一种水下高重频激光测距与LIBS联合探测系统
技术领域
本实用新型属于海洋勘测技术领域,具体地说,是涉及一种用于对水下目标物进行定位及元素组分测量的装置。
背景技术
海洋中蕴含着丰富的固体矿产资源,其中,多金属结核、富钴结壳和多金属硫化物中均富含有Co、Ni、Cu、Pb、Zn等金属元素;深海沉积物中含有大量的稀土资源,这些金属元素和稀土已成为人类社会可持续发展的重要物质基础。
现阶段,对于海洋矿产资源的勘探通常采用深海拖曳式调查、海底摄像等技术获取海底形貌信息,并结合海底沉积物取样方法获取元素组分信息,以综合研判海洋矿产资源分布情况。这种传统的取样勘探技术无法实时、快速地提供水下目标信息,不能满足长期、大范围海底调查的任务要求。
随着载人潜器、水下机器人等运载平台技术的应用,为水下目标的原位探测提供了可能,同时,也对发展水下目标定位探测及元素组分检测提出了迫切需求。
在水下目标定位探测方面,以水下激光成像技术为主要手段,包括距离选通成像、同步扫描成像等技术。其中,距离选通成像需要利用高能量脉冲激光器和ICCD选通相机,通过控制ICCD选通相机仅在被观察目标的反射脉冲到达时进行选通成像,可以有效抑制后向散射噪声。同步扫描成像技术是利用扫描激光和接收装置同步,逐个像素点探测来重建图像,可以提高成像信噪比和作用距离。
在水下目标元素组分检测方面,以激光诱导击穿光谱技术(Laser-inducedBreakdown Spectroscopy,LIBS)为主要手段,即,利用高功率脉冲激光与被测物质作用产生瞬态等离子体,并通过对等离子体的发射光谱进行分析达到对样品定性和定量检测。该技术已在水下固体目标元素组分原位检测中获得了初步应用。
将水下目标定位技术和元素组分检测技术联合应用,是实现海洋矿产资源原位探测的新方法,但目前国内外在该领域仍处于探索阶段。
发明内容
本实用新型的目的在于提供一种水下高重频激光测距与LIBS联合探测系统,以解决对水下目标物进行原位测距及元素组分检测联合应用的问题。
为解决上述技术问题,本实用新型采用以下技术方案予以实现:
一种水下高重频激光测距与LIBS联合探测系统,包括高重频激光器、激光测距通道、LIBS探测通道、同步控制与采集模块;其中,所述高重频激光器用于发射重频在1kHz以上的激光脉冲;所述激光测距通道用于对水下目标物进行定位探测,包括扫描振镜、望远镜、单光子探测器和光子计数器;所述扫描振镜用于将所述高重频激光器发射的激光脉冲射入水体中,以对水下目标物进行扫描;所述望远镜用于接收水下目标物反射的回波信号;所述单光子探测器和光子计数器用于对所述望远镜接收到多周期回波信号进行光子累加计数;所述LIBS探测通道用于对水下目标物的元素组分进行探测,包括压电物镜、声光调制器和光栅光谱仪;所述压电物镜用于将所述高重频激光器发射的激光脉冲聚焦于水下目标物的表面,烧蚀目标物以激发出等离子体,并收集等离子体的辐射光;所述声光调制器通过声光调制仅使所述压电物镜收集到的等离子体演化中后期的辐射光透过;所述光栅光谱仪用于接收所述声光调制器透过的辐射光,并生成光谱数据;所述同步控制与采集模块用于接收所述光子计数器输出的光子累加计数以及所述光栅光谱仪生成的光谱数据,以用于对水下目标物进行测距及元素组分的检测。
在本申请的一些实施例中,为了改变所述激光脉冲的传播路径,实现高重频激光脉冲的资源共享,可以在所述联合探测系统中设置可翻转高反镜和电控翻转镜架;其中,所述可翻转高反镜安装在电控翻转镜架上,在系统工作于激光测距阶段,所述同步控制与采集模块输出控制信号控制电控翻转镜架翻转所述可翻转高反镜至所述高重频激光器的光路前方,将所述高重频激光器发射的激光脉冲反射至所述激光测距通道;在系统工作于LIBS探测阶段,控制所述电控翻转镜架将所述可翻转高反镜翻转移出光路。
在本申请的一些实施例中,为了使系统中各部件的布设位置更加集中,可以在所述激光测距通道中设置固定高反镜和中心通孔高反镜;在系统工作于激光测距阶段,可以利用可翻转高反镜将高重频激光器发射的激光脉冲反射至所述固定高反镜,通过所述固定高反镜反射至所述中心通孔高反镜,透过所述中心通孔高反镜射入扫描振镜;同时,可以利用所述中心通孔高反镜接收水下目标物反射的回波信号,并反射至望远镜。通过改变激光脉冲的传播路径,缩短光路的直线距离,可以缩小装置的整体尺寸,便于搭载和转移。
在本申请的一些实施例中,可以在所述LIBS探测通道中设置中心通孔高反镜和会聚透镜;将所述中心通孔高反镜布设在所述高重频激光器的光路前方,在所述电控翻转镜架控制所述可翻转高反镜翻转移出光路后,通过所述高重频激光器发射激光脉冲便可透过所述中心通孔高反镜射入到压电物镜;同时,经由压电物镜收集到的等离子体辐射光也可以通过所述中心通孔高反镜反射至所述会聚透镜,经由所述会聚透镜聚焦后,射入所述声光调制器。
在本申请的一些实施例中,为了提高水下目标物的烧蚀和激发效率,可以在所述LIBS探测通道中设置压电物镜位移器,用于控制所述压电物镜位移,使所述压电物镜形成的激光焦点刚好落在水下目标物的表面。
在本申请的一些实施例中,为了对水下目标物的元素组分实现高灵敏度原位检测,可以将所述联合探测系统搭载在一个载体上,所述载体可以根据测距结果控制所述联合探测系统移动,以接近所述水下目标物。
在本申请的一些实施例中,可以配置所述载体与系统中的同步控制与采集模块通信,获取测距结果并将所述联合探测系统移动至距离水下目标物L的位置处停止,所述L可以根据所述压电物镜的焦距确定。根据压电物镜的焦距确定联合探测系统的移动位置,通过将联合探测系统移动到水下目标物附近,使二者之间的距离L约等于压电物镜的焦距;然后,再通过压电物镜位移器对压电物镜所形成的激光焦点进行精确调节,由此便可使激光焦点落在水下目标物的表面。
在本申请的一些实施例中,所述载体可以是潜水器,也可以是水下机器人。
在本申请的一些实施例中,可以配置所述同步控制与采集模块控制所述高重频激光器在激光测距阶段发射重频在50kHz以上的激光脉冲,在LIBS探测阶段发射重频在1 kHz~50kHz的激光脉冲。由于重频在1kHz~50kHz之间的单脉冲激光的能量高于水下固体目标物的击穿阈值,因此适用于水下固体目标物的LIBS探测;而在激光重频超过50kHz时,对应较低的单脉冲激光能量,适用于水下单光子激光测距。通过调节高重频激光器的激光脉冲发射重频,即可作为联合探测系统的共享光源。
在本申请的一些实施例中,可以配置所述高重频激光器发射波长为532nm的高重频激光脉冲,以满足激光测距与LIBS探测的需求。
与现有技术相比,本实用新型的优点和积极效果主要体现在:
1、本实用新型采用高重频脉冲激光作为激发光源(由现有技术中的10Hz以下,提高为千赫兹至几百千赫兹),通过对高重频激光光源进行共享设计,将水下激光测距与激光诱导击穿光谱技术进行有机融合,从而使得一套系统可以同时完成水下目标远距离定位以及原位检测水下目标元素组分的双重功能。
2、本实用新型将千赫兹量级的高重频激光脉冲引入水下激光测距过程中,可以采用对多周期回波信号进行累加光子计数的方式,来提高系统探测通量和灵敏度。
3、本实用新型将高重频激光脉冲引入水下固体目标物的LIBS探测过程中,不仅可以利用连续脉冲间的相互协同作用,实现与水下双脉冲/多脉冲LIBS类似的光谱增强效果,而且还可以极大地提高单位时间内的LIBS探测通量和统计有效性,综合提升水下固体目标物的LIBS探测灵敏度和精确度。
结合附图阅读本实用新型实施方式的详细描述后,本实用新型的其他特点和优点将变得更加清楚。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案,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它的附图。
图1是本实用新型所提出的水下高重频激光测距与LIBS联合探测系统的一种实施例的整体架构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型的具体实施方式进行详细地描述。
需要说明的是,在本实用新型的描述中,术语“前”、“后”等指示方向或位置关系的术语是基于附图所示的光路方向或位置关系,这仅仅是为了便于描述,而不是指示或暗示所述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。
参见图1,本实施例的水下高重频激光测距与LIBS联合探测系统主要包括高重频激光器11、激光测距通道、LIBS探测通道、同步控制与采集模块13等组成部分。
其中,高重频激光器11可以发射重频在1Hz至500kHz范围内连续可调的激光脉冲,为激光测距通道和LIBS探测通道提供共享光源。考虑到重频在1kHz-50kHz之间的单激光脉冲的能量可以高于水下固体目标物的击穿阈值,因此适合应用在水下固体目标物的LIBS探测过程中,以用于检测出水下固体目标物的元素组分;而激光重频超过50kHz时,对应的单激光脉冲的能量较低,可用于水下单光子激光测距过程中,以实现水下固体目标物的远场定位。
对于高重频激光器11所发射的激光脉冲的波长可以配置为532nm,因为532nm波长的激光脉冲相较于其他波长的激光脉冲在水下传输过程中衰减量最小,尤其适合应用于水下测距环境。
为了对高重频激光器11所发射的激光脉冲实现光源共享,本实施例在联合探测系统中还配置有可翻转高反镜12,优选采用可翻转的532nm高反镜,以用于改变532nm波长的激光脉冲的传播路径,使其在激光测距阶段入射至激光测距通道,实现对水下目标物的远场高精度定位探测,而在LIBS探测阶段入射至LIBS探测通道,实现对水下目标物的近场高灵敏度元素组分的检测。
为了对可翻转高反镜12的旋转角度和旋转方向实现调节,本实施例优选将所述可翻转高反镜12安装在一个电控翻转镜架上,利用同步控制与采集模块13根据系统所要进入的工作阶段,输出相应的控制信号并传输至所述电控翻转镜架,以控制电控翻转镜架驱动可翻转高反镜12在系统进入激光测距阶段时,翻转至高重频激光器11的光路前方,以用于对高重频激光器11发射的激光脉冲进行反射,入射至激光测距通道;而在系统进入LIBS探测阶段时,控制可翻转高反镜12翻转移出光路,使高重频激光器11发射的激光脉冲可以直线传播,入射至LIBS探测通道。
本实施例的激光测距通道用于对水下目标物进行定位探测,通道中配置有固定高反镜21、第一中心通孔高反镜22、扫描振镜23、望远镜24、单光子探测器25、光子计数器26等主要部件。
其中,固定高反镜21的安装位置固定,优选采用532nm高反镜,以用于对入射至激光测距通道的激光脉冲进行反射,入射至第一中心通孔高反镜22,并经由第一中心通孔高反镜22透射后,传输至扫描振镜23,通过扫描振镜23发射至水体中,对水下目标物进行连续的二维扫描。激光脉冲照射水下目标物产生的回波信号经由扫描振镜23返回第一中心通孔高反镜22,通过第一中心通孔高反镜22反射至望远镜24进行接收并聚焦,然后传输至单光子探测器25对回波信号中的单个光子进行探测,并利用光子计数器26对多周期回波信号进行累加光子计数,将同步扫描获得的单光子数据传输至同步控制与采集模块13,以用于对水下目标物进行测距。例如,可以将同步扫描获得的单光子数据进行峰值提取和三维点云重建,由此识别出水下目标物的位置信息。此定位方法是激光测距领域的现有技术,本实施例对此不做详细说明。
本实施例的激光测距通道采用扫描振镜23向水中发射激光脉冲光束对水下目标物进行二维扫描,并利用望远镜24和单光子探测器25接收水下目标物反射的回波信号。考虑到同步扫描测距方式需要通过逐个像素点测量来重建目标物的距离像,其扫描成像速度较慢,因此,采用较高的激光脉冲重复频率,可提高单位时间内发射的激光脉冲数,以提高扫描速率,提升探测信噪比。
为此,本实施例利用同步控制与采集模块13在系统进入激光测距阶段时,控制高重频激光器11发射重频在50kHz以上的激光脉冲,例如可以将激光脉冲的重复频率设置为高重频激光器11的频率调节范围内的最高值500kHz,对应的单脉冲激光能量为最低值60μJ,其高重频有利于提高探测通量及二维扫描成像速率,而其低能量有助于降低单光子探测器25(例如,单光子雪崩二极管SPAD)发生虚警探测的概率。
激光脉冲在水中传播的过程中,受到水体衰减的影响,水下激光传输的回波信号较弱,利用单光子探测器对此弱回波信号进行响应,可提高对目标的探测灵敏度和探测距离。同时,由于常用的单光子探测器SPAD不具备光强分辨能力,本实施例采用高重频的激光脉冲,进行多脉冲累积的单光子时间标记,由此便可快速地获取统计有效的回波信号时间演化曲线,以反演出水下目标物位置(具体过程为现有技术,本实施例对此不做详细说明)。
本实施例的LIBS探测通道用于对已发现的水下目标物的元素组成进行高灵敏度原位检测,通道中设置有第二中心通孔高反镜31、压电物镜32、会聚透镜33、声光调制器34、光栅光谱仪35等主要部件。
其中,第二中心通孔高反镜31位于高重频激光器11的光路前方,在可翻转高反镜12被翻转移出光路后,通过高重频激光器11发射的高重频激光脉冲透过第二中心通孔高反镜31,入射至压电物镜32,通过压电物镜32对激光束进行聚焦,并使激光焦点位于水下目标物的表面,以烧蚀目标物,激发出等离子体。同时,压电物镜32收集等离子体的辐射光,通过第二中心通孔高反镜31反射至会聚透镜33,经由会聚透镜33聚焦后,射入声光调制器34。同步控制与采集模块13对声光调制器34进行声光调制控制,仅将等离子体演化中后期的辐射光透过,由光栅光谱仪35采集后,进行时间分辨LIBS光谱探测,以生成光谱数据,传输至同步控制与采集模块13。同步控制与采集模块13利用LIBS光谱特征峰反演水下目标物中的元素种类及含量,完成对水下目标物元素组分的检测。利用光谱数据分析水下目标物中的元素种类及含量的方法为现有技术,本实施例在此不做详细阐述。
本实施例在进行LIBS探测前,首先根据激光测距阶段获取到的水下目标物的位置信息,通过载体将联合探测系统移动至目标物附近。作为一种优选实施例,可以将本实施例的联合探测系统搭载在潜水器或水下机器人等载体上,利用潜水器或水下机器人拖动联合探测系统移动。具体而言,可以设计同步控制与采集模块13与潜水器或水下机器人通信,将获取到的水下目标物的位置信息发送至潜水器或水下机器人。潜水器或水下机器人根据接收到的位置信息确定水下目标物的位置,然后拖动联合探测系统移动,将联合探测系统移动至距离水下目标物L的位置处停止,所述L可以根据压电物镜32的焦距确定。例如,若压电物镜32的焦距为15mm,则可以将联合探测系统移动至距离水下目标物1.5cm左右的位置。然后,利用压电物镜位移器对压电物镜32的位置进行精准调节,使通过压电物镜32形成的激光焦点恰好落在水下目标物的表面,以烧蚀固体目标物并激发出等离子体。
为了增大激光聚焦角度和焦点处的能量密度,本实施例优选采用短焦距15mm、大数值孔径(NA=0.25)的显微物镜对激光束进行聚焦。由于水下固体目标物具有不同的形貌特征,采用压电物镜位移器对压电物镜32进行精细对焦,调节激光焦点使之恰好位于水下固体目标物的表面,这样可以提高等离子体的激发效率。
由于水体耐压缩、高热传导率的特性,水下固体目标物激发出的等离子体被局限在较小的体积内,并会快速淬灭(温度低、电离度低、寿命短),同时伴随着冲击波传播和气泡膨胀。虽然空化气泡向外膨胀会消耗激光入射能量,但是其可为后续等离子体提供低压、高温的气体环境,持续时间约几百个微秒。为此,对于水下目标LIBS探测通道,本实施例优选采用重复频率超过10kHz的脉冲激光,其相邻激光脉冲间隔缩短为100μs以内,可产生连续脉冲间的能量累积效应,即,后序激光脉冲可以入射到前序激光脉冲诱导的气泡中,产生与空气环境中类似的高激发态等离子体,以提高水下固体目标物的LIBS烧蚀和激发效率,实现水下固体目标物LIBS光谱增强探测。
本实施例利用压电物镜32对高重频脉冲激光进行大角度光束聚焦和焦点位置精确调节,可以提高对水下固体目标物的烧蚀和激发效率。考虑到联合探测系统的集约化设计需求,LIBS探测通道采用轴向收集方式,由压电物镜32和会聚透镜33组合收集等离子体辐射光。在液体环境中,等离子体初始形成时具有较高的电子密度(1020cm-3),导致轫致辐射较为剧烈。在几十kHz的高重频激光脉冲激发下,为了避免每一脉冲下等离子体轫致辐射产生的强连续光谱背景影响,本实施例采用声光调制器34作为高速光开关,并结合光栅光谱仪35实现水下固体目标物的LIBS光谱时间分辨采集,再由LIBS光谱特征峰反演出水下目标物中的元素种类及含量。
在LIBS探测阶段,本实施例优选利用同步控制与采集模块13控制高重频激光器11发射30kHz的高重频激光脉冲,对应的单激光脉冲的能量约为650μJ,该激光脉冲在水体中传输衰减距离D(≈15×1.33 mm)后的能量仍可高于水下固体目标物的击穿阈值。由于30kHz的激光脉冲所对应的相邻脉冲间隔(33μs)短于水下激光诱导气泡的寿命(约100μs),因此,后序激光脉冲可以在前序激光脉冲诱导气泡内产生高激发态等离子体,形成连续脉冲间的相互协同作用,从而实现类似于双脉冲LIBS的水下固体目标物增强激发的效果。
本实施例采用轴向收集的方式对激发的等离子体辐射光进行探测,在每束激光脉冲作用后,水下固体目标物的LIBS光谱先由强连续背景辐射占主导,再依次出现离子特征谱线、原子特征谱线及分子谱带。为了剔除连续背景辐射的干扰,利用声光调制器34作为高速光开关,只允许等离子体演化中后期(0.1μs ~1μs)的辐射光透过并入射到光栅光谱仪35中,在光谱仪曝光时间内(约1s)进行多脉冲累加(约3×104个),以进一步提高水下固体目标物LIBS光谱的信背比和信噪比。
本实施例通过对高重频激光光源进行共享设计,构成一套水下激光测距与LIBS联合探测系统。在远距离条件下,可进行激光扫描测距,获取目标定位;然后,据此位置信息将联合探测系统移动至水下目标物附近;在近距离条件下,则进行LIBS光谱探测,获取水下目标物的元素组分信息。
本实施例不仅提供了远场激光测距与近场LIBS联合进行水下目标定位、元素组成检测的新方案,同时还提高了水下激光测距的扫描速率和水下固体目标物的LIBS探测通量及灵敏度,可为解决海洋矿产资源长期、大范围调查等提供有力支撑。
当然,以上所述仅是本实用新型的一种优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本实用新型原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。