CN102243307A - Sbs激光雷达水下探测自动扫描*** - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于受激布里渊散射(SBS)激光雷达的水下探测自动扫描***，为了便于在实际运用中发挥SBS激光雷达的反隐身探测优势，该***可安装在船的底部，在水下完成自动扫描，该***解决了手动实验的繁琐和探测精度很难把握的问题，同时消除了实验中光只能从水面射入带来的水面反射影响。其探测方法的主要特征是：把整个光路和电控平台集成在一个密闭容器里，容器由金属和玻璃构成，通过控制器来控制光路方向和激光在水下的聚焦的位置，同时控制激光能量和数据采集，达到激光雷达的探测和扫描。该发明有效的提高了操作的便携性和探测精度，方便运用到实际的水下探测中。

Description

SBS激光雷达水下探测自动扫描***

技术领域

本发明属于水下物体探测技术领域，特别是涉及水下物体的采用布里渊散射法探测的技术领域。

背景技术

海洋激光雷达***经过了几代的发展，技术上已经趋于成熟，其优缺点也非常明显。传统的海洋激光雷达***，其探测的水下物体的方法都是直接探测物体或者海底的反射信号，属于幅度探测。布里渊海洋激光雷达***突破了这一传统，利用调频探测的手段，直接探测水体本身的回波信号，通过对此信号的分析，识别物体的有无，进而确定其深度，且可以进一步通过扫描获得更多的信息。这种探测方法使得目前任何针对幅度探测的隐身技术都不起作用。然而，基于自发布里渊散射的激光雷达***实际表现比较一般，其主要原因是，自发信号的不可控性增加了不同深度回波信号的串扰，使得探测的距离分辨率较差，并且未经处理的高能量单纵模激光直接与水体接触，在近距离就可能产生非常强烈的受激布里渊散射(SBS)，导致激光的水下有效传输距离变短。

通过仔细的理论分析和实验，北师大和南昌航大提出并成功研制了基于SBS的激光雷达***。该***使用会聚光路将入射激光会聚于指定深度，由于SBS的阈值特性，只有在会聚点附近SBS才会发生，而之前的位置处没有SBS信号，从而获得了很好的深度分辨率。另一方面，高能激光刚入水的时候处于扩束状态，其功率密度并不高，从而避免了不必要的非线性效应带来额外的能量损失。

但是实验操作很繁杂，而且手动操作很难达到高精度、高效率的自动实时探测，探测范围有限，而且不能有效的阻止水面的反射带来的干扰。

发明内容

本发明是针对上述现有技术的不足，研制了一套能够完成自动探测和扫描的SBS激光雷达装置。

该装置主要包括：1、反射镜2、偏振片3、四分之一玻片4、凹透镜5、凸透镜6、位移平台7、大转台8、容器(材料是金属和玻璃)9、钢筋10、固定支架11、玻璃12、反射镜

要实现自动探测和扫描实验除了这套装置外，还有：1、pc机2、时序控制装置(脉冲延时发生器DG535)3、YAG脉冲激光器4、信号采集和接收装置(课题组研制的F-P标准具，数据采集卡、增强型CCD)5、扫描控制器的软硬件

SBS激光雷达的工作原理是通过SBS信号的有无来判断物体的存在。本发明把探测光路和扫描原器件集成在容器里，以方便能伸到水下，安装在船的底部，通过控制器来控制装置，另外结合船里面的光源和接收装置，来发挥雷达的功能。

所述的装置最关键的地方是能够把整个装置伸入水下，而且扫描精度要求非常高，结合图来说明，在长方体容器里，先把反射镜、偏振片、四分之一玻片用光路对准，在容器内固定住，紧接着在容器底端固定一个大转台，转台中央固定一个反射镜，一侧固定滑台，滑台上固定凹透镜(焦距可选)，凹透镜的前方固定一个凸透镜(焦距可选)，凹透镜和凸透镜组合，通过改变两者的相对位置，来改变焦点在水中的位置，透镜组的成像公式为：

$\frac{1}{f_1+d_1}+\frac{1}{d_2}=\frac{1}{f_2}$

f₁为凹透镜的焦距，f₂为凸透镜的焦距，d₁为两透镜的距离，d₂为透镜组成像的位置距离，通过改变来d₁改变d₂。

大转台可以完成360度的旋转，来带动透镜组旋转，完成360°的扫描，容器的材料主要是金属和玻璃，玻璃的作用就是为了透光，在透镜组的平行位置以下，容器的四周用玻璃围成，玻璃不能承受住大转台和滑台的重量，所以必须在长方体的四条高用钢筋焊接，再用密封玻璃围住，保证透光，圆形的玻璃非常难加工，因此可以使用四块平面玻璃，那么容器的四个高就是扫描的盲区。

至于扫描的精度要求，主要通过控制的软件和硬件来实现。

主控制器需要一款稳定高性能的芯片，因此决定使用TI公司的数字处理器TMS320SF2812，负责完成外部信号的处理，电机的驱动信号的输出和整个控制算法的运算和实现

逆变驱动电路是电机驱动的重要部分，功率驱动电路采用的是由MOSFET功率开关管等分离元器件主成的

位置传感器是控制***反馈通道的核心，驱动电机的位置传感器采用绝对光电编码器，补偿电机的位置传感器则采用增量式光电编码器。

设计了一个电流检测电路检测实际运行过程中直流测母线的电流大小，并提供过流保护功能

软件方面采用经典的数字PID控制算法，可以满足闭环控制，从而精度有了保证。

本发明的精度指标：

扫描角范围：0°～360°；

角速度(可调)：＞5°/s；

水平距离(可根据透镜的焦距改变)：初定为3m～200m；

转台转动偏差＜5’；

附图说明

图1：***原理图

图2：玻璃长方体

图3：位移滑台

图4：大转台

具体实施方式

图1中各标号：1、反射镜2、偏振片3、四分之一玻片4、凹透镜5、凸透镜6、位移平台7、大转台8、容器9、钢筋10、固定支架11、玻璃12、反射镜

首先做好实验准备，本实施方式参照图1调节好光路，容器伸入水中，pc机和时序控制DG535链接，DG535的输出通道链接激光器和ICCD。

首先由YAG脉冲激光做光源，激光器工作模式是单纵模，线宽约为90MHz，我们用的是二倍频532nm，单脉冲最大输出能量为1.5J/脉冲，脉冲重复频率为10Hz，脉冲宽度为8ns，线宽为0.003cm-1。结合图1，YAG脉冲激光器输出激光束经过反射镜(1)后，通过偏振片(2)，然后再通过四分之一玻片(3)变成圆偏振光，再射入固定在大转台上(7)上的反射镜(12)，光束被反射到凹透镜(4)和凸透镜(5)组成的聚焦***上，聚焦***使所述探测激光束透过玻璃(11)聚焦在控制器给定的深度，在该探测深度处产生的SBS信号光束沿原路返回，所述的SBS信号光束依次通过凸透镜(5)和凹透镜(4)重新变成平行光束，然后再一次通过四分之一玻片(3)变成垂直偏振光，该垂直偏振光被偏振片(2)反射到F-P标准具上，该F-P标准具和ICCD密封组成检测、处理和接收受激布里渊散射光谱***，并且把该光谱由圆环状显示在pc上，pc机上显示的就是探测结果。控制器控制滑台(6)运动，给定一个聚焦深度，比如发送50m，透镜组就能使光在平行方向50m处汇聚成焦点，由于SBS的阈值特性，只有在会聚点附近SBS才会发生，同时控制器发送指令给底层的大转台(7)，大转台上面固定住一个反射镜(12)和整个聚焦组合(包括运动滑台(6)、凹透镜(4)、凸透镜(5))，反射镜(12)能保证光路对准，大转台(7)做旋转，从而完成360°的扫描，水平距离设定为3～200m，可根据要求通过改变凹透镜(4)和凸透镜(5)的焦距来设定范围。

从而改变激光在水下的焦点，同时控制器控制大转台(7)的转动，改变光的传播方向，使扫描范围扩展到0～360°。

Claims (5)

1.SBS激光雷达水下探测自动扫描***包括：pc机、扫描控制器、YAG脉冲激光器、F-P标准具、ICCD、反射镜(1)、偏振片(2)、四分之一玻片(3)、凹透镜(4)、凸透镜(5)、位移平台(6)、大转台(7)、容器(8)、钢筋(9)、固定支架(10)、玻璃(11)，反射镜(12)

YAG脉冲激光器输出激光束经过反射镜(1)后，通过偏振片(2)，然后再通过四分之一玻片(3)变成圆偏振光，再射入固定在大转台上(7)上的反射镜(12)，光束被反射到凹透镜(4)和凸透镜(5)组成的聚焦***上，聚焦***使所述探测激光束透过玻璃(11)聚焦在pc机给定的深度，在该探测深度处产生的SBS信号光束沿原路返回，所述的SBS信号光束依次通过凸透镜(5)和凹透镜(4)重新变成平行光束，然后再一次通过四分之一玻片(3)变成垂直偏振光，该垂直偏振光被偏振片(2)反射到F-P标准具上，该F-P标准具和ICCD密封组成检测、处理和接收受激布里渊散射光谱，并且把该光谱由圆环状显示在pc上，pc机上显示的就是探测结果。控制器控制滑台(6)运动，给定一个聚焦深度，从而改变激光在水下的焦点，同时控制器控制大转台(7)的转动，改变光的传播方向，使扫描范围扩展到0～360°。

2.如权利要求1所述的SBS激光雷达水下探测自动扫描***，其特征在于：能基于SBS激光探测原理，把光路和电控部分集成在一个密闭容器(8)里，在水下完成自动扫描，大大提高了操作的便携性和探测精度。

3.如权利要求1所述的SBS激光雷达水下探测自动扫描***，其特征在于：控制器芯片采用TI公司的数字处理器TMS320SF2812，负责完成外部信号的处理和整个控制算法的运算和实现，控制算法采用PID控制算法，整个控制形成闭环控制，精度完全可以满足探测的高要求。

4.如权利要求1所述的SBS激光雷达水下探测自动扫描***，其特征在于：光源波长为532nm，脉冲频率为每秒10个脉冲，脉宽为6～10ns。

5.如权利要求1所述的SBS激光雷达水下探测自动扫描***，其特性在于：F-P标准具的自由光谱范围为18.5～20GHz，入射窗口宽5mm，光的入射角约为1.6°。

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