15、两路编码脉冲转换装置16、第一准直耦合器17、第一发射望远镜29、第一接收望远镜30、第一滤波器20、第一探测器21、第二准直耦合器22、第二发射望远镜31、第二接收望远镜32、第二滤波器25、第二探测器26、多路采集模块27、计算模块28。

其中，蓝光波段高功率连续激光器14产生中心波长445-465nm的蓝光波段高功率连续激光(蓝绿波段高功率连续激光器中心波长范围为400nm-560nm，平均功率大于100W，本实施例采用445-565nm蓝光波段)。聚焦系统15由准直镜和聚焦镜组成，蓝光波段激光经准直镜准直后，通过聚焦镜聚焦到10-50μm大小的光斑，经两路8位Golay互补码序列编码脉冲转换装置16转换为两路编码脉冲激光，第一路空间脉冲激光经第一准直耦合器17耦合入光纤，第一准直耦合器17与第一发射望远镜29通过光纤连接，第一路脉冲激光经第一发射望远镜29入射到水体中。第二路空间脉冲激光经第二准直耦合器22耦合入光纤，第二准直耦合器22与第二发射望远镜31通过光纤连接，第二路脉冲激光经第二发射望远镜31入射到水体中。

第一路出射激光与水体相互作用产生的回波信号通过第一接收望远镜30接收。回波信号经第一滤波器20滤波之后进入第一探测器21。第二路出射激光与水体相互作用产生的回波信号通过第二接收望远镜32接收。回波信号经第二滤波器25滤波之后进入第二探测器26。第一探测器21和第二探测器26用于将回波光信号转换成电信号，这两路电信号进入多路采集模块27，由多路采集模块27采集，采集的数字信号通过计算模块28处理后反演分别获得这两路回波信号对应的水体和目标探测信息。

参见图4所示，本实例中所述两路编码脉冲激光转换装置16由高速电机161、编码转盘162、分路转盘163和同步转轴164组成。蓝光波段高功率连续激光器14产生蓝光波段高功率连续激光，经准直镜准直后，通过聚焦镜聚焦到10-50μm大小的光斑，该激光束焦点光斑穿过由高速电机161带动的编码转盘162上的按编码排列的圆孔，编码转盘162转动一圈生成两组编码脉冲激光，一组透过分路转盘163，另一组经分路转盘163反射，产生两路适用于水体探测的蓝光波段空间脉冲激光。

同样，本实施例中，当高速电机转速为6万转/分钟，编码转盘上的圆孔按长度为8位Golay互补码序列进行编码打孔排列，圆孔直径为1000μm，圆孔间距为1000μm，码组间距为20mm，圆孔中心距转盘圆周边沿为2mm时，通过以上几个参数计算得到编码转盘直径为93.127mm，激光脉冲持续时间为3571.429ns。

本实施例其他部分的具体结构及实现同实施例三，此处不再重复说明。

实施例5

参见图17所示，本实施例采用物理的编码脉冲激光转换方式，激光源采用高重复频率脉冲激光器，通过频率同步装置控制脉冲激光器的脉冲重复频率为编码脉冲转换装置的脉冲编码频率的整数倍，使脉冲激光器产生的激光脉冲正好可以通过编码转盘上的圆孔，且本实施例的收发望远镜模块为收发同轴望远镜结构。

具体的，一种基于编码脉冲的水体激光雷达，包括：

绿光波段高重复频率脉冲激光器34、聚焦系统15、两路编码脉冲转换装置16、频率同步装置35、第一准直耦合器17、第一光信号分路模块18、第一收发同轴望远镜19、第一滤波器20、第一探测器21、第二准直耦合器22、第二光信号分路模块23、第二收发同轴望远镜24、第二滤波器25、第二探测器26、多路采集模块27、计算模块28。

其中，绿光波段高重复频率脉冲激光器34产生中心波长532nm绿光波段的脉冲激光。聚焦系统15由准直镜和聚焦镜组成，绿光波段脉冲激光经准直镜准直后，通过聚焦镜聚焦到10-50μm大小的光斑，经两路编码脉冲激光转换装置16转换为两路编码脉冲激光，频率同步装置35控制脉冲激光器34的脉冲重复频率为编码脉冲转换装置16的脉冲编码频率的整数倍，第一路空间脉冲激光经第一准直耦合器17耦合入光纤，第一准直耦合器17与第一光信号分路模块18通过光纤连接，第一路脉冲激光经第一光信号分路模块18之后通过第一收发同轴望远镜19入射到水体中。第二路空间脉冲激光经第二准直耦合器22耦合入光纤，第二准直耦合器22与第二光信号分路模块23通过光纤连接，第二路脉冲激光经第二光信号分路模块23之后通过第二收发同轴望远镜24入射到水体中。

第一路出射激光与水体相互作用产生的回波信号通过第一收发同轴望远镜19接收。回波信号经第一光信号分路模块18通过第一滤波器20滤波之后进入第一探测器21。第二路出射激光与水体相互作用产生的回波信号通过第二收发同轴望远镜24接收。回波信号经第二光信号分路模块23通过第二滤波器25滤波之后进入第二探测器26。第一探测器21和第二探测器26用于将回波光信号转换成电信号，这两路电信号进入多路采集模块27，由多路采集模块27采集，采集的数字信号通过计算模块28处理后反演分别获得这两路回波信号对应的水体和目标探测信息。

本实例中所述第一光信号分路模块18和第二光信号分路模块23包括光纤环形器、光开关，即所述第一光信号分路模块18和第二光信号分路模块23可以为光纤环形器或光开关中的任意一种，当然，也可以是其他具有同等功能的器件，本实例不做具体限制。

参见图4所示，本实例中所述两路编码脉冲激光转换装置16由高速电机161、编码转盘162、分路转盘163和同步转轴164组成。绿光波段脉冲激光器34产生绿光波段脉冲激光，经准直镜准直后，通过聚焦镜聚焦到10-50μm大小的光斑，该激光束焦点光斑穿过由高速电机161带动的编码转盘162上的按编码排列的圆孔，通过频率同步装置35控制绿光波段高重复频率脉冲激光器34的脉冲重复频率为编码脉冲转换装置16的脉冲编码频率的整数倍，使脉冲激光器产生的激光脉冲正好可以通过编码转盘上的圆孔，编码转盘162转动一圈生成两组编码脉冲激光，一组透过分路转盘163，另一组经分路转盘163反射，产生两路适用于水体探测的绿光波段空间脉冲激光。绿光波段高重复频率脉冲激光器34产生的脉冲激光、两路编码脉冲激光转换装置16和频率同步装置35控制脉冲频率同步之后产生的第一路编码脉冲激光和第二路编码脉冲激光在时域上的归一化波形图如图19所示。

同样，本实施例中，当高速电机转速为6万转/分钟，编码转盘上的圆孔按长度为8位Golay互补码序列进行编码打孔排列，圆孔直径为1000μm，圆孔间距为1000μm，码组间距为20mm，圆孔中心距转盘圆周边沿为2mm时，通过以上几个参数计算得到编码转盘直径为93.127mm，激光脉冲持续时间为3571.429ns。

本实施例其他部分的具体结构及实现同实施例三，此处不再重复说明。

实施例6

参见图18所示，本实施例采用物理的编码脉冲激光转换方式，激光源采用高重复频率脉冲激光器，通过频率同步装置控制脉冲激光器的脉冲重复频率为编码脉冲转换装置的脉冲编码频率的整数倍，使脉冲激光器产生的激光脉冲正好可以通过编码转盘上的圆孔，且本实施例的收发望远镜模块为收发分离式望远镜结构，即包括独立设置的发射望远镜和接收望远镜，当采用收发分离式光学望远镜结构时，需采用两根光纤，一根光纤连接准直耦合器和发射望远镜，另一根光纤连接接收望远镜和滤波器。

具体的，一种基于编码脉冲的水体激光雷达，包括：

绿光波段高重复频率脉冲激光器14、聚焦系统15、两路编码脉冲转换装置16、频率同步装置35、第一准直耦合器17、第一发射望远镜29、第一接收望远镜30、第一滤波器20、第一探测器21、第二准直耦合器22、第二发射望远镜31、第二接收望远镜32、第二滤波器25、第二探测器26、多路采集模块27、计算模块28。

其中，绿光波段高重复频率脉冲激光器34产生中心波长532nm绿光波段的脉冲激光。聚焦系统15由准直镜和聚焦镜组成，绿光波段激光经准直镜准直后，通过聚焦镜聚焦到10-50μm大小的光斑，经两路8位Golay互补码序列编码脉冲转换装置16转换为两路编码脉冲激光，频率同步装置35控制绿光波段高重复频率脉冲激光器34的脉冲重复频率为编码脉冲转换装置16的脉冲编码频率的整数倍，第一路空间脉冲激光经第一准直耦合器17耦合入光纤，第一准直耦合器17与第一发射望远镜29通过光纤连接，第一路脉冲激光经第一发射望远镜29入射到水体中。第二路空间脉冲激光经第二准直耦合器22耦合入光纤，第二准直耦合器22与第二发射望远镜31通过光纤连接，第二路脉冲激光经第二发射望远镜31入射到水体中。

第一路出射激光与水体相互作用产生的回波信号通过第一接收望远镜30接收。回波信号经第一滤波器20滤波之后进入第一探测器21。第二路出射激光与水体相互作用产生的回波信号通过第二接收望远镜32接收。回波信号经第二滤波器25滤波之后进入第二探测器26。第一探测器21和第二探测器26用于将回波光信号转换成电信号，这两路电信号进入多路采集模块27，由多路采集模块27采集，采集的数字信号通过计算模块28处理后反演分别获得这两路回波信号对应的水体和目标探测信息。

参见图4所示，本实例中所述两路编码脉冲激光转换装置16由高速电机161、编码转盘162、分路转盘163和同步转轴164组成。蓝光波段高功率连续激光器14产生蓝光波段高功率连续激光，经准直镜准直后，通过聚焦镜聚焦到10-50μm大小的光斑，该激光束焦点光斑穿过由高速电机161带动的编码转盘162上的按编码排列的圆孔，编码转盘162转动一圈生成两组编码脉冲激光，一组透过分路转盘163，另一组经分路转盘163反射，产生两路适用于水体探测的蓝光波段空间脉冲激光。

同样，本实施例中，当高速电机转速为6万转/分钟，编码转盘上的圆孔按长度为8位Golay互补码序列进行编码打孔排列，圆孔直径为1000μm，圆孔间距为1000μm，码组间距为20mm，圆孔中心距转盘圆周边沿为2mm时，通过以上几个参数计算得到编码转盘直径为93.127mm，激光脉冲持续时间为3571.429ns。

本实施例其他部分的具体结构及实现同实施例三，此处不再重复说明。

本发明实施例提供的基于编码脉冲的水体激光雷达技术和方法具有如下有益效果：

(1)激光源采用高功率连续激光器时，不仅可以提高脉冲激光平均发射功率，而且通过对激光脉冲进行编码产生编码相关增益，去除背景噪声，提高系统信噪比，从而实现脉冲激光雷达的长距离和弱信号目标探测。由于连续激光器器件成熟，可供选择的波段比较多，适用性更广，可满足不同水体场景的探测需求。

(2)与单重复脉冲激光雷达系统相比，大大减少单次探测时间，非常适用于快速移动的水下目标探测和快速变化水体的探测。

(3)采用物理的编码脉冲激光转换方式时，激光源可选用高功率连续激光器或高重复频率脉冲激光器，通过物理的编码脉冲激光转换装置对激光脉冲进行编码生成两路编码脉冲激光，可以对两个不同方向和位置的水体同时进行探测，与单重复脉冲激光雷达系统相比，不仅可以提高系统信噪比，还能够增加探测维度和范围，减小探测等待时间，提高探测效率。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于编码脉冲的水体激光雷达，其特征在于，包括：高功率激光器、编码脉冲激光转换装置、准直耦合器、收发望远镜模块、滤波器、探测器、采集模块和计算模块；

所述编码脉冲激光转换装置将所述高功率激光器产生的高功率激光转换为编码脉冲激光，所述编码脉冲激光经准直耦合器耦合入光纤后经收发望远镜模块中的发射望远镜入射到水体中；出射激光与水体相互作用产生的回波信号经收发望远镜模块中的接收望远镜接收，回波信号通过滤波器滤波之后进入探测器，探测器将该回波光信号转换成电信号；电信号由采集模块采集，采集的数字信号通过计算模块处理后反演获得水体和目标探测信息。

2.根据权利要求1所述的基于编码脉冲的水体激光雷达，其特征在于，所述编码脉冲激光转换装置将高功率连续激光转换为编码脉冲激光的方式为调制方式；所述编码脉冲激光转换装置包括光调制器(2)和编码波形发生装置(3)；所述高功率激光器为近红外波段高功率连续激光器(1)；所述水体激光雷达还包括倍频器(4)；

所述近红外波段高功率连续激光器(1)产生近红外波段高功率连续激光，编码波形发生装置(3)驱动光调制器(2)将近红外波段连续激光调制为编码脉冲激光，编码脉冲激光进入倍频器(4)二倍频后产生适用于水体探测的蓝绿波段编码脉冲激光；

所述编码波形发生装置(3)包括编码发生器和波形发生器；所述编码发生器产生单极性Golay互补码序列，并驱动所述波形发生器产生单极性Golay互补码序列脉冲波形；所述波形发生器驱动光调制器(2)将近红外波段高功率连续激光调制为Golay编码脉冲激光。

3.根据权利要求1所述的基于编码脉冲的水体激光雷达，其特征在于，所述编码脉冲激光转换装置将高功率激光转换为编码脉冲激光的方式为物理方式；所述高功率激光器为蓝绿波段高功率连续激光器(14)；所述编码脉冲激光转换装置包括两路编码脉冲激光转换装置(16)；所述准直耦合器包括第一准直耦合器(17)和第二准直耦合器(22)；所述收发望远镜模块包括第一收发望远镜模块和第二收发望远镜模块；所述滤波器包括第一滤波器(20)和第二滤波器(25)；所述探测器包括第一探测器(21)和第二探测器(26)；所述采集模块为多路采集模块(27)；所述水体激光雷达还包括聚焦系统(15)；

所述蓝绿波段高功率连续激光器(14)产生的蓝绿波段高功率连续激光通过聚焦系统(15)聚焦后生成的聚焦光束，经两路编码脉冲激光转换装置(16)转换为两路编码脉冲激光，分别为第一路空间脉冲激光和第二路空间脉冲激光；第一路空间脉冲激光经第一准直耦合器(17)耦合入光纤，通过第一收发望远镜模块中的发射望远镜入射到水体中；第二路空间脉冲激光经第二准直耦合器(21)耦合入光纤，通过第二收发望远镜模块中的发射望远镜入射到水体中；

第一路激光与水体相互作用产生的第一路回波信号通过第一收发望远镜模块中的接收望远镜接收，第二路激光与水体相互作用产生的第二路回波信号通过第二收发望远镜模块中的接收望远镜接收；所述第一路回波信号经第一滤波器(20)滤波之后进入第一探测器(21)，所述第二路回波信号经第二滤波器(25)滤波之后进入第二探测器(26)，所述第一探测器(21)用于将第一路回波信号转换成第一路电信号，所述第二探测器(26)用于将第二路回波信号转换成第二路电信号，所述多路采集模块(27)采集第一路电信号和第二路电信号并通过计算模块进行处理后反演获得水体和目标探测信息。

4.根据权利要求1所述的基于编码脉冲的水体激光雷达，其特征在于，所述编码脉冲激光转换装置将高功率激光转换为编码脉冲激光的方式为物理方式；所述高功率激光器为蓝绿波段高重复频率脉冲激光器(34)；所述编码脉冲激光转换装置包括两路编码脉冲激光转换装置(16)；所述准直耦合器包括第一准直耦合器(17)和第二准直耦合器(22)；所述收发望远镜模块包括第一收发望远镜模块和第二收发望远镜模块；所述滤波器包括第一滤波器(20)和第二滤波器(25)；所述探测器包括第一探测器(21)和第二探测器(26)；所述采集模块为多路采集模块(27)；所述水体激光雷达还包括聚焦系统(15)；所述水体激光雷达还包括频率同步装置(35)；

所述蓝绿波段高重复频率脉冲激光器(34)产生的蓝绿波段高重复频率脉冲激光通过聚焦系统(15)聚焦后生成的聚焦光束，经两路编码脉冲激光转换装置(16)转换为两路编码脉冲激光，分别为第一路空间脉冲激光和第二路空间脉冲激光；频率同步装置(35)控制蓝绿波段高重复频率脉冲激光器(34)的脉冲重复频率为编码脉冲转换装置(16)的脉冲编码频率的整数倍；第一路空间脉冲激光经第一准直耦合器(17)耦合入光纤，通过第一收发望远镜模块中的发射望远镜入射到水体中；第二路空间脉冲激光经第二准直耦合器(21)耦合入光纤，通过第二收发望远镜模块中的发射望远镜入射到水体中；

第一路激光与水体相互作用产生的第一路回波信号通过第一收发望远镜模块中的接收望远镜接收，第二路激光与水体相互作用产生的第二路回波信号通过第二收发望远镜模块中的接收望远镜接收；所述第一路回波信号经第一滤波器(20)滤波之后进入第一探测器(21)，所述第二路回波信号经第二滤波器(25)滤波之后进入第二探测器(26)，所述第一探测器(21)用于将第一路回波信号转换成第一路电信号，所述第二探测器(26)用于将第二路回波信号转换成第二路电信号，所述多路采集模块(27)采集第一路电信号和第二路电信号并通过计算模块进行处理后反演获得水体和目标探测信息。

5.根据权利要求3和4所述的基于编码脉冲的水体激光雷达，其特征在于，所述两路编码脉冲激光转换装置(16)包括高速电机(161)、编码转盘(162)、分路转盘(163)、和同步转轴(164)；所述编码转盘(162)按两组相同的Golay互补码序列各4个码组交替排列在圆盘上打孔；所述分路转盘(163)按编码转盘(162)的8个码组圆孔(1621)所对应的拱形区域交替透过编码脉冲激光和反射编码脉冲激光；所述的高速电机(161)通过同步转轴(164)和夹具固定编码转盘(162)；所述同步转轴(164)连接高速电机(161)、编码转盘(162)和分路转盘(163)，高速电机(161)通过同步转轴(164)带动编码转盘(162)和分路转盘(163)同步转动，编码转盘(162)与同步转轴(164)垂直，分路转盘(163)与同步转轴(164)成45度角，以使编码转盘(162)和分路转盘(163)对应的8个扇区转动时在水平方向上的投影一直保持重叠；所述分路转盘(163)通过挖空区域和反射区域将编码转盘(162)产生的编码脉冲激光分成两路，挖空区域透过第一组编码脉冲激光产生第一路编码脉冲激光，反射区域反射第二组编码脉冲激光产生第二路编码脉冲激光。

6.根据权利要求5所述的基于编码脉冲的水体激光雷达，其特征在于，所述编码转盘(162)的直径dt的获取公式如下：

dt＝{[N*dr+(N-1)d]/1000+dc}*8/π+2*dw

所述编码转盘(162)的激光脉冲持续时间pt的获取公式如下：

pt＝1/Rd/60/{[N*dr+(N-1)d]/1000+dc)*8}*1000*dr/1000000000

其中，Rd表示转速；N表示Golay码组长度；dr表示圆孔直径；d表示圆孔间距；dc表示码组间距；dw表示圆孔中心与转盘边沿的距离。

7.根据权利要求5所述的基于编码脉冲的水体激光雷达，其特征在于，所述聚焦系统(15)包括准直镜和聚焦镜，聚焦光斑直径为10-50μm。

8.一种编码脉冲激光生成方法，其特征在于，包括：

近红外波段高功率连续激光器产生近红外波段高功率连续激光；

由编码发生器和波形发生器组成的编码波形发生装置驱动光调制器将近红外波段连续激光调制为编码脉冲激光；

具体的，所述编码发生器产生单极性Golay互补码序列，并驱动所述波形发生器产生单极性Golay互补码序列脉冲波形；所述波形发生器驱动光调制器将近红外波段高功率连续激光调制为Golay编码脉冲激光。

9.一种编码脉冲激光生成方法，其特征在于，包括：

蓝绿波段高功率连续激光器产生的蓝绿波段高功率连续激光通过聚焦系统聚焦后生成聚焦光束，经两路编码脉冲激光转换装置转换为两路编码脉冲激光；

具体的，所述两路编码脉冲激光转换装置包括高速电机、编码转盘、分路转盘、和同步转轴；所述编码转盘按两组相同的Golay互补码序列各4个码组交替排列在圆盘上打孔；所述分路转盘按编码转盘的8个码组圆孔所对应的拱形区域交替透过编码脉冲激光和反射编码脉冲激光；所述同步转轴连接高速电机、编码转盘和分路转盘，高速电机通过同步转轴带动编码转盘和分路转盘同步转动，编码转盘与同步转轴垂直，分路转盘与同步转轴成45度角，以使编码转盘和分路转盘对应的8个扇区转动时在水平方向上的投影一直保持重叠。

10.一种编码脉冲激光生成方法，其特征在于，包括：

蓝绿波段高重复频率脉冲激光器产生的蓝绿波段高重复频率脉冲激光通过聚焦系统聚焦后生成聚焦光束，经两路编码脉冲激光转换装置转换为两路编码脉冲激光，频率同步装置控制蓝绿波段高重复频率脉冲激光器的脉冲重复频率为两路编码脉冲转换装置的脉冲编码频率的整数倍；

具体的，所述两路编码脉冲激光转换装置包括高速电机、编码转盘、分路转盘、和同步转轴；所述编码转盘按两组相同的Golay互补码序列各4个码组交替排列在圆盘上打孔；所述分路转盘按编码转盘的8个码组圆孔所对应的拱形区域交替透过编码脉冲激光和反射编码脉冲激光；所述同步转轴连接高速电机、编码转盘和分路转盘，高速电机通过同步转轴带动编码转盘和分路转盘同步转动，编码转盘与同步转轴垂直，分路转盘与同步转轴成45度角，以使编码转盘和分路转盘对应的8个扇区转动时在水平方向上的投影一直保持重叠。

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