CN118191859A - 一种双波长激光水下测距装置及方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种双波长激光水下测距装置及方法，装置包括至少两个激光器和至少两个水下脉冲激光接收模块以及信号处理模块，至少两个所述激光器位于发射端平台上，用于同时发出两束不同波长的脉冲激光，两个所述水下脉冲激光接收模块安设于接收端平台处，分别用于接收对应的激光器的水下脉冲激光，所述信号处理模块与两个所述水下脉冲激光接收模块通信连接，用于获取两束水下脉冲激光的脉冲峰值位置的时间差，并根据该时间差计算获取发射端平台和接收端平台之间的距离。本申请提供的双波长激光水下测距装置，实现了水下远距离高精度测距功能，具有良好的经济价值和军事应用价值。

Description

一种双波长激光水下测距装置及方法

技术领域

本申请涉及水下激光测距技术领域，具体涉及一种双波长激光水下测距装置及方法。

背景技术

大气激光测距具有测距精度高，测距速度快的特点，通常有脉冲飞行时间测距法和相位测距法两种。

脉冲飞行时间测距法利用脉冲激光照射待测距物体，利用高灵敏度光电探测器测量回波时间从而得到目标距离

L＝(c·t)/2

式中，L为目标距离，c为光速，t为脉冲激光飞行时间。

相位测距法采用调制的连续激光照射目标，然后测量出返回激光与调制信号的相位差，通过相位差解算出目标的距离

L＝c/2f·(N+Δφ/2π)

其中，L为目标距离，N为整波长数量，Δφ为相位差，f为调制频率。在大气中进行激光测距，由于大气对激光散射较小，激光回波容易检出，因而具有较远的测程及较高的可靠度。但在水中，水体对激光的吸收和散射十分强烈，且水体对激光的非均匀折射效应会带来一定的偏差，因此将大气激光测距方法直接移植到水下需要解决相应的技术难题。

目前水下激光测距方法主要有水下脉冲激光测距、水下微脉冲激光雷达单光子测距、基于图像的水下三点激光测距等方法。水下脉冲激光测距方法适用于回波较强时，利用回波直接触发测距计时装置，以获取脉冲激光在水下的飞行时间，从而解算出目标距离，其原理与大气激光测距相同，不同之处在于水下光速为c/n，其中n为水体折射率；水下微脉冲激光雷达单光子测距方法主要用于激光回波强度不宜在探测器端形成完整波形时，利用Poission分布概率检测原理进行回波位置的精确检测，从而提升测距精度；基于图像的水下三点激光测距方法则利用三个激光点照明目标，并通过摄像机获取三个激光点的图像，根据激光光点图像坐标解算目标距离，在十米近距离范围内具有厘米级的测距精度。

从现有主要的水下激光测距方法来看，测距激光首先需要通过水体传输至目标，经目标散射后又通过水体传输返回探测器进行接收和距离解算，这些方法一个共同的不足是脉冲激光需要经过目标散射以及再一次水体传输，这不仅对激光光束质量具有较大的损伤，影响测距精度，而且还大大减小了水下激光测距距离。基于此，本专利考虑测距激光只需经过一次水体传输即可获取目标距离，即采用双波长激光同时进行测距，而接收端同时对两路激光信号进行接收和距离解算，避免了影响测距精度的多个环节，可有效提高水下测距距离和精度，该技术亦可用于水下高精度授时领域。

发明内容

本申请提供一种双波长激光水下测距装置及方法，以解决现有技术中存在的激光需要双程往返传输，对激光光束质量具有较大损伤，存在的测距精度不高，以及能量衰减严重，限制了测距距离的技术问题。

第一方面，本申请实施例提供一种双波长激光水下测距装置，包括：

设于发射端平台上的至少两个激光器，至少两个所述激光器用于同时发出两束不同波长的脉冲激光；

设于接收端平台上的至少两个水下脉冲激光接收模块，两个所述水下脉冲激光接收模块分别用于接收两所述激光器的水下脉冲激光；

信号处理模块，所述信号处理模块与两个所述水下脉冲激光接收模块连接，用于获取两束水下脉冲激光的脉冲峰值位置的时间差，并根据该时间差计算获取发射端平台与接收端平台之间的距离；

其中，所述发射端平台和所述接收端平台均位于水中。

结合第一方面，在一种实施方式中，两个所述激光器分别为脉冲蓝激光器、脉冲绿激光器。

结合第一方面，在一种实施方式中，还包括时序控制器，两个所述激光器的控制端与所述时序控制器连接，所述时序控制器用于控制两个所述激光器同时发出脉冲激光。

结合第一方面，在一种实施方式中，两个所述水下脉冲激光接收模块均包括光电倍增管和设于对应所述光电倍增管入口处的一片窄带滤光片，两片所述窄带滤光片的波长与两个所述激光器的波长分别对应。

结合第一方面，在一种实施方式中，还包括第一直流电源模块和第二直流电源模块，两个所述激光器和所述时序控制器均与所述第一直流电源模块电连接，两个所述光电倍增管和信号处理模块均与所述第二直流电源模块电连接。

结合第一方面，在一种实施方式中，还包括一台水体折射率测量仪，安设于接收端平台处，用于获取水体折射率；

所述水体折射率测量仪与所述信号处理模块通信连接，所述信号处理模块用于根据获取接收端平台处的水体折射率以及两束水下脉冲激光的脉冲峰值位置的时间差计算获取发射端平台与接收端平台之间的距离。

结合第一方面，在一种实施方式中，还包括两可变光阑，两所述可变光阑对应设于两所述光电倍增管的前端。

第二方面，本申请提供了一种双波长激光水下测距方法，包括如下步骤：

控制自发射端平台向接收端平台同时发送两束不同波长的脉冲激光；

控制在接收端平台处接收两束脉冲激光，并获取两束脉冲激光的峰值位置的时间差；

获取接收端平台处水体的折射率；

根据获取接收端平台处水体的折射率以及两束脉冲激光的峰值位置的时间差，计算获取发射端平台和接收端平台之间的距离。

本申请实施例提供的技术方案带来的有益效果至少包括：

本申请提供的双波长激光水下测距装置，通过水下的发射端平台和接收端平台分别安设两个激光器和两个水下脉冲激光接收模块，基于获取的两束水下脉冲激光的脉冲峰值位置的时间差，计算获取发射端平台和接收端平台之间的距离，实现了水下远距离高精度测距功能，可用于水下合作运动平台之间的高精度测距，还可用于水下运动平台之间的高精度授时，从而建立水下高精度时统网络，具有较大的经济价值和军事应用价值。

附图说明

图1为本申请提供的一种双波长激光水下测距装置的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的脉冲激光接收模块的结构示意图；

图3为本申请提供的一种双波长激光水下测距装置的双波长激光水下测距原理示意图。

图中，1、第一激光器，2、第二激光器，3、时序控制器，4、第一直流电源模块，5、第一光电倍增管，6、第二光电倍增管，7、信号处理模块，8、第一窄带滤光片，9、第二窄带滤光片，10、第二直流电源模块，11、水体折射率测量仪。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。术语“第一”、“第二”和“第三”等描述，是用于区分不同的对象等，其不代表先后顺序，也不限定“第一”、“第二”和“第三”是不同的类型。

在本申请实施例的描述中，“示例性的”、“例如”或者“举例来说”等用于表示作例子、例证或说明。本申请实施例中被描述为“示例性的”、“例如”或者“举例来说”的任何实施例或设计方案不应被解释为比其它实施例或设计方案更优选或更具优势。确切而言，使用“示例性的”、“例如”或者“举例来说”等词旨在以具体方式呈现相关概念。

在本申请实施例的描述中，除非另有说明，“/”表示或的意思，例如，A/B可以表示A或B；文本中的“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况，另外，在本申请实施例的描述中，“多个”是指两个或多于两个。

在本申请实施例描述的一些流程中，包含了按照特定顺序出现的多个操作或步骤，但是应该理解，这些操作或步骤可以不按照其在本申请实施例中出现的顺序来执行或并行执行，操作的序号仅用于区分开各个不同的操作，序号本身不代表任何的执行顺序。另外，这些流程可以包括更多或更少的操作，并且这些操作或步骤可以按顺序执行或并行执行，并且这些操作或步骤可以进行组合。

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请实施方式作进一步地详细描述。

第一方面，本申请实施例提供一种双波长激光水下测距装置，包括至少两个激光器和至少两个水下脉冲激光接收模块、信号处理模块7，至少两个所述激光器位于发射端平台上，用于同时发出两束不同波长的脉冲激光，两个所述水下脉冲激光接收模块安设于接收端平台处，分别用于接收两所述激光器的水下脉冲激光，所述信号处理模块7与两个所述水下脉冲激光接收模块通信连接，用于获取两束水下脉冲激光的脉冲峰值位置的时间差，并根据获取的两束水下脉冲激光的脉冲峰值位置的时间差计算获取发射端平台和接收端平台之间的距离。

本申请提供的双波长激光水下测距装置，通过水下的发射端平台和接收端平台分别安设两个激光器和两个水下脉冲激光接收模块，基于获取的两束水下脉冲激光的脉冲峰值位置的时间差，计算获取发射端平台和接收端平台之间的距离，实现了水下远距离高精度测距功能，可用于水下合作运动平台之间的高精度测距，还可用于水下运动平台之间的高精度授时，从而建立水下高精度时统网络，具有较大的经济价值和军事应用价值。

在一实施例中，为了提高水下传输性能，两个所述激光器分别为脉冲蓝激光器和脉冲绿激光器，分别用于发出蓝色的脉冲激光和绿色的脉冲激光，两个所述激光器的脉冲激光的波长均处于海水的蓝绿光学窗口之内，具有较高的脉冲能量和较短的激光脉宽，且激光出光同步精度较高，保证系统具有较远的测距距离和较高的测距精度。较具体地，第一激光器1的激光波长532nm，第二激光器2的波长为405nm，两波长拉开了一定距离，一方面使两个波长均处于海水蓝绿光学窗口之内，以提升其水下传输特性，另一方面使两种波长的激光的水体折射率之差尽量大一些，以便增大两个脉冲的到达时间差Δt，以利于减小时间测量误差，提高距离解算精度。

在一实施例中，本申请提供的双波长激光水下测距装置还包括时序控制器3，两个所述激光器的控制端与所述时序控制器3连接，所述时序控制器3用于控制所述激光器同时发出脉冲激光，控制两个激光器的同步出光精度，保证了系统的远距离测距精度。较具体地，时序控制器3采用高精度时钟芯片及相应的时序电路来实现，产生窄宽度的脉冲电平信号，信号上升沿达亚纳秒级，脉冲信号的重复频率可调，变化范围为10Hz～1kHz。每触发一次脉冲激光，接收端即可完成一次水下测距，提高重复频率即提高测距频率。

在一实施例中，两个所述脉冲激光接收模块均包括光电倍增管和设于对应的所述光电倍增管入口处的一片窄带滤光片，所述窄带滤光片的中心波长与对应的激光器的波长相对应，即一脉冲激光接收模块的光电倍增管的入口处的窄带滤光片的波长与脉冲蓝激光器的波长相对应，另一脉冲激光接收模块的光电倍增管的入口处的窄带滤光片与脉冲绿激光器的发射波长相对应，以确保每个光电倍增管只接收对应的激光发生器发射的脉冲激光信号。较具体地，两个所述光电倍增管为快响应高灵敏光电倍增管，在蓝绿波段范围内具有较高的量子效率，其信号上升沿为亚纳秒量级。较具体地，第一窄带滤光片8的中心透过波长为532nm，带宽小于1ns，第二窄带滤光片9的中心透过波长为405nm，带宽小于1ns，确保光电倍增管5只接收第一激光器1的激光信号，光电倍增管6只接收第二激光器2的激光信号。

在一实施例中，本申请提供的双波长激光水下测距装置，还包括两个可变光阑，分别为第一可变光光阑和第二可变光阑，分别位于第一光电倍增管5和第二光电倍增管6的前端，更具体地，分别位于第一窄带滤光片8和第一光电倍增管5之间以及第二窄带滤光片9和第二光电倍增管6，用于调节经过窄带滤光片入射的脉冲激光的进光量，使得光电倍增管始终工作在线性区间，避免脉冲激光饱和或曝光不足。

在一实施例中，本申请提供的双波长激光水下测距装置，还包括电源模块，所述电源模块包括第一直流电源模块4和第二直流电源模块10，两个所述激光器和所述时序控制器3均与所述第一直流电源模块4电连接，所述第一直流电源模块4为所述激光器和所述时序控制器3提供直流供电，两个所述光电倍增管和信号处理模块7均与所述第二直流电源模块10电连接，所述第二直流电源模块10为两个所述光电倍增管和信号处理模块7提供直流供电。

在一实施例中，本申请提供的双波长激光水下测距装置，还包括一台水体折射率测量仪11，位于接收端平台处，用于对接收端平台处的水体折射率进行精确测量，精度达到千分之一。所述信息处理模块与所述水体折射率测量仪11和两个所述水下脉冲激光接收模块连接，用于根据两束激光脉冲的脉冲峰值位置的时间差和接收端水体的折射率，计算获取发射端平台和接收端平台之间的距离。

在一较具体实施例中，图3为双波长水下激光合作测距原理示意图，发射端的双波长激光器同时发射绿、蓝两种波长的脉冲激光，经水体传输后分别到达接收端的双光电倍增管，输出激光全波形信号，每个光电倍增管输出一个脉冲激光，信号处理板对脉冲激光信号进行处理后，通过检测两个脉冲之间的时间差△t，即可解算出两平台之间的距离L。

其中，Cg为绿光波长处水体折射率，Cb为蓝光波长处水体折射率，c为真空中光速，Δt为接收端平台处的两个水下脉冲激光接收模块接收到两束脉冲激光的脉冲峰值位置的时间差。

第二方面，本申请实施例还提供一种双波长激光水下测距方法，包括如下步骤：

步骤S1、控制自发射端平台向接收端平台同时发送两束不同波长的脉冲激光；

步骤S2、控制在接收端平台处接收两束脉冲激光，并获取两束脉冲激光的峰值位置的时间差；

步骤S3、获取接收端平台处水体的折射率；

步骤S4、根据获取接收端平台处水体的折射率以及两束脉冲激光的峰值位置的时间差，计算获取发射端平台和接收端平台之间的距离。

本申请提供的双波长激光水下测距方法，基于获取的两束水下脉冲激光的脉冲峰值位置的时间差，计算获取发射端平台和接收端平台之间的距离，无需脉冲激光经过目标反射或者再一次的水体传输，对激光光束的质量不会造成较大的损伤，从而提供了一种水下远距离高精度测距方法。

需要说明的是，上述本申请实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在如上所述的一个存储介质(如ROM/RAM、磁碟、光盘)中，包括若干指令用以使得一台终端设备执行本申请各个实施例所述的方法。

以上仅为本申请的优选实施例，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种双波长激光水下测距装置，其特征在于，包括：

设于发射端平台上的至少两个激光器，至少两个所述激光器用于同时发出两束不同波长的脉冲激光；

设于接收端平台上的至少两个水下脉冲激光接收模块，两个所述水下脉冲激光接收模块分别用于接收一所述激光器的水下脉冲激光；

信号处理模块，所述信号处理模块与两个所述水下脉冲激光接收模块连接，用于获取两束水下脉冲激光的脉冲峰值位置的时间差，并根据该时间差计算获取发射端平台与接收端平台之间的距离；

其中，所述发射端平台和所述接收端平台均位于水中。

2.如权利要求1所述的双波长激光水下测距装置，其特征在于，两个所述激光器分别为脉冲蓝激光器、脉冲绿激光器。

3.如权利要求1所述的双波长激光水下测距装置，其特征在于，还包括时序控制器，两个所述激光器的控制端与所述时序控制器连接，所述时序控制器用于控制两个所述激光器同时发出脉冲激光。

4.如权利要求3所述的双波长激光水下测距装置，其特征在于，两个所述水下脉冲激光接收模块均包括光电倍增管和设于对应所述光电倍增管入口处的一片窄带滤光片，两片所述窄带滤光片的波长与两个所述激光器的波长分别对应。

5.如权利要求4所述的双波长激光水下测距装置，其特征在于，还包括第一直流电源模块和第二直流电源模块，两个所述激光器和所述时序控制器均与所述第一直流电源模块电连接，两个所述光电倍增管和信号处理模块均与所述第二直流电源模块电连接。

6.如权利要求1所述的双波长激光水下测距装置，其特征在于，还包括一台水体折射率测量仪，安设于接收端平台处；

所述水体折射率测量仪与所述信号处理模块连接，所述信号处理模块用于根据获取的接收端平台处的水体折射率以及两束水下脉冲激光的脉冲峰值位置的时间差计算获取发射端平台与接收端平台之间的距离。

7.如权利要求4所述的双波长激光水下测距装置，其特征在于，还包括两可变光阑，两所述可变光阑对应设于两所述光电倍增管的前端。

8.一种双波长激光水下测距方法，其特征在于，包括如下步骤：

控制自发射端平台向接收端平台同时发送两束不同波长的脉冲激光；

控制在接收端平台处接收两束脉冲激光，并获取两束脉冲激光的峰值位置的时间差；

获取接收端平台处水体的折射率；

根据获取接收端平台处水体的折射率以及两束脉冲激光的峰值位置的时间差，计算获取发射端平台和接收端平台之间的距离。