CN109298410B - 一种海洋溢油探测激光雷达 - Google Patents

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Abstract

海洋溢油探测激光雷达***利用激光波段在海水中良好的透过特性，用于水下沉潜油的探测，以及对绿潮、海冰、海底等目标的高精度探测。本发明利用532nm、1064nm双波长高重频激光发射对水下及水上目标进行光学主动探测；利用光学扫描***，实现激光雷达目标的二维扫描，获取目标三维位置；采用激光收发同轴设计形式，降低光学扫描***的实现难度；采用大口径、大视场、多通道的光学接收***，增强水下较弱目标的探测能力；采用高采样频率的信号处理***，实现亚米级精度的目标距离探测；采用偏振探测通道，实现目标表面消偏系数的测量，有利于目标分辨；激光雷达具备机载安装装置、船载安装装置，可以满足不同搭载平台的使用要求。

Description

一种海洋溢油探测激光雷达
技术领域
本发明涉及一种海洋溢油探测激光雷达，属于海洋目标测量技术领域。
背景技术
水下溢油目标的探测是海洋研究要获取的重要目标信息之一，在国民经济建设、海洋权益维护、国防建设和科学研究中具有重要的作用。目前人们对于水下溢油的规律研究及控制水平较低，其重要原因是缺乏快速有效的水下溢油探测手段，特别是30m以内浅海地区的水下溢油分布信息。
上世纪六十年代，美国、加拿大和澳大利亚等国先后研制和试验了第一代激光水深测量***。除了美国的AOL***以外，第一代机载激光雷达海洋探测***都没有扫描和高速数据记录功能，是一种简单的水深测量仪器。20世纪80年代末开始提出机载水下激光成像技术，到90年代初出现了实用型的机载水下激光成像***，激光雷达海洋探测***逐步进入实用的阶段。
其中，加拿大的Optech公司为美国军事工程师协会研制了一种实用的水文勘测***SHOALS(Scanned Hydrographic Operational Airborne Lidar Survey)，利用直升机为载体，飞行高度200m～1000m，具有GPS定位和定高功能，采用200Hz的Nd：YAG激光器，绿光和红外光共线扫描方式，增加了第三个光通道，利用647nm红光的拉曼后向散射进行海面检测以及海面、陆地的区分，拉曼回波全部来自水体的后向散射，没有海面的反射成分，并且受风速和天顶角的影响小，独立的红外和拉曼海面通道保证了20°天顶角以内可靠、准确的海面定位。
CZMIL机载激光测深***作为SHOALS 3000T***的升级版本，该***是美国军方2011年向加拿大Optech公司定制的，2012年交付美国军方使用。CZMIL***是一套集激光测量传感器和影像传感器为一体的新一代水深和沿岸地形测量***，具有光学孔径大、空间分辨率高、适合较差水质的显著特点，最大探测深度超过50m。
在机载激光测深***的研发和应用方面，瑞典的Saab公司(包括后来的AHAB公司)先后开发了Flash***和HAWK EYE***；澳大利亚20世纪70年代开始机载激光测深***的研制，进行了多次海上试验，90年代，Vision***公司投资2400万澳元研制新的机载激光测深***LADS MkⅡ，该套***能以传统声学方法20倍的效率对浅水区进行测量，但总的经费只需传统方法的20％，而且其水深测量精度能够达到《国际海道测量标准》中的一级精度要求；实验改进型机载搜索激光雷达(EAARL)***是美国NASA研制的一种实验室产品，是一种具有测量珊瑚礁、近岸水深、沿岸植被和沙质海滩能力的机载激光雷达***，该***依据电磁波频谱的蓝绿部分，依靠单一激光脉冲便能够无缝测量水下和沿岸地形。
在国内，华中理工大学、上海光机所、长春光机所、西安光机所、中国海洋大学、西安测绘研究所等单位都曾开展过激光水下探测设备的研制论证工作，但都没有形成商品。中国科学院上海光机所和海军海洋测绘研究所曾在国家863计划等的资助下，开展了机载激光测深***的研究，于2004年完成了***样机，并在我国南海成功地进行了飞行测量实验，获得了有价值的试验数据。但是，利用激光雷达多通道探测水下溢油等目标，类似的设备研制还未见报道。因此，迫切需要国内开发海洋溢油探测激光雷达设备，为水下溢油的分布探测、水下溢油扩散过程监测及危害预警等提供有效的观测手段。
虽然，国内的海洋激光雷达主要研制单位进行了较长时间的激光雷达海洋探测技术的探索与研究，如上海光机所、中国海洋大学等，但目前文献可查的海洋溢油探测激光雷达产品仍未见具体报道。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种海洋溢油探测激光雷达，该雷达***采用分离式模块化结构设计，将可产生532nm和1064nm两波长激光的激光器、卡塞格林式望远镜、包含五个光学处理通道、探测器、光学扫描单元、二次电源、整机电缆等组合为一个整体独立模块，构成激光传感器部分；将激光器控制机箱，***控制及信号处理机箱，显示器等其它电子设备组合为一个整体独立模块集成在一个机柜之内，构成***控制及信号处理部分；平台安装结构根据不同的搭载平台及使用环境，设计采用扫描***独立安装装置、***隔振等装置，使激光雷达能够适用于外场工作。与声呐等传统水下探测手段相比，激光雷达具有水面及水下均可探测、探测精度高等优点。通过本发明进行水下溢油的空间分布及识别分析，直接影响到对水下溢油运动扩散规律的估计，进而影响人们对溢油污染等检测与控制等。
本发明目的通过以下技术方案予以实现：
一种海洋溢油探测激光雷达，包括激光传感器单元和信号处理及控制单元；
所述激光传感器单元包括激光发射子***、光学接收子***和光学扫描子***；所述激光发射子***用于发射双波长激光；所述光学扫描子***用于使激光发射子***和光学接收子***沿预定轨迹扫描；
所述光学接收子***包括卡塞格林望远镜、多通道光学处理装置、多通道探测器；所述激光发射子***发射的双波长激光的光轴与卡塞格林望远镜的接收光轴同轴；所述卡塞格林望远镜将接收的反射激光输出给所述多通道光学处理装置，多通道光学处理装置对反射激光进行波长分束处理、偏振分束处理和窄带滤波处理后输出给所述多通道探测器；多通道探测器对接收到的反射激光进行光电转换获得电信号；
所述信号处理及控制单元对所述电信号进行采集、存储和显示。
上述海洋溢油探测激光雷达，所述激光发射子***采用双波长固体激光器。
上述海洋溢油探测激光雷达，所述激光发射子***发射的双波长激光的波长分别为532nm和1064nm；波长为532nm和波长为1064nm的激光的单脉冲能量均大于1mJ，且脉冲重复频率均为10kHz，且偏振度均为100：1。
上述海洋溢油探测激光雷达，所述多通道光学处理装置至少包括波长为532nm的平行通道、波长为532nm的垂直通道、波长为590nm的通道、波长为647nm的通道、波长为1064nm的通道。
上述海洋溢油探测激光雷达，所述多通道探测器的通道数量大于等于激光发射子***的波长数量。
上述海洋溢油探测激光雷达，所述卡塞格林望远镜的光学口径为200mm，视场为6mrad。
上述海洋溢油探测激光雷达，所述多通道光学处理装置包括分色镜1、分色镜2、分色镜3、偏振分光棱镜、第一聚焦镜、第一滤光片、第二聚焦镜、第二滤光片、第三聚焦镜、第三滤光片、第四聚焦镜、第四滤光片、第五聚焦镜、第五滤光片；所述卡塞格林望远镜将接收的反射激光输出给多通道光学处理装置的分色镜1，分色镜1将反射激光分为两束后输出给分色镜2和分色镜3，分色镜2将自身接收到的反射激光分为两束后输出给偏振分光棱镜和多通道探测器的第一通道，偏振分光棱镜将自身接收到的反射激光分为两束后输出给多通道探测器的第二通道和第三通道，分色镜3将自身接收到的反射激光分为两束后输出给多通道探测器的第四通道和第五通道；
所述分色镜2输出的反射激光依次经过第一滤光片、第一聚焦镜后进入多通道探测器的第一通道；偏振分光棱镜输出的反射激光依次经过第二滤光片、第二聚焦镜后进入多通道探测器的第二通道；偏振分光棱镜输出的反射激光依次经过第三滤光片、第三聚焦镜后进入多通道探测器的第三通道；分色镜3输出的反射激光依次经过第四滤光片、第四聚焦镜后进入多通道探测器的第四通道；分色镜3输出的反射激光依次经过第五滤光片、第五聚焦镜后进入多通道探测器的第五通道。
上述海洋溢油探测激光雷达，所述光学扫描子***的光束口径大于200mm，最大扫描速度超过1200转/分钟。
上述海洋溢油探测激光雷达，所述多通道探测器的每个通道的采样率均不小于1GHz，时间分辨率均不小于1ns。
上述海洋溢油探测激光雷达，还包括惯导和GPS天线；所述GPS天线接收外部GPS信号后输出给惯导，所述惯导利用GPS信号能够实现定位，同时惯导能够测量海洋溢油探测激光雷达的所有姿态角。
上述海洋溢油探测激光雷达，还包括光学相机；所述光学相机用于采集海洋的图像信息。
上述海洋溢油探测激光雷达，将所述激光发射子***发射的双波长激光的分为两部分，第一部分用于照射目标，第二部分作为参照激光输出给所述卡塞格林望远镜，卡塞格林望远镜将接收的参照激光输出给所述多通道光学处理装置，多通道光学处理装置对参照激光进行波长分束处理、偏振分束处理和窄带滤波处理后输出给所述多通道探测器；多通道探测器对接收到的参照激光进行光电转换获得电信号。
本发明相比于现有技术具有如下有益效果：
(1)本发明集成了双波长发射，多通道接收探测功能，可完成水面及水下目标光学特性更全面的探测，此种具有偏振探测的海洋探测激光雷达在国内尚属首次研制，能够比现有激光雷达提供更多目标特性，提高激光雷达探测识别不同海洋目标的能力；
(2)本发明设计的大口径光学扫描方案可实现大口径激光收发光学***的快速扫描，通过菲涅尔扫描棱镜的设计，获得大口径光学***更快的扫描速度，以提高目标探测水平分辨率；
(3)本发明设计的高速集成化信号处理机可实现5通道的同时高速采集处理，单通道采样率达到1GHz，以提高目标探测垂直分辨率；
(4)本发明设计的整机安装结构可实现激光雷达在不同平台的安装使用，使激光雷达适合外场工作。
附图说明
图1为本发明的工作原理示意图；
图2为本发明的整机组成原理框图；
图3为本发明多通道光学处理装置原理框图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步详细描述。PMT为光电倍增管，APD为雪崩光电二极管
一种海洋溢油探测激光雷达，包括激光传感器单元、信号处理及控制单元、惯导、GPS天线、光学相机。
所述激光传感器单元包括激光发射子***、光学接收子***和光学扫描子***。
所述激光发射子***采用双波长固体激光器，用于发射双波长激光，双波长激光的波长分别为532nm和1064nm；波长为532nm和波长为1064nm的激光的单脉冲能量均大于1mJ，且脉冲重复频率均为10kHz，且偏振度均为100：1。
所述光学扫描子***用于使激光发射子***和光学接收子***沿预定轨迹扫描；光学扫描子***的光束口径大于200mm，最大扫描速度超过1200转/分钟。
所述光学接收子***包括卡塞格林望远镜、多通道光学处理装置、多通道探测器；所述激光发射子***发射的双波长激光的光轴与卡塞格林望远镜的接收光轴同轴，卡塞格林望远镜的光学口径为200mm，视场为6mrad。所述卡塞格林望远镜将接收的反射激光输出给所述多通道光学处理装置，多通道光学处理装置对反射激光进行波长分束处理、偏振分束处理和窄带滤波处理后输出给所述多通道探测器；多通道探测器对接收到的反射激光进行光电转换获得电信号。
所述多通道光学处理装置包括分色镜1、分色镜2、分色镜3、偏振分光棱镜、第一聚焦镜、第一滤光片、第二聚焦镜、第二滤光片、第三聚焦镜、第三滤光片、第四聚焦镜、第四滤光片、第五聚焦镜、第五滤光片。其中分色镜1、分色镜2、第一聚焦镜、第一滤光片构成波长为590nm的通道；分色镜1、分色镜2、偏振分光棱镜、第二聚焦镜、第二滤光片构成532nm的平行通道；分色镜1、分色镜2、偏振分光棱镜、第三聚焦镜、第三滤光片构成532nm的垂直通道；分色镜1、分色镜3、第四聚焦镜、第四滤光片构成波长为647nm的通道；分色镜1、分色镜3、第五聚焦镜、第五滤光片构成波长为1064nm的通道。
多通道探测器的通道数量大于等于多通道光学处理装置的通道数量；多通道探测器的每个通道的采样率均不小于1GHz，时间分辨率均不小于1ns。
所述激光发射子***发射的双波长激光的分为两部分，第一部分用于照射目标，第二部分作为参照激光输出给所述卡塞格林望远镜。
所述卡塞格林望远镜将接收的反射激光输出给多通道光学处理装置的分色镜1，分色镜1将反射激光分为两束后输出给分色镜2和分色镜3，分色镜2将自身接收到的反射激光分为两束后输出给偏振分光棱镜和多通道探测器的第一通道，偏振分光棱镜将自身接收到的反射激光分为两束后输出给多通道探测器的第二通道和第三通道，分色镜3将自身接收到的反射激光分为两束后输出给多通道探测器的第四通道和第五通道。
所述分色镜2输出的反射激光依次经过第一滤光片、第一聚焦镜后进入多通道探测器的第一通道；偏振分光棱镜输出的反射激光依次经过第二滤光片、第二聚焦镜后进入多通道探测器的第二通道；偏振分光棱镜输出的反射激光依次经过第三滤光片、第三聚焦镜后进入多通道探测器的第三通道；分色镜3输出的反射激光依次经过第四滤光片、第四聚焦镜后进入多通道探测器的第四通道；分色镜3输出的反射激光依次经过第五滤光片、第五聚焦镜后进入多通道探测器的第五通道。
卡塞格林望远镜将接收的参照激光输出给所述多通道光学处理装置，多通道光学处理装置对参照激光进行波长分束处理、偏振分束处理和窄带滤波处理后输出给所述多通道探测器；多通道探测器对接收到的参照激光进行光电转换获得电信号。
所述GPS天线接收外部GPS信号后输出给惯导，所述惯导利用GPS信号能够实现定位，同时惯导能够测量海洋溢油探测激光雷达的所有姿态角。所述光学相机用于采集海洋的图像信息。
实施例：
本发明的原理为：海洋溢油探测激光雷达工作时，由激光发射单元发射可见波段532nm及近红外波段1064nm水面的双波长激光，卡塞格林望远镜接收目标散射的光信号，光信号进入光学接收处理通道后，进行分色、偏振分光、窄带滤波等处理，将回波信号分为水下目标，水面532nm平行、532nm垂直、590nm油荧光，确定被测目标成分、647nm水的拉曼散射通道、1064nm这5个通道，后续通过对多个通道激光雷达回波信号的光电转换、采集、分析、反演和存储，实现激光雷达信号目标探测，如图1所示。
一种海洋溢油探测激光雷达，由激光传感器单元、信号处理及控制单元和平台安装结构组成，共同构成海洋溢油探测激光雷达，用于水下沉潜油的探测，以及对水下的溢油、绿潮、海冰、海底等目标的高精度探测，如图2所示。
激光器控制机箱控制双波长固体激光器发射可见光波段532nm及近红外波段1064nm的高重频激光，并通过光路折转装置，使激光发射光轴与卡塞格林望远镜接收光轴同轴匹配。卡塞格林望远镜接收目标散射的光信号，多通道光学处理装置将光信号分为532nm平行、532nm垂直、590nm、647nm、1064nm五个探测通道，如图3所示。多通道探测器将光信号转换为电信号。光学扫描子***通过旋转光学扫描棱镜，控制激光发射子***及光学接收子***按预定的圆形轨迹扫描，实现目标的三维位置探测。由探测器电源模块、信号采集处理模块、存储显示模块组成的信号处理机完成光电转换后各通道信号的采集、处理、存储与显示，***各单元的监测和控制，信号采集结果由工控机显示器显示。整机安装结构可以根据机载平台以及船载平台的设备安装接口，通过安装固定结构、设备减振装置、机柜等装置将激光雷达各组成部分安装固定于使用平台。此外，海洋溢油探测激光雷达还包括GPS天线、惯导和光学相机，所述GPS天线接收外部GPS信号后输出给惯导，所述惯导利用GPS信号能够实现定位，同时惯导能够测量海洋溢油探测激光雷达的所有姿态角，利用发射激光和反射激光之间的时延，计算本发明雷达与被测目标之间的距离，结合的旋转光学扫描棱镜的旋转角度数据，能够实现被测目标的精确定位。光学相机用于采集海洋的图像信息。
双波长固体激光器发射器能够通过倍频技术和双波长扩束技术实现多波长同口径发射，此外采用双波长固体激光器的光源与其他组件分离设计思路，使用光纤导光，结合使用风冷散热方式实现大功率光源的温度控制，提高***整体的应用便捷性，同时有效减小***的体积、重量和可靠性。该激光器发射波长为532nm和1064nm，各波长单脉冲能量为大于1mJ，脉冲重复频率为10kHz，偏振度为100：1。
卡塞格林望远镜由主镜、次镜、光阑和准直镜组成。该望远镜采用反射式离轴卡塞格林望远镜，具有筒长更短、视场更大、更适合激光雷达***的集成与生产的特点，其光学口径为200mm，视场为6mrad。
多通道光学处理装置应用波长分束、偏振分束、窄带滤波技术，将光信号分为532nm平行、532nm垂直、590nm、647nm、1064nm 5个接收通道，卡塞格林望远镜实现激光雷达的多通道探测。其中波长为1064nm的激光信号测量海面的目标信息，波长为532nm的激光信号测量水下的目标信息，波长为590nm的激光信号可反映油荧光信息，用于确定目标的成分，波长为647nm的激光信号测量水的拉曼散射情况。
光学扫描子***由光学扫描棱镜和旋转机构组成。为保证大口径激光收发光束能够进行快速扫描，设计大口径菲涅尔棱镜组折射式扫描棱镜将收发光束偏折，利用大口径的旋转机构使其绕光轴快速旋转，实现探测光束的圆周式运动，配合设备搭载平台的移动，实现对目标的二维光学扫描。大口径光学扫描棱镜采用菲涅尔棱镜组的形式，使棱镜重心降低并靠近旋转中心，同时降低棱镜重量，达到平稳快速旋转的目标。光学扫描***的光束口径大于200mm，最大扫描速度超过1200转/分钟。
激光器控制机箱实现对双波长高重频固体激光器的供电及控制。
信号处理机由工控机、探测器电源模块、信号采集处理模块、伺服控制模块、存储显示模块组成。所有单元集成在在一个工控机箱内，有效地降低设备数量，提高设备的可靠性和易用性。工控机负责整个信号处理机的操作控制、数据反演与显示功能。探测器电源模块和信号采集处理模块完成对各通道探测器的供电并将回波电信号进行采集和处理，实现5通道输出，单通道采样率可达1GHz，时间分辨率为1ns。伺服控制模块实现对光学扫描***的控制，并采集实时的光束指向角度。存储显示模块采用1TB的固态硬盘卡，用以实时记录激光雷达回波信号、通信控制指令、状态信息。
根据激光雷达***的安装使用平台，如飞机、轮船等，设计整机安装结构，实现激光雷达***能够适应不同搭载平台的使用条件，使激光雷达适合外场工作。
本发明的海洋溢油探测激光雷达具备荧光及拉曼通道，能够给出被探测目标更多光学特征信息。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (11)

1.一种海洋溢油探测激光雷达，其特征在于：包括激光传感器单元和信号处理及控制单元；
所述激光传感器单元包括激光发射子***、光学接收子***和光学扫描子***；所述激光发射子***用于发射双波长激光；所述光学扫描子***用于使激光发射子***和光学接收子***沿预定轨迹扫描；
所述光学接收子***包括卡塞格林望远镜、多通道光学处理装置、多通道探测器；所述激光发射子***发射的双波长激光的光轴与卡塞格林望远镜的接收光轴同轴；所述卡塞格林望远镜将接收的反射激光输出给所述多通道光学处理装置，多通道光学处理装置对反射激光进行波长分束处理、偏振分束处理和窄带滤波处理后输出给所述多通道探测器；多通道探测器对接收到的反射激光进行光电转换获得电信号；
所述信号处理及控制单元对所述电信号进行采集、存储和显示；
所述多通道探测器的通道数量大于等于激光发射子***的波长数量。
2.根据权利要求1所述的一种海洋溢油探测激光雷达，其特征在于：所述激光发射子***采用双波长固体激光器。
3.根据权利要求1所述的一种海洋溢油探测激光雷达，其特征在于：所述激光发射子***发射的双波长激光的波长分别为532nm和1064nm；波长为532nm和波长为1064nm的激光的单脉冲能量均大于1mJ，且脉冲重复频率均为10kHz，且偏振度均为100：1。
4.根据权利要求1所述的一种海洋溢油探测激光雷达，其特征在于：所述多通道光学处理装置至少包括波长为532nm的平行通道、波长为532nm的垂直通道、波长为590nm的通道、波长为647nm的通道、波长为1064nm的通道。
5.根据权利要求1所述的一种海洋溢油探测激光雷达，其特征在于：所述卡塞格林望远镜的光学口径为200mm，视场为6mrad。
6.根据权利要求1所述的一种海洋溢油探测激光雷达，其特征在于：所述多通道光学处理装置包括分色镜1、分色镜2、分色镜3、偏振分光棱镜、第一聚焦镜、第一滤光片、第二聚焦镜、第二滤光片、第三聚焦镜、第三滤光片、第四聚焦镜、第四滤光片、第五聚焦镜、第五滤光片；所述卡塞格林望远镜将接收的反射激光输出给多通道光学处理装置的分色镜1，分色镜1将反射激光分为两束后输出给分色镜2和分色镜3，分色镜2将自身接收到的反射激光分为两束后输出给偏振分光棱镜和多通道探测器的第一通道，偏振分光棱镜将自身接收到的反射激光分为两束后输出给多通道探测器的第二通道和第三通道，分色镜3将自身接收到的反射激光分为两束后输出给多通道探测器的第四通道和第五通道；
所述分色镜2输出的反射激光依次经过第一滤光片、第一聚焦镜后进入多通道探测器的第一通道；偏振分光棱镜输出的反射激光依次经过第二滤光片、第二聚焦镜后进入多通道探测器的第二通道；偏振分光棱镜输出的反射激光依次经过第三滤光片、第三聚焦镜后进入多通道探测器的第三通道；分色镜3输出的反射激光依次经过第四滤光片、第四聚焦镜后进入多通道探测器的第四通道；分色镜3输出的反射激光依次经过第五滤光片、第五聚焦镜后进入多通道探测器的第五通道。
7.根据权利要求1所述的一种海洋溢油探测激光雷达，其特征在于：所述光学扫描子***的光束口径大于200mm，最大扫描速度超过1200转/分钟。
8.根据权利要求1所述的一种海洋溢油探测激光雷达，其特征在于：所述多通道探测器的每个通道的采样率均不小于1GHz，时间分辨率均不小于1ns。
9.根据权利要求1～8之一所述的一种海洋溢油探测激光雷达，其特征在于：还包括惯导和GPS天线；所述GPS天线接收外部GPS信号后输出给惯导，所述惯导利用GPS信号能够实现定位，同时惯导能够测量海洋溢油探测激光雷达的所有姿态角。
10.根据权利要求1～8之一所述的一种海洋溢油探测激光雷达，其特征在于：还包括光学相机；所述光学相机用于采集海洋的图像信息。
11.根据权利要求1～8之一所述的一种海洋溢油探测激光雷达，其特征在于：将所述激光发射子***发射的双波长激光的分为两部分，第一部分用于照射目标，第二部分作为参照激光输出给所述卡塞格林望远镜，卡塞格林望远镜将接收的参照激光输出给所述多通道光学处理装置，多通道光学处理装置对参照激光进行波长分束处理、偏振分束处理和窄带滤波处理后输出给所述多通道探测器；多通道探测器对接收到的参照激光进行光电转换获得电信号。
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