CN217639539U - 一种海洋激光雷达系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种海洋激光雷达系统，其中，该海洋激光雷达系统包括：发射系统和接收系统；发射系统包括：激光光源、扩束超透镜和准直超透镜；激光光源用于发射预设波长的光束；扩束超透镜用于对预设波长的光束进行扩束得到扩束后的光束；准直超透镜用于对扩束后的光束准直并射向目标；接收系统包括：放大超透镜模组和信号接收模组；放大超透镜模组用于将目标反射的回波信号放大并射出；信号接收模组用于基于放大后的回波信号实现探测功能。通过本实用新型实施例提供的海洋激光雷达系统，因扩束超透镜、准直超透镜及放大超透镜模组无热敏性，使探测过程稳定，精度高，结果准确；且整体厚度薄、系统简单、价格更低以及产能高，符合市场需求。

Description

一种海洋激光雷达系统

技术领域

本实用新型涉及激光探测技术领域，具体而言，涉及一种海洋激光雷达系统。

背景技术

地球上70％的面积都被海洋覆盖，其中蕴藏在巨大的资源，包括各种鱼类、石油、天然气等供人类生存发展的必要物质。对海洋的探测是开发这些资源必不可少的手段，目前可采用激光雷达系统进行探测，令该激光雷达系统的光源选择海洋绿光窗口，能实现远距离探测，同时根据物体回波信号能识别物体类型。

但是，现有激光雷达系统中所使用的传统透镜存在热膨胀系数，对于不同温度的水域中使透镜折射率发生变化，影响系统探测精度；且基于传统透镜的激光雷达系统体积大、重量重、结构复杂。

实用新型内容

为解决上述问题，本实用新型实施例的目的在于提供一种海洋激光雷达系统。

本实用新型实施例提供了一种海洋激光雷达系统，包括：发射系统和接收系统；所述发射系统用于向目标发射光束，所述接收系统用于接收经所述目标反射的回波信号；所述发射系统包括：激光光源、扩束超透镜和准直超透镜；所述激光光源用于发射预设波长的光束；所述扩束超透镜设置在所述激光光源的出光侧，用于对所述预设波长的光束进行扩束，得到扩束后的光束；所述准直超透镜设置在所述扩束超透镜的出光侧，用于对所述扩束后的光束准直，并射向所述目标；所述接收系统包括：放大超透镜模组和信号接收模组；所述放大超透镜模组用于将所述目标反射的回波信号放大并射出；所述信号接收模组设置在所述放大超透镜模组的出光侧，用于基于放大后的回波信号实现探测功能。

可选地，放大超透镜模组包括：第一接收超透镜和第二接收超透镜，所述第二接收超透镜设置在所述第一接收超透镜的出光侧，且与所述第一接收超透镜共光轴；所述第一接收超透镜用于接收所述目标反射的回波信号；所述第二接收超透镜的物方焦平面与所述第一接收超透镜的像方焦平面处于同一平面。

可选地，第一接收超透镜为焦距可调的超透镜，所述第一接收超透镜包括：第一基底、第一纳米结构、第一相变材料层、第一电极层以及第二电极层；所述第一基底的一侧设置有多个所述第一纳米结构，所述第一电极层填充于所述第一纳米结构的周围，所述第一电极层的高度低于所述第一纳米结构的高度；所述第一相变材料层设置在所述第一电极层远离所述第一基底的一侧，且填充于所述第一纳米结构的周围，所述第一电极层与所述第一相变材料层的高度之和大于或等于所述第一纳米结构的高度；所述第二电极层设置于所述第一相变材料层远离所述第一基底的一侧；所述第一电极层以及所述第二电极层用于对所述第一相变材料层加载电压，所述第一相变材料层能够根据所加载的电压改变所述第一接收超透镜的焦距；所述第二接收超透镜能够沿光轴方向位移，改变所述第二接收超透镜的物方焦平面的位置。

可选地，准直超透镜包括：第二基底、第二纳米结构、第二相变材料层、第三电极层以及第四电极层；所述第二基底的一侧设置有多个所述第二纳米结构，所述第三电极层填充于所述第二纳米结构的周围，所述第三电极层的高度低于所述第二纳米结构的高度；所述第二相变材料层设置在所述第三电极层远离所述第二基底的一侧，且填充于所述第二纳米结构的周围，所述第三电极层与所述第二相变材料层的高度之和大于或等于所述第二纳米结构的高度；所述第四电极层设置于所述第二相变材料层远离所述第二基底的一侧；所述第三电极层以及所述第四电极层用于对所述第二相变材料层加载电压，所述第二相变材料层能够根据所加载的电压改变所述准直超透镜出射光束的出射角度。

可选地，第一相变材料层使用的相变材料为锗锑碲。

可选地，第一电极层以及所述第二电极层为氧化铟锡。

可选地，第一相变材料层、所述第一电极层以及所述第二电极层均为在工作波段透明或半透明材料，且所述第一纳米结构的折射率分别与所述第一相变材料层、所述第一电极层或者所述第二电极层的折射率之间的差值的绝对值大于或等于0.5。

可选地，第一纳米结构的材质包括：氧化钛、氮化硅、熔融石英、氧化铝、氮化镓、磷化镓、非晶硅、晶体硅或氢化非晶硅中的一种。

可选地，信号接收模组包括：半透半反镜、第一接收模组和第二接收模组；所述半透半反镜设置在所述放大超透镜模组的出光侧，用于将射入所述半透半反镜的回波信号，一部分透射向所述第一接收模组，另一部分反射向所述第二接收模组；所述第一接收模组与所述第二接收模组分别实现不同的探测功能。

可选地，信号接收模组还包括：二向色镜和第三接收模组；所述二向色镜设置在所述放大超透镜模组与所述半透半反镜之间，用于将第一波段的回波信号透射向所述半透半反镜，将第二波段的回波信号反射向所述第三接收模组；或者，所述二向色镜用于将第一波段的回波信号反射向所述半透半反镜，将第二波段的回波信号透射向所述第三接收模组；所述第一波段包括所述发射系统所发射光束的波长；所述第二波段包括所述发射系统所发射光束的波长经红移后的波长；所述第三接收模组基于所述第二波段的回波信号，实现相应的探测功能。

可选地，第一接收模组、所述第二接收模组和所述第三接收模组均包括：会聚超透镜和接收探测器；所述会聚超透镜用于将射入的回波信号聚焦至相应的接收探测器；所述接收探测器用于对射入的回波信号进行处理。

可选地，海洋激光雷达系统的工作波段包括绿光波段。

本实用新型实施例上述提供的方案中，采用扩束超透镜、准直超透镜以及放大超透镜模组分别作为该海洋激光雷达系统中的部分光学器件，相比于采用传统透镜的海洋激光雷达系统而言，这种结构因无热敏性，故不存在上述传统的海洋激光雷达系统所存在的问题，使得该海洋激光雷达系统探测过程稳定，探测精度高，探测结果也更加准确；此外，采用扩束超透镜、准直超透镜以及放大超透镜模组，还可以使该海洋激光雷达系统具备质量轻、整体厚度薄、系统简单、价格更低以及产能高的优势，更符合市场需求。

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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实用新型的一些实施例，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示出了本实用新型实施例所提供的一种海洋激光雷达系统的示意图；

图2示出了本实用新型实施例所提供的海洋激光雷达系统中，发射系统的示意图；

图3示出了本实用新型实施例所提供的海洋激光雷达系统中，接收系统的示意图；

图4示出了本实用新型实施例所提供的海洋激光雷达系统中，放大超透镜模组的示意图；

图5示出了本实用新型实施例所提供的海洋激光雷达系统中，第一接收超透镜的示意图；

图6示出了本实用新型实施例所提供的海洋激光雷达系统中，一种信号接收模组的示意图；

图7示出了本实用新型实施例所提供的海洋激光雷达系统中，另一种信号接收模组的示意图；

图8示出了本实用新型实施例所提供的海洋激光雷达系统中，三种接收模组的示意图；

图9示出了本实用新型实施例所提供的一种海洋激光雷达系统的详细示意图；

图10示出了本实用新型实施例所提供的一种海洋激光雷达系统中，可实现海底勘测的示意图；

图11示出了本实用新型实施例所提供的一种海洋激光雷达系统中，可实现鱼群定位的示意图。

图标：

1-发射系统、2-接收系统、11-激光光源、12-扩束超透镜、13-准直超透镜、21-放大超透镜模组、22-信号接收模组、211-第一接收超透镜、212-第二接收超透镜、2111-第一基底、2112-第一纳米结构、2113-第一相变材料层、2114-第一电极层、2115-第二电极层、221-半透半反镜、222-第一接收模组、223第二接收模组、224二向色镜、225-第三接收模组、2221-会聚超透镜、2222-接收探测器。

具体实施方式

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

本实用新型实施例提供了一种海洋激光雷达系统，参见图1所示，该海洋激光雷达系统包括：发射系统1和接收系统2；发射系统1用于向目标发射光束，接收系统2用于接收经目标反射的回波信号。

参见图2所示，发射系统1包括：激光光源11、扩束超透镜12和准直超透镜13；激光光源11用于发射预设波长的光束；扩束超透镜12设置在激光光源11的出光侧，用于对预设波长的光束进行扩束，得到扩束后的光束；准直超透镜13设置在扩束超透镜12的出光侧，用于对扩束后的光束准直，并射向目标；图2中以激光光源11的下侧为出光侧示出。参见图3所示，接收系统2包括：放大超透镜模组21和信号接收模组22；放大超透镜模组21用于将目标反射的回波信号放大并射出；信号接收模组22设置在放大超透镜模组21的出光侧，用于基于放大后的回波信号实现探测功能；图3中以放大超透镜模组21的下侧为入光侧示出。

在本实用新型实施例所提供的海洋激光雷达系统中，发射系统1能够向目标发射用于探测的光束，接收系统2能够接收该目标所反射的回波信号，其中，该海洋激光雷达系统所针对的目标可以是海洋中的海底地质结构、鱼群和海水中的至少一种。本实用新型实施例中，该发射系统1中的激光光源11所发射的光束是预设波长的光束。通常情况下，海水对蓝绿光波段的激光的吸收损耗很小，即该蓝绿光波段的激光在海水中可以具有极强的穿透力，能穿透海水直至海洋深处，可以将这种现象称作海水具有“蓝绿窗口”；因此，为了能更好的利用该“蓝绿窗口”，使得该海洋激光雷达系统的发射系统1能够向海水中发射穿透力更强的光束，可以将该激光光源11所发射光束的波长，设定为与该“蓝绿窗口”的波长范围相符合的值，如470nm～580nm。例如，该激光光源11可以包括Nd:YAG(Neodymium-dopedYttrium Aluminium Garnet，Nd:Y₃A_l5O₁₂，钇铝石榴石晶体)固体激光器，该Nd:YAG固体激光器可发射脉冲激光或连续式激光，其所发射的激光为波长是1064nm的红外激光，当该红外激光经过倍频后即可产生本实用新型实施例所需的532nm波长的光束，即绿光波长的激光光束；或者，该激光光源11也可以是能直接发射波长处于绿光波段范围(即500nm～560nm)的光束的激光光源。

可选地，该海洋激光雷达系统的工作波段包括绿光波段。例如，该海洋激光雷达系统在绿光波段具有高透过率，能够使其发射系统1中激光光源11所发射的光束更适合应用于海洋探测。

其中，如图2所示，该激光光源11的出光侧设置有扩束超透镜12，使得该激光光源11所出射的光束能够射入该扩束超透镜12，该扩束超透镜12能够将射入其中的光束进行扩束，并射向位于该扩束超透镜12出光侧的准直超透镜13；该准直超透镜13能够将射入其中的光束(即扩束后的光束)进行准直，并发射向目标。

如图3所示，接收系统2中的放大超透镜模组21设置在靠近目标的一侧，如图3中该接收系统2靠近下方位置；该放大超透镜模组21能够接收由目标所反射的回波信号(如目标所反射的光束)，并将该回波信号进行放大并射向位于其出光侧(如图3中该放大超透镜模组21的上侧)的信号接收模组22中，其中，该放大超透镜模组21可以包含多片超透镜；该信号接收模组22能够根据射入其中的回波信号(放大后的回波信号)实现探测功能。

例如，在需要对海底地形进行勘测的情况下，本实用新型实施例所提供的海洋激光雷达系统可以针对海底这一目标，发射用于探测的光束，即该海洋激光雷达系统的发射系统1中的激光光源11可以向扩束超透镜12发射波长为532nm的光束，并由该扩束超透镜12对该波长为532nm的光束进行扩束，发射至准直超透镜13中，最终由该准直超透镜13将扩束后的光束准直，并发射向海底(目标)；由于发射系统1所发射的光束照射在海底会发生反射，因此，该反射的光束(如依旧是波长为532nm的回波信号)能够射向该接收系统2中的放大超透镜模组21，并由该放大超透镜模组21将射入其中的回波信号进行放大，使该回波信号能更加清晰，便于后续处理；当该放大超透镜模组21所发射的放大后的回波信号射入该信号接收模组22中，该信号接收模组22能够根据射入的回波信号实现对海底地形的勘探，例如得到海底的相关参数，或者绘制得到海底地形的三维地图等。

传统的海洋激光雷达系统由于其使用传统透镜，而传统透镜具有热膨胀系数，将导致在不同温度的水域中传统透镜的折射率发生变化，最终影响传统海洋激光雷达系统的探测精度；而本实用新型实施例采用扩束超透镜12、准直超透镜13以及放大超透镜模组21分别作为该海洋激光雷达系统中的部分光学器件，相比于采用传统透镜的海洋激光雷达系统而言，这种结构因无热敏性，故不存在上述传统的海洋激光雷达系统所存在的问题，使得该海洋激光雷达系统探测过程稳定，探测精度高，探测结果也更加准确；此外，采用扩束超透镜12、准直超透镜13以及放大超透镜模组21，还可以使该海洋激光雷达系统具备质量轻、整体厚度薄、系统简单、价格更低以及产能高的优势，更符合市场需求。

可选地，参见图4所示，放大超透镜模组21包括：第一接收超透镜211和第二接收超透镜212，第二接收超透镜212设置在第一接收超透镜211的出光侧，且与第一接收超透镜211共光轴；图4中以第一接收超透镜211的上侧为其出光侧示出。其中，第一接收超透镜211用于接收目标反射的回波信号；第二接收超透镜212的物方焦平面与第一接收超透镜211的像方焦平面处于同一平面。

本实用新型实施例中，放大超透镜模组21的第一接收超透镜211设置在靠近目标的一侧，使得经目标所反射的回波信号可以射入该第一接收超透镜211中，且该第一接收超透镜211能够将接收到的回波信号射向位于其出光侧的第二接收超透镜212中，该第二接收超透镜212与该第一接收超透镜211是共光轴的两个超透镜，即该两个超透镜各自的主光轴相重合，例如，该两个超透镜各自的主光轴与可与该放大超透镜模组21的主光轴重合。本实用新型实施例中，该第一接收超透镜211的像方焦平面能够与该第二接收超透镜212的物方焦平面重合，即该第一接收超透镜211与该第二接收超透镜212之间的距离是二者焦距之和，例如，该第一接收超透镜211在其主光轴上的像方焦点与该第二接收超透镜212在其主光轴上的物方焦点重合，使得二者之间的距离为二者焦距之和。其中，该第一接收超透镜211的像方焦平面表示：过该第一接收超透镜211的像方焦点且垂直于该第一接收超透镜211主光轴的平面；该第二接收超透镜212的物方焦平面表示：过该第二接收超透镜212的物方焦点且垂直于该第二接收超透镜212主光轴的平面，图4中以F点表示该第一接收超透镜211在其主光轴上的像方焦点与该第二接收超透镜212在其主光轴上的物方焦点。

本实用新型实施例中，由于第一接收超透镜211和第二接收超透镜212之间的距离为二者焦距之和，使得该放大超透镜模组21在能够实现将所接收的回波信号进行放大的同时(如实现望远镜的功能)，还使得采用该放大超透镜模组21的海洋激光雷达系统质量更轻、整体厚度更薄且系统更简单。

可选地，参见图5所示，该第一接收超透镜211为焦距可调的超透镜，第一接收超透镜211包括：第一基底2111、第一纳米结构2112、第一相变材料层2113、第一电极层2114以及第二电极层2115；第一基底2111的一侧设置有多个第一纳米结构2112，第一电极层2114填充于第一纳米结构2112的周围，第一电极层2114的高度低于第一纳米结构2112的高度；第一相变材料层2113设置在第一电极层2114远离第一基底2111的一侧，且填充于第一纳米结构2112的周围，第一电极层2114与第一相变材料层2113的高度之和大于或等于第一纳米结构2112的高度；第二电极层2115设置于第一相变材料层2113远离第一基底2111的一侧；第一电极层2114以及第二电极层2115用于对第一相变材料层2113加载电压，第一相变材料层2113能够根据所加载的电压改变第一接收超透镜211的焦距；第二接收超透镜212能够沿光轴方向位移，改变第二接收超透镜212的物方焦平面的位置，以使得两个焦平面共面。

其中，该第一接收超透镜211的第一基底2111可以选用石英玻璃、冕牌玻璃、火石玻璃等，在该第一接收超透镜211的第一基底2111的一侧(图5所示为第一基底2111的上侧)设置有多个第一纳米结构2112，这些第一纳米结构2112可以是高度统一的纳米结构，且这些第一纳米结构2112可以为全介质结构单元，在工作波段具有高透过率，如绿光波段。可选地，该第一纳米结构2112的材质包括：氧化钛、氮化硅、熔融石英、氧化铝、氮化镓、磷化镓、非晶硅、晶体硅或氢化非晶硅中的一种，本实用新型实施例对此不做限定。可选地，第一相变材料层2113、第一电极层2114与第二电极层2115为在工作波段透明或半透明材料，且第一纳米结构2112的折射率分别与第一相变材料层2113、第一电极层2114或者第二电极层2115的折射率之间的差值的绝对值大于或等于0.5。例如，第一相变材料层2113、第一电极层2114与第二电极层2115可以是在绿光波段透明或半透明的材料，即该第一相变材料层2113、第一电极层2114与第二电极层2115对绿光波段的光线具有高透过率或透过率位于40％～60％之间，该第一相变材料层2113、第一电极层2114与第二电极层2115的折射率分别与第一纳米结构2112的折射率之间的差值的绝对值均大于或等于0.5，以避免影响光线调制效果。

在该第一接收超透镜211所具有的多个第一纳米结构2112的周围(如两个纳米结构之间的间隙)填充有第一电极层2114，该第一电极层2114的高度比每个第一纳米结构2112的高度要低，例如，该第一电极层2114的高度可以是第一纳米结构2112高度的二分之一。在该第一电极层2114远离第一基底2111的一侧(如图5所示第一电极层2114的上侧)，填充有第一相变材料层2113，该第一相变材料层2113与第一电极层2114一样也是填充在多个第一纳米结构2112的周围，其高度与第一电极层2114的高度相加所得到的高度之和可以大于该第一纳米结构2112的高度，或者，该高度之和也可以等于该第一纳米结构2112的高度；如图5所示，该第一相变材料层2113的上表面不低于第一纳米结构2112的上表面，以避免第一纳米结构2112接触到第二电极层2115。在该第一相变材料层2113远离第一基底2111的一侧(如图5所示第一相变材料层2113的上侧)设置有第二电极层2115，该第二电极层2115与第一电极层2114分别位于该第一相变材料层2113的两侧，用于对该第一相变材料层2113施加电压，其中，该第一相变材料层2113在接收到第一电极层2114与第二电极层2115所施加的电压后，第一相变材料层2113的相变状态会发生改变，从而可以使第一接收超透镜211的相位发生改变，从而可以使第一接收超透镜211的焦距发生改变。

例如，通过控制电压改变第一接收超透镜211的焦距，进而使射入该第一接收超透镜211的回波信号的像方焦平面的位置发生改变(如沿光轴方向位移)。其中，在该第一接收超透镜211的像方焦平面的位置发生改变的情况下，该第二接收超透镜212可以沿光轴方向(如该放大超透镜模组21的主光轴方向)进行相应地位移，使得该第二接收超透镜212的物方焦平面的位置，能够跟随该第一接收超透镜211的像方焦平面的位置作出相应地改变，进而使得该第二接收超透镜212的物方焦平面时刻与该第一接收超透镜211的像方焦平面位于同一平面，以实现回波信号的放大(如实现望远镜的功能)。

本实用新型实施例所提供的海洋激光雷达系统，能够根据目标所反射的回波信号的强弱，适应性调节第一接收超透镜211的焦距，且第二接收超透镜212可以随着该第一接收超透镜211焦距的变化，配合改变该第二接收超透镜212的位置(如沿光轴方向移动)，令该第二接收超透镜212的物方焦平面时刻与第一接收超透镜211的像方焦平面保持重合。该海洋激光雷达系统在回波信号较弱的情况下，也可以得到较为清晰且放大的回波信号，例如，令该回波信号可以达到分辨探测物体形貌的清晰程度。

可选地，第一相变材料层2113使用的相变材料为锗锑碲。

其中，第一相变材料层2113所选用的相变材料可以是锗锑碲(GST，GeSbTe)，例如，Ge₂Sb₂Te₅。GST具有实现相变能量要求低、相变可逆等特点，在不同的电压下GST可以实现晶态相和非晶态相间的可逆相变，本实用新型实施例可以利用GST晶态和非晶态折射率的不同从而实现对第一接收超透镜211焦距的调节。

可选地，第一电极层2114以及第二电极层2115为氧化铟锡。

其中，用于作为第一电极层2114与第二电极层2115的材料可以是氧化铟锡(ITO，Indium tin oxide)，其是一种N型氧化物半导体，对可见光波段透明，并且，其作为纳米铟锡金属氧化物可以具有很好的导电性，比较适用于制作成电极层填充或设置于本实用新型实施例的第一相变材料层2113的两侧，用于对该第一相变材料层2113施加电压。

可选地，准直超透镜13包括：第二基底、第二纳米结构、第二相变材料层、第三电极层以及第四电极层；第二基底的一侧设置有多个第二纳米结构，第三电极层填充于第二纳米结构的周围，第三电极层的高度低于第二纳米结构的高度；第二相变材料层设置在第三电极层远离第二基底的一侧，且填充于第二纳米结构的周围，第三电极层与第二相变材料层的高度之和大于或等于第二纳米结构的高度；第四电极层设置于第二相变材料层远离第二基底的一侧；第三电极层以及第四电极层用于对第二相变材料层加载电压，第二相变材料层能够根据所加载的电压改变准直超透镜13出射光束的出射角度。

本实用新型实施例中，准直超透镜13也可以是可调的超透镜，例如可以通过施加电压改变该准直超透镜13所射出光束的出射角度，从而使该发射系统1最终所发射的光束(用于探测的光束)能够实现扫描。其中，该准直超透镜13的结构也可以与焦距可调的第一接收超透镜211结构相似，且该准直超透镜13中的各个结构层分别与焦距可调的第一接收超透镜211的各个结构层一致，例如，准直超透镜13中的第二基底、第二纳米结构、第二相变材料层、第三电极层以及第四电极层，分别与该第一接收超透镜211中的第一基底2111、第一纳米结构2112、第一相变材料层2113、第一电极层2114以及第二电极层2115相对应，具体内容可参考焦距可调的第一接收超透镜211的相关描述，此处将不再赘述。

本实用新型实施例中，例如在需要进行鱼群定位的情况下，该海洋激光雷达系统可以通过对准直超透镜13施加电压，改变其相位，使最终射出的光束的出射角度相应地进行改变，进而能够使出射角度的范围(如扫描角度)变小，最终可以使该光束能更精确地扫描到鱼群(如此时的目标)，并且可以令接收系统2直接获得由该鱼群所反射的回波信号，更有利于针对性的探测，提高了海洋激光雷达系统针对不同目标的探测精度。

可选地，参见图6所示，该信号接收模组22包括：半透半反镜221、第一接收模组222和第二接收模组223；半透半反镜221设置在放大超透镜模组21的出光侧，用于将射入半透半反镜221的回波信号，一部分透射向第一接收模组222，另一部分反射向第二接收模组223；第一接收模组222与第二接收模组223分别实现不同的探测功能。

本实用新型实施例中，在放大超透镜21的出光侧设置有半透半反镜221，该半透半反镜221是一种在光学玻璃上镀制半反射膜，改变入射光束(如本实施例中由放大超透镜模组21所发射的回波信号)原来的透射和反射的比例的光学元件，透射部分光线、反射另一部分光线。虽然从字面意思上可以理解：该半反半透镜221的透射率和反射率各占50％，例如当入射光束(经放大的回波信号)经过该半反半透镜221以后，其透过的光强和被反射的光强各占50％；但本实用新型实施例中的半反半透镜221其也可以根据具体需求不同，从而选择实际所需的透射率以及反射率，例如，该半反半透镜221的透射率可以比较低(如40％、45％等)，相应地，其反射率可以比较高(如60％、55％等)；或者该半反半透镜221的透射率也可以比较高(如60％、55％等)，相应地，其反射率可以比较低(如40％、45％等)，本实用新型实施例将其统称“半反半透”，其中，该半透半反镜221拥有低吸收的特性。

本实用新型实施例中，该半透半反镜221可以将射入其中的回波信号，一部分(如50％)透射出去，并射向该透射方向上对应设置的第一接收模组222中；另一部分(如另50％)反射出去，并射向该反射方向上对应设置的第二接收模组223中。其中，该第一接收模组222与该第二接收模组223是能够对射入其中回波信号进行处理并实现某种探测功能的模组，且该第一接收模组222与该第二接收模组223各自所能实现的探测功能不同。例如，该第一接收模组222可以基于透射其中的回波信号进行海底地形探测，绘制三维地形图，该第二接收模组223可以基于透射其中的回波信号进行鱼群定位追踪，如通过分析射入的回波信号的偏振态和其他信息可得知鱼群的种类、鱼群精确的移动方向、移动速度等信息，便于渔民做出预判，提高收成；或者，该第一接收模组222可以基于透射其中的回波信号进行鱼群定位追踪，该第二接收模组223可以基于透射其中的回波信号进行海底地形探测，绘制三维地形图，只要两个接收模组分别实现不同功能即可。需要说明的是，第一接收模组222和第二接收模组223分别针对射入其中的回波信号所进行的处理或分析过程属于现有技术，本实用新型实施例并未对该处理或分析过程进行改进。

本实用新型实施例所提供的海洋激光雷达系统，通过使放大后的回波信号射入半透半反镜221中，可以实现对该放大后的回波信号进行分光，并在该半透半反镜221的透射方向和反射方向上对应设置可以实现不同探测功能第一接收模组222和第二接收模组223，使得该海洋激光雷达系统可以实现多种不同的探测功能，且结构简单。

可选地，参见图7所示，该信号接收模组22还包括：二向色镜224和第三接收模组225；该二向色镜224设置在放大超透镜模组21与半透半反镜221之间，用于第一波段的回波信号透射向半透半反镜221，将第二波段的回波信号反射向第三接收模组225；或者，二向色镜224用于将第一波段的回波信号反射向半透半反镜221，将第二波段的回波信号透射向第三接收模组225；第一波段包括发射系统1所发射光束的波长；第二波段包括发射系统1所发射光束的波长经红移后的波长；第三接收模组225基于该第二波段的回波信号，实现相应的探测功能。

如图7所示，该信号接收模组22除了可以包括半透半反镜221、第一接收模组222以及第二接收模组223以外，还可以包括二向色镜224和第三接收模组225，且该二向色镜224设置在该放大超透镜21的出光侧以及该半透半反镜221的入光侧的位置上。其中，二向色镜224又称双色镜，是一种对一些波长的光束(回波信号)几乎完全透过，而对另一些波长的光束(回波信号)几乎完全反射的分光元件，且该二向色镜224具有对于波长的定位准确，光能损耗较小的优点。

通常情况下，发射系统1所发射的激光光束在海水中传播，能够与海水中的微粒元素产生碰撞，从而发生散射；而在这过程中，原本应正常反射向接收系统2的回波信号中的一部分回波信号，会因该碰撞过程存在能量交换，使其光频率发生变化，出现波长红移的现象，最终导致射入该接收系统2的回波信号中的一部分回波信号，其波长大于发射系统1所发射的光束的波长。例如，在发射系统1所发射光束的波长为532nm的情况下，由于该光束与海水中的微量元素碰撞发生散射，导致所反射的回波信号中，一部分回波信号的波长向红光波长(625nm～740nm)靠近，甚至超过红光波长变得更大，如其波长变为600nm等；使得射入接收系统2的回波信号中，一部分回波信号的波长与发射系统1所发射的光束的波长近似(如依旧是532nm)，另一部分因发生波长红移，其波长较大(如600nm)。

本实用新型实施例中的二向色镜224可以根据射入其中的回波信号的波长大小，对回波信号进行区分。其中，由于发射系统1所发射的激光光束在海水中传播，能够与海水中的微粒元素产生碰撞，从而发生波长红移，射入信号接收模组22的光束除了包括发射系统1所发射光束之外，还包括该发射光束经红移后的光束，本实用新型实施例利用二向色镜224实现对不同波长光束(发射光束、红移后的光束)进行分束，从而能够区分开发射光束和红移后的光束。本实用新型实施例中，该二向色镜224能够对两个不同波段的光分别实现透射和反射，该发射光束的波长位于其中一个波段，该红移后的光束位于另一波段，从而实现分束。为方便描述，本实施例以第一波段、第二波段分别指代上述的两个波段。

具体地，该二向色镜224的回波信号中，存在波长大小处于第一波段(包括发射系统1所发射光束的波长)的回波信号以及波长大小处于第二波段(包括发射光束的波长经红移后的波长)的回波信号，该二向色镜224可以将该第一波段的回波信号透射至半透半反镜221中，将该第二波段的回波信号反射至第三接收模组225中(如图7所示)；或者，该二向色镜224也可以将该第二波段的回波信号进行透射，并透射向第三接收模组225，且可以对第一波段的回波信号进行反射，使第一波段的回波信号反射至该半透半反镜221中，以实现将第二波段的回波信号(如经海水中微粒散射并产生红移的回波信号)与第一波段的回波信号进行分离；本实用新型实施例只需令第二波段的回波信号射入第三接收模组225即可，对于是反射进入还是透射进入不做具体限定。

其中，该第三接收模组225与第一接收模组222或者第二接收模组223类似，都是可以实现某种探测功能的模组。可选地，参见图8所示，第一接收模组222、第二接收模组223和第三接收模组225均包括：会聚超透镜2221和接收探测器2222；会聚超透镜2221用于将射入的回波信号聚焦至相应的接收探测器2222；接收探测器2222用于对射入的回波信号进行处理。其中，每个接收模组中的会聚超透镜2221均设置在相应接收模组的入光侧，每个接收模组中的接收探测器2222均设置在相应接收模组的会聚超透镜2221的出光侧，图8中以会聚超透镜2221的上侧为其出光侧示出。本实用新型实施例中，当回波信号射入对应的接收模组中，相应接收模组中的会聚超透镜2221可以对入射的回波信号进行会聚，并使该回波信号聚焦至相应的接收探测器2222，由该接收探测器2222对聚焦其中的回波信号进行相应的处理，以实现对应的探测功能。其中，本实用新型实施例并未对该接收探测器2222对回波信号的处理过程进行改进，其处理过程属于现有技术。

例如，参见图9所示的海洋激光雷达系统，在对发射系统1中的准直超透镜13施加电压，使其能够向海洋发射波长为532nm的扫描光束，且预设第一波段小于540nm，第二波段大于540nm的情况下，当回波信号射入该接收系统2时，该回波信号可以先通过放大超透镜模组21进行放大，并被射向二向色镜224；该二向色镜224可以对波长大于540nm(第二波段)的回波信号进行反射，使其射入第三接收模组225中，该第三接收模组225可以针对波长大于540nm的回波信号进行处理，如通过对信号频移大小和信号强弱分析能得出与发射的光束所碰撞的微粒成分，实现海水成分分析功能；而射入该二向色镜224中波长小于540nm(第一波段)的回波信号(包括与发射光束的波长一致的532nm的回波信号)将会被透射向半透半反镜221。该半透半反镜221分别将部分波长小于540nm的回波信号(第一波段的回波信号)透射至第一接收模组222，以及将另外部分波长小于540nm的回波信号(第一波段的回波信号)反射至第二接收模组223，使该第一接收模组222可以对这部分回波信号进行处理，如绘制海底三维地形图，实现对海底的勘测功能(如图10所示)；而第二接收模组223可以对另外部分回波信号进行处理，通过分析回波信号的偏振态和其他信息可得知鱼群的种类、鱼群精确的移动方向、移动速度等信息，实现鱼群定位功能(如图11所示)。本实用新型实施例所提供的海洋激光雷达系统，可以同时实现如海底三维地形图的绘制、鱼群定位以及海水成分分析三种不同的功能，且整体结构简单。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型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实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换的技术方案，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (12)

1.一种海洋激光雷达系统，其特征在于，包括：发射系统(1)和接收系统(2)；所述发射系统(1)用于向目标发射光束，所述接收系统(2)用于接收经所述目标反射的回波信号；

所述发射系统(1)包括：激光光源(11)、扩束超透镜(12)和准直超透镜(13)；所述激光光源(11)用于发射预设波长的光束；所述扩束超透镜(12)设置在所述激光光源(11)的出光侧，用于对所述预设波长的光束进行扩束，得到扩束后的光束；所述准直超透镜(13)设置在所述扩束超透镜(12)的出光侧，用于对所述扩束后的光束准直，并射向所述目标；

所述接收系统(2)包括：放大超透镜模组(21)和信号接收模组(22)；所述放大超透镜模组(21)用于将所述目标反射的回波信号放大并射出；所述信号接收模组(22)设置在所述放大超透镜模组(21)的出光侧，用于基于放大后的回波信号实现探测功能。

2.根据权利要求1所述的海洋激光雷达系统，其特征在于，所述放大超透镜模组(21)包括：第一接收超透镜(211)和第二接收超透镜(212)，所述第二接收超透镜(212)设置在所述第一接收超透镜(211)的出光侧，且与所述第一接收超透镜(211)共光轴；

所述第一接收超透镜(211)用于接收所述目标反射的回波信号；

所述第二接收超透镜(212)的物方焦平面与所述第一接收超透镜(211)的像方焦平面处于同一平面。

3.根据权利要求2所述的海洋激光雷达系统，其特征在于，所述第一接收超透镜(211)为焦距可调的超透镜，所述第一接收超透镜(211)包括：第一基底(2111)、第一纳米结构(2112)、第一相变材料层(2113)、第一电极层(2114)以及第二电极层(2115)；

所述第一基底(2111)的一侧设置有多个所述第一纳米结构(2112)，所述第一电极层(2114)填充于所述第一纳米结构(2112)的周围，所述第一电极层(2114)的高度低于所述第一纳米结构(2112)的高度；所述第一相变材料层(2113)设置在所述第一电极层(2114)远离所述第一基底(2111)的一侧，且填充于所述第一纳米结构(2112)的周围，所述第一电极层(2114)与所述第一相变材料层(2113)的高度之和大于或等于所述第一纳米结构(2112)的高度；所述第二电极层(2115)设置于所述第一相变材料层(2113)远离所述第一基底(2111)的一侧；

所述第一电极层(2114)以及所述第二电极层(2115)用于对所述第一相变材料层(2113)加载电压，所述第一相变材料层(2113)能够根据所加载的电压改变所述第一接收超透镜(211)的焦距；

所述第二接收超透镜(212)能够沿光轴方向位移，改变所述第二接收超透镜(212)的物方焦平面的位置。

4.根据权利要求1所述的海洋激光雷达系统，其特征在于，所述准直超透镜(13)包括：第二基底、第二纳米结构、第二相变材料层、第三电极层以及第四电极层；

所述第二基底的一侧设置有多个所述第二纳米结构，所述第三电极层填充于所述第二纳米结构的周围，所述第三电极层的高度低于所述第二纳米结构的高度；所述第二相变材料层设置在所述第三电极层远离所述第二基底的一侧，且填充于所述第二纳米结构的周围，所述第三电极层与所述第二相变材料层的高度之和大于或等于所述第二纳米结构的高度；所述第四电极层设置于所述第二相变材料层远离所述第二基底的一侧；

所述第三电极层以及所述第四电极层用于对所述第二相变材料层加载电压，所述第二相变材料层能够根据所加载的电压改变所述准直超透镜(13)出射光束的出射角度。

5.根据权利要求3所述的海洋激光雷达系统，其特征在于，所述第一相变材料层(2113)使用的相变材料为锗锑碲。

6.根据权利要求3所述的海洋激光雷达系统，其特征在于，所述第一电极层(2114)以及所述第二电极层(2115)为氧化铟锡。

7.根据权利要求3所述的海洋激光雷达系统，其特征在于，所述第一相变材料层(2113)、所述第一电极层(2114)以及所述第二电极层(2115)均为在工作波段透明或半透明材料，且所述第一纳米结构(2112)的折射率分别与所述第一相变材料层(2113)、所述第一电极层(2114)或者所述第二电极层(2115)的折射率之间的差值的绝对值大于或等于0.5。

8.根据权利要求3所述的海洋激光雷达系统，其特征在于，所述第一纳米结构(2112)的材质包括：氧化钛、氮化硅、熔融石英、氧化铝、氮化镓、磷化镓、非晶硅、晶体硅或氢化非晶硅中的一种。

9.根据权利要求1所述的海洋激光雷达系统，其特征在于，所述信号接收模组(22)包括：半透半反镜(221)、第一接收模组(222)和第二接收模组(223)；所述半透半反镜(221)设置在所述放大超透镜模组(21)的出光侧，用于将射入所述半透半反镜(221)的回波信号，一部分透射向所述第一接收模组(222)，另一部分反射向所述第二接收模组(223)；所述第一接收模组(222)与所述第二接收模组(223)分别实现不同的探测功能。

10.根据权利要求9所述的海洋激光雷达系统，其特征在于，所述信号接收模组(22)还包括：二向色镜(224)和第三接收模组(225)；

所述二向色镜(224)设置在所述放大超透镜模组(21)与所述半透半反镜(221)之间，用于将第一波段的回波信号透射向所述半透半反镜(221)，将第二波段的回波信号反射向所述第三接收模组(225)；或者，所述二向色镜(224)用于将第一波段的回波信号反射向所述半透半反镜(221)，将第二波段的回波信号透射向所述第三接收模组(225)；

所述第一波段包括所述发射系统(1)所发射光束的波长；

所述第二波段包括所述发射系统(1)所发射光束的波长经红移后的波长；

所述第三接收模组(225)基于所述第二波段的回波信号，实现相应的探测功能。

11.根据权利要求10所述的海洋激光雷达系统，其特征在于，所述第一接收模组(222)、所述第二接收模组(223)和所述第三接收模组(225)均包括：会聚超透镜(2221)和接收探测器(2222)；所述会聚超透镜(2221)用于将射入的回波信号聚焦至相应的接收探测器(2222)；所述接收探测器(2222)用于对射入的回波信号进行处理。

12.根据权利要求1-11任一所述的海洋激光雷达系统，其特征在于，所述海洋激光雷达系统的工作波段包括绿光波段。

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