CN113777581A - 一种水下收发的分离式水体探测激光雷达 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种水下收发的分离式水体探测激光雷达，所包括的发射望远镜和接收望远镜设置在密闭双轴旋转扫描装置中，且放置在水面下方，分离式水体探测激光雷达的其他组成部分设置在水面上方，二者通过光纤线缆在光路上相连接。本发明的激光出射和回波接收均在水体中进行，因此不需要对回波信息进行大气校正，也不需要考虑波浪的影响和海气界面的干扰，太阳和天空背景噪声小，不仅可以降低信号处理的难度，而且可以提高回波信号提取和水体参数反演的精度。此外，通过在不同水体深度放置收发望远镜阵列，能够探测海洋中粒子下降过程中性质和大小的演变情况，实现海洋碳汇过程的定量描绘，同时也可实现生物种群在海洋中的分层信息探测。

Description

一种水下收发的分离式水体探测激光雷达

技术领域

本发明涉及激光雷达技术领域，尤其涉及一种水下收发的分离式水体探测激光雷达。

背景技术

激光雷达可穿透水体，从而获得精确的水体上表层信息。现有的水体探测激光雷达基于船载、机载或星载平台，可进行大范围海洋水体信息的探测。

但是，由于此时激光出射和回波接收望远镜位于水面以上，激光从望远镜出射后需要经过大气和海气界面最终入射到水体中，回波信号也同样需要经过海气界面和大气最终被望远镜接收。因此，当提取回波信号和反演水体参数时，1)需要对回波信号进行大气校正，2)需要考虑波浪的影响和海气界面的干扰，不仅增加信号处理的难度，而且影响回波信号提取和水体参数反演的精度。3)存在方位盲区，无法实现水体中全方位角扫描，也无法实现水体分层扫描，激光探测深度也有限。

为克服上述困难，对于船载水体激光雷达而言，理想的激光直接位于水面以下，从而实现可全方位扫描的水体光学参数提取，但其存在技术瓶颈，1)如果将整个***都放入水体中，体积庞大，整个***密闭很困难；2)***放入水体中之后，无法对***内的模块进行调整；3)***包含有源器件，***供电困难；4)***体积大，重量重，在水体中扫描困难。

发明内容

本发明在于克服现有技术的不足，提供一种水下收发的分离式水体探测激光雷达，将发送望远镜/接收望远镜与激光雷达其他部分分离，两部分通过光纤线缆相连接，不仅克服了密闭和供电的问题，还实现了水下全方位扫描和分层探测。

本发明采用如下技术方案：

一种水下收发的分离式水体探测激光雷达，包括设置在水面上方的准直耦合器、窄带滤波器、探测器、采集模块和计算模块，还包括设置在水面下方的发射望远镜、接收望远镜和密闭双轴旋转扫描装置；所述发射望远镜和接收望远镜设置在所述密闭双轴旋转扫描装置内；

蓝绿波段激光经准直耦合器耦合入光纤，并通过所述发射望远镜入射到水体中；激光与水体相互作用产生的回波信号通过所述接收望远镜接收，并通过光纤传输至窄带滤波器，所述回波信号经窄带滤波器滤波之后进入探测器，所述探测器将所述回波信号转换成电信号，所述采集模块采集所述电信号，所述计算模块对所述电信号进行处理后反演获得水体探测信息。

优选的，所述发射望远镜和接收望远镜为收发同轴望远镜，且所述发射望远镜和接收望远镜共用；

所述分离式水体探测激光雷达还包括光信号分路模块；所述光信号分路模块与所述收发同轴望远镜相连接以控制收发信号在不同光路的传输；所述准直耦合器通过第一光纤与所述光信号分路模块相连接；所述收发同轴望远镜通过第二光纤与所述光信号分路模块相连接；所述窄带滤波器通过第三光纤与所述光信号分路模块相连接。

优选的，出射激光为微脉冲激光，其单脉冲能量小，峰值功率较低，可实现空间光到光纤的耦合而不至于高峰值功率激光烧坏光纤端面，同时耦合的光纤端面尽量采用大纤芯的光纤，从而尽量减小激光在光纤中传输的非线性效益。

优选的，所述收发同轴望远镜包括一个及以上；每个所述收发同轴望远镜设置在一个所述密闭双轴旋转扫描装置内。

优选的，所述收发同轴望远镜包括一个时，所述光信号分路模块包括光纤环形器。

优选的，所述收发同轴望远镜包括两个及以上时，所述光信号分路模块包括光开关；两个及以上收发同轴望远镜组成第一收发望远镜阵列；两个及以上的密闭双轴旋转扫描装置组成第一密闭双轴旋转扫描装置阵列；各个密闭双轴旋转扫描装置设置在不同的水体深度。

优选的，所述发射望远镜和接收望远镜分开设置；所述发射望远镜通过第四光纤(17)与所述准直耦合器相连接；所述接收望远镜通过第五光纤与所述窄带滤波器相连接。

优选的，所述发射望远镜和接收望远镜分别包括一个及以上；一个所述发射望远镜和一个接收望远镜设置在一个所述密闭双轴旋转扫描装置内；

所述发射望远镜和一个接收望远镜分别包括两个及以上时，两个及以上发射望远镜和接收望远镜组成第二收发望远镜阵列；两个及以上的密闭双轴旋转扫描装置组成第二密闭双轴旋转扫描装置阵列；各个密闭双轴旋转扫描装置设置在不同的水体深度。

优选的，所述密闭双轴旋转扫描装置包括防水密闭外壳；所述防水密闭外壳设置有一个及以上透光窗口，从所述发射望远镜出射的激光透过所述透光窗口入射到水体中，所述接收望远镜通过所述透光窗口接收所述回波信号。

优选的，所述密闭双轴旋转扫描装置包括水平转轴和垂直转轴；所述水平转轴用于控制所述发射望远镜/接收望远镜的水平方向旋转角度，所述水平方向旋转角度的范围为0～360度；所述垂直转轴用于控制所述发射望远镜/接收望远镜的垂直方向旋转角度，所述垂直方向旋转角度的范围为0～180度。

优选的，所述分离式水体探测激光雷达还包括设置在水面上方的近红外种子激光器、放大器和倍频器；所述倍频器与所述准直耦合器相连接；所述近红外种子激光器产生近红外波段激光，所述近红外波段激光经所述放大器放大后，进入所述倍频器以产生适用于水体探测的蓝绿波段激光；

或者；

所述分离式水体探测激光雷达还包括设置在水面上方的脉冲式蓝绿波段激光器和放大器；所述放大器与所述准直耦合器相连接；所述脉冲式蓝绿波段激光器产生蓝绿波段激光，所述蓝绿波段激光经所述放大器放大后，产生适用于水体探测的蓝绿波段激光。

本发明的有益效果如下：

(1)本发明一种水下收发的分离式水体探测激光雷达，包括设置在水面上方的近红外种子激光器、放大器、倍频器、准直耦合器、窄带滤波器、探测器、采集模块和计算模块，还包括设置在水面下方的发射望远镜和接收望远镜，水面上方部分和水面下方部分通过光纤线缆在光路上相连接，且发送望远镜/接收望远镜置于密闭双轴旋转扫描装置中，通过密闭双轴旋转扫描装置，发送望远镜/接收望远镜在水平方向可旋转360度，垂直方向可旋转180度，从而实现半球形全方位扫描，并可将发送望远镜/接收望远镜放置于不同深度的水体中，以探测不同水深的水体参数；由于激光出射和回波接收均在水体中进行，不需要对回波信息进行大气校正，也不需要考虑波浪的影响和海气界面的干扰，太阳和天空背景噪声小，因此可提高水体探测激光雷达回波信号提取和水体参数反演的精度；利用激光雷达来探测水中粒子粒径大小和形状，当发送望远镜和接收望远镜位于水体中时，由于不需要考虑大气中的气溶胶等粒子对激光的散射作用，不需要对大气进行校正，降低了***复杂度，达到精确测量水中粒子粒径大小和形状的目的，这对于测量藻类及微塑料粒径大小有重要意义；

(2)本发明通过在不同水深放置收发望远镜阵列，能够探测海洋中粒子下降过程中性质和大小的演变情况，实现海洋碳汇过程的定量描绘，同时也可实现生物种群在海洋中的分层信息探测。

根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述及其他目的、优点和特征。

附图说明

图1为本发明实施例一的单收发同轴望远镜的水体探测激光雷达光路图；

图2为本发明实施例的收发同轴望远镜对应的密闭双轴旋转扫描装置的结构示意图；

图3为本发明实施例的单发送望远镜/接收望远镜的水体探测激光雷达的原理示意图；

图4为本发明实施例二的单收发同轴望远镜的水体探测激光雷达光路图；

图5为本发明实施例三的单收发分离式望远镜的水体探测激光雷达光路图；

图6为本发明实施例四的收发同轴望远镜阵列的水体探测激光雷达光路图；

图7为本发明实施例四的收发同轴望远镜阵列的水体探测激光雷达的原理示意图；

其中，1、近红外种子激光器；2、放大器；3、倍频器；4、准直耦合器；5、光信号分路模块；6、收发同轴望远镜；7、密闭双轴旋转扫描装置；8、窄带滤波器；9、探测器；10、采集模块、11、计算模块；12、第一光纤；13、第二光纤；14、第三光纤；15、发射望远镜；16、接收望远镜；17、第四光纤；18、第五光纤；19、脉冲式蓝绿波段激光器；20、支杆；21、船体。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

实施例一

本实施例的发射望远镜和接收望远镜为收发同轴望远镜6，所述发射望远镜和接收望远镜共用，且所述收发同轴望远镜6只包括一个。

具体的，参见图1所示，本实施例一种水下收发的分离式水体探测激光雷达，包括设置在水面上方的近红外种子激光器1、放大器2、倍频器3、准直耦合器4、窄带滤波器8、探测器9、采集模块10和计算模块11，还包括设置在水面下方的收发同轴望远镜6和密闭双轴旋转扫描装置7；所述收发同轴望远镜6设置在所述密闭双轴旋转扫描装置7内；

所述近红外种子激光器1产生1064nm波段的近红外激光，所述近红外波段激光经所述放大器2放大后，进入所述倍频器3以产生适用于水体探测的532nm蓝绿波段激光，此时的激光为空间光，该空间激光经准直耦合器4耦合入光纤，并通过所述收发同轴望远镜6入射到水体中；激光与水体相互作用产生的回波信号通过所述收发同轴望远镜6接收，并通过光纤传输至窄带滤波器8，经所述回波信号经窄带滤波器8滤波之后进入探测器9，所述探测器9将所述回波信号转换成电信号，所述采集模块10采集所述电信号，所述计算模块11对所述电信号进行处理后反演获得水体探测信息。

所述分离式水体探测激光雷达还包括光信号分路模块5；所述光信号分路模块5与所述收发同轴望远镜6相连接以控制收发信号在不同光路的传输；所述准直耦合器4通过第一光纤12与所述光信号分路模块5相连接；所述收发同轴望远镜6通过第二光纤13与所述光信号分路模块5相连接；所述窄带滤波器8通过第三光纤14与所述光信号分路模块5相连接。

本实施例中，所述光信号分路模块5包括光纤环形器。

需要说明的是，高峰值功率的激光难以耦合到光纤中，为此，本发明的出射激光采用微脉冲的激光，通过提高重复频率以提高探测性能。

进一步的，为了提高出射蓝绿激光到光纤的耦合效率，本发明的激光到光纤的耦合端光纤采用大芯径的多模光纤，具体可以为50μm、105μm、200μm或400μm的多模光纤等。相比于单模光纤，采用多模光纤耦合效率将从20％左右提高到大于90％。

同时，为了提高接收望远镜耦合到光纤的效率，接收端的光纤也采用多模光纤进行耦合。此外，采用多模光纤还保证了望远镜视场足够接收回波信号。

进一步的，为提高回波信号的探测信噪比，探测器优选采用单光子探测器。

参见图2所示，所述密闭双轴旋转扫描装置7包括防水密闭外壳；所述防水密闭外壳设置有一个及以上透光窗口，从所述收发同轴望远镜6出射的激光透过所述透光窗口入射到水体中，所述收发同轴望远镜6通过所述透光窗口接收所述回波信号。

本实施例中，所述透光窗口包括一个，其对应的材质可选择高透射率的光学镜片。需要说明的是，透光窗口选择何种材质，大小如何开设可根据实际应用进行设置，本实施例不做具体限制。

具体的，所述收发同轴望远镜6也采用密闭结构，同时在激光出射和回波信号接收的端面，采用高透射率的光学镜片，从而一方面保证激光高效出射，同时保证回波信号的高效接收。

所述密闭双轴旋转扫描装置7还包括水平转轴和垂直转轴；所述水平转轴用于控制所述收发同轴望远镜6的水平方向旋转角度，所述水平方向旋转角度的范围为0～360度；所述垂直转轴用于控制所述收发同轴望远镜6的垂直方向旋转角度，所述垂直方向旋转角度的范围为0～180度，从而可实现半球形全方位扫描。

进一步的，所述密闭双轴旋转扫描装置7内还设置有压力传感器和定位装置，以测定所述收发同轴望远镜6所处的水体深度和水平位置。

具体应用时，装载有所述收发同轴望远镜6的密闭双轴旋转扫描装置7可放置于不同平台上进行测量，如有缆水下机器人、有缆水下探测器、遥控无人潜水器(ROV)等，也可直接在这些平台进行设计。当然，装载有所述收发同轴望远镜6的密闭双轴旋转扫描装置7也可直接通过支杆20与船体21相连接进行测量，本实施例不做具体限制。

本实施例中，参见图3所示，装载收发同轴望远镜6的密闭双轴旋转扫描装置7通过支杆20与船体21相连接，收发同轴望远镜6通过第三光纤14的线缆与激光雷达水面上方的部分在光路上相连接，通过控制支杆20伸入水体中的长度，可将望远镜放置于不同深度的水体中，以探测不同水深的水体参数。

本实施例的有益效果如下：

本实施例包括设置在水面上方的近红外种子激光器1、放大器2、倍频器3、准直耦合器4、窄带滤波器8、探测器9、采集模块10和计算模块11，还包括设置在水面下方的收发同轴望远镜6，水面上方部分和水面下方部分通过第三光纤14的线缆在光路上相连接，且收发同轴望远镜6置于密闭双轴旋转扫描装置7中，通过密闭双轴旋转扫描装置7，收发同轴望远镜6在水平方向可旋转360度，垂直方向可旋转180度，从而实现半球形全方位扫描，并可将收发同轴望远镜6放置于不同深度的水体中，以探测不同水深的水体参数；由于激光出射和回波接收均在水体中进行，不需要对回波信息进行大气校正，也不需要考虑波浪的影响和海气界面的干扰，太阳和天空背景噪声小，因此可提高水体探测激光雷达回波信号提取和水体参数反演的精度；

利用激光雷达来探测水中粒子粒径大小和形状，当收发同轴望远镜6位于水体中时，由于不需要考虑大气中的气溶胶等粒子对激光的散射作用，不需要对大气进行校正，降低了***复杂度，达到精确测量水中粒子粒径大小和形状的目的，这对于测量藻类及微塑料粒径大小有重要意义；

连接收发同轴望远镜6和激光雷达其他部分的第三光纤14的长度取决于最深探测深度，在这个长度范围内可将收发同轴望远镜6放置于不同深度的水体中进行探测。

本实例提供的水体探测激光雷达运用于船裁时，收发同轴望远镜6与水体探测激光雷达其他部分分离，特别适合于恶劣海洋环境中使用，收发同轴望远镜6位于水体中，水体探测激光雷达其他部分放置于安全室内环境中，不仅有利于保护激光雷达结构，延长其使用寿命，而且操作人员可在安全舒适的室内环境中对设备进行操作。

本实例提供的水体探测激光雷达可探测的水体深度取决于第三光纤14的长度，而第三光纤14的衰减非常小(4dB/Km)，因此不仅可以探测不同深度的水体信息，而且可以进行深海水体信息和深海生物种群信息探测。

实施例二

本实施例与实施例一的区别在于，产生蓝绿波段激光的方式不一样。

具体的，参见图4所示，本实施例一种水下收发的分离式水体探测激光雷达，包括设置在水面上方的脉冲式蓝绿波段激光器19、放大器2、倍频器3、准直耦合器4、窄带滤波器8、探测器9、采集模块10和计算模块11，还包括设置在水面下方的收发同轴望远镜6和密闭双轴旋转扫描装置7；所述收发同轴望远镜6设置在所述密闭双轴旋转扫描装置7内；

所述脉冲式蓝绿波段激光器19产生蓝绿波段激光，所述蓝绿波段激光经所述放大器2放大后，产生适用于水体探测的532nm蓝绿波段激光，此时的激光为空间光，该空间激光经准直耦合器4耦合入光纤，并通过所述收发同轴望远镜6入射到水体中；

激光与水体相互作用产生的回波信号通过所述收发同轴望远镜6接收，并通过光纤传输至窄带滤波器8，经所述回波信号经窄带滤波器8滤波之后进入探测器9，所述探测器9将所述回波信号转换成电信号，所述采集模块10采集所述电信号，所述计算模块11对所述电信号进行处理后反演获得水体探测信息。

本实施例的其他部分内容同实施例，此处不再重复说明。

实施例三

本实施例的发射望远镜15和接收望远镜16分开设置，且所述发射望远镜15和接收望远镜16分别包括一个。

具体的，参见图5所示，本实施例一种水下收发的分离式水体探测激光雷达，包括设置在水面上方的近红外种子激光器1、放大器2、倍频器3、准直耦合器4、窄带滤波器8、探测器9、采集模块10和计算模块11，还包括设置在水面下方的发射望远镜15、接收望远镜16和密闭双轴旋转扫描装置7；所述发射望远镜15和接收望远镜16设置在所述密闭双轴旋转扫描装置7内；

所述近红外种子激光器1产生1064nm波段的近红外激光，所述近红外波段激光经所述放大器2放大后，进入所述倍频器3以产生适用于水体探测的532nm蓝绿波段激光，此时的激光为空间光，该空间激光经准直耦合器4耦合入光纤，并通过所述发射望远镜15入射到水体中；

激光与水体相互作用产生的回波信号通过所述接收望远镜16接收，并通过光纤传输至窄带滤波器8，经所述回波信号经窄带滤波器8滤波之后进入探测器9，所述探测器9将所述回波信号转换成电信号，所述采集模块10采集所述电信号，所述计算模块11对所述电信号进行处理后反演获得水体探测信息。

需要说明的是，参见实施例二，还可以通过脉冲式蓝绿波段激光器19产生蓝绿波段激光。

当所述发射望远镜15和接收望远镜16分开设置时，需采用两根光纤；一根第四光纤17连接准直耦合器4和发射望远镜15，另一根第五光纤18连接接收望远镜16和窄带滤波器8。

需要说明的是，高峰值功率的激光难以耦合到光纤中，为此，本发明的出射激光采用微脉冲的激光，通过提高重复频率以提高探测性能。

进一步的，为了提高出射蓝绿激光到光纤的耦合效率，本发明的激光到光纤的耦合端光纤采用大芯径的多模光纤，具体可以为50μm、105μm、200μm或400μm的多模光纤等。相比于单模光纤，采用多模光纤耦合效率将从20％左右提高到大于90％。

同时，为了提高接收望远镜耦合到光纤的效率，接收端的光纤也采用多模光纤进行耦合。此外，采用多模光纤还保证了望远镜视场足够接收回波信号。

进一步的，为提高回波信号的探测信噪比，探测器优选采用单光子探测器。

参见图2所示，所述密闭双轴旋转扫描装置7包括防水密闭外壳；所述防水密闭外壳设置有一个及以上透光窗口，从所述发射望远镜15出射的激光透过所述透光窗口入射到水体中，所述接收望远镜16通过所述透光窗口接收所述回波信号。

本实施例中，所述透光窗口包括一个或两个，其对应的材质可选择高透射率的光学镜片。需要说明的是，透光窗口选择何种材质，大小如何开设可根据实际应用进行设置，本实施例不做具体限制。

具体的，所述发射望远镜15和所述接收望远镜16可以使用同一个透光窗口出射和接收，也可以使用不同的透光窗口出射和接收。

具体的，所述发射望远镜15和所述接收望远镜16也采用密闭结构，同时在激光出射和回波信号接收的端面，采用高透射率的光学镜片，从而一方面保证激光高效出射，同时保证回波信号的高效接收。

所述密闭双轴旋转扫描装置7还包括水平转轴和垂直转轴；所述水平转轴用于控制所述发射望远镜15/接收望远镜16的水平方向旋转角度，所述水平方向旋转角度的范围为0～360度；所述垂直转轴用于控制所述发射望远镜15/接收望远镜16的垂直方向旋转角度，所述垂直方向旋转角度的范围为0～180度，从而可实现半球形全方位扫描。

进一步的，所述密闭双轴旋转扫描装置7内还设置有压力传感器和定位装置，以测定所述发射望远镜15和接收望远镜16所处的水体深度和水平位置。

具体应用时，装载有所述发射望远镜15和所述接收望远镜16的密闭双轴旋转扫描装置7可放置于不同平台上进行测量，如有缆水下机器人、有缆水下探测器、遥控无人潜水器(ROV)等，也可直接在这些平台进行设计。当然，装载有所述发射望远镜15和所述接收望远镜16的密闭双轴旋转扫描装置7也可直接通过支杆20与船体21相连接进行测量，本实施例不做具体限制。

本实施例中，参见图3所示，装载所述发射望远镜15和所述接收望远镜16的密闭双轴旋转扫描装置7通过支杆20与船体21相连接，所述发射望远镜15和所述接收望远镜16通过光纤线缆与激光雷达水面上方的部分在光路上相连接，通过控制支杆20伸入水体中的长度，可将望远镜放置于不同深度的水体中，以探测不同水深的水体参数。

连接所述发射望远镜15/所述接收望远镜16和激光雷达主体部分的光纤长度取决于最深探测深度，在这个长度范围内可将所述发射望远镜15/所述接收望远镜16放置于不同深度的水体中进行探测。

本实施例的有益效果同实施例一，此处不再重复说明。

实施例四

本实施例的发射望远镜和接收望远镜为收发同轴望远镜6，所述发射望远镜和接收望远镜共用，且所述收发同轴望远镜6包括两个及以上，装载有所述收发同轴望远镜6的密闭双轴旋转扫描装置7也包括两个及以上，两个及以上的收发同轴望远镜6组成第一收发望远镜阵列；两个及以上的密闭双轴旋转扫描装置7组成第一密闭双轴旋转扫描装置7阵列。

具体的，参见图6所示，本实施例一种水下收发的分离式水体探测激光雷达，包括设置在水面上方的近红外种子激光器1、放大器2、倍频器3、准直耦合器4、窄带滤波器8、探测器9、采集模块10和计算模块11，还包括设置在水面下方的第一收发望远镜阵列6(1)-6(n)和第一密闭双轴旋转扫描装置阵列7(1)-7(n)；所述收发同轴望远镜6设置在所述密闭双轴旋转扫描装置7内；

所述近红外种子激光器1产生1064nm波段的近红外激光，所述近红外波段激光经所述放大器2放大后，进入所述倍频器3以产生适用于水体探测的532nm蓝绿波段激光，此时的激光为空间光，该空间激光经准直耦合器4耦合入光纤，并通过所述第一收发望远镜阵列6(1)-6(n)入射到水体中；

激光与水体相互作用产生的回波信号通过所述第一收发望远镜阵列6(1)-6(n)接收，并通过光纤传输至窄带滤波器8，经所述回波信号经窄带滤波器8滤波之后进入探测器9，所述探测器9将所述回波信号转换成电信号，所述采集模块10采集所述电信号，所述计算模块11对所述电信号进行处理后反演获得水体探测信息。

需要说明的是，参见实施例二，还可以通过脉冲式蓝绿波段激光器19产生蓝绿波段激光。

所述分离式水体探测激光雷达还包括光信号分路模块5；所述光信号分路模块5与所述收发同轴望远镜阵列6(1)-6(n)相连接以控制收发信号在不同光路的传输。即当采用收发同轴望远镜阵列6(1)-6(n)结构时，出射激光和回波信号通过光信号分路模块5进行分离，在出射光路上光信号分路模块5通过第一光纤12连接准直耦合器4，通过第二光纤13连接收发同轴望远镜阵列6(1)-6(n)，在接收光路上光信号分路模块5通过第三光纤14连接收发同轴望远镜阵列6(1)-6(n)和窄带滤波器8。

本实施例中，所述光信号分路模块5包括光开关。所述第一收发望远镜阵列6(1)-6(n)每一路接收的回波信号经光开关通过窄带滤波器8之后进入探测器9。

本实施例中，所述密闭双轴旋转扫描装置7的结构及工作原理同实施例一，此处不再重复说明。

需要说明的是，所述第一收发望远镜阵列中的每个收发同轴望远镜6可独立在水平方向旋转360度，在垂直方向旋转180度，每个收发同轴望远镜6可独立实现半球形全方位扫描，第一密闭双轴旋转扫描装置7阵列中每个收发同轴望远镜6分别放置于不同深度的水体中。

本实施例采用1064nm波段的近红外种子激光器1产生激光，经二倍频转换到532nm波段，该空间激光经准直耦合器4耦合入第一光纤12，通过光开关后经第一收发望远镜阵列中的收发同轴望远镜6入射到水体中，即可进行水体探测；激光与水体相互作用产生的回波信号通过第一收发望远镜阵列中的中对应的收发同轴望远镜6接收。

需要说明的是，高峰值功率的激光难以耦合到光纤中，为此，本发明的出射激光采用微脉冲的激光，通过提高重复频率以提高探测性能。

进一步的，为了提高出射蓝绿激光到光纤的耦合效率，本发明的激光到光纤的耦合端光纤采用大芯径的多模光纤，具体可以为50μm、105μm、200μm或400μm的多模光纤等。相比于单模光纤，采用多模光纤耦合效率将从20％左右提高到大于90％。

同时，为了提高接收望远镜耦合到光纤的效率，接收端的光纤也采用多模光纤进行耦合。此外，采用多模光纤还保证了望远镜视场足够接收回波信号。

进一步的，为提高回波信号的探测信噪比，探测器优选采用单光子探测器。

参见图7所示，所述第一收发望远镜阵列中每个收发同轴望远镜6通过支杆20分别放置于不同深度的水体中，同等长度的短杆体通过互锁装置装配为长支杆20。每个收发同轴望远镜6可探测其所在的两条虚线之间的水体范围，多个收发同轴望远镜6组成的阵列实现水体分层探测。

本实施例除包括实施例一的有益效果外，还包括：通过在不同水深放置收发望远镜阵列，来探测海洋中粒子下降过程中性质和大小的演变情况，实现海洋碳汇过程的定量描绘，同时也可实现生物种群在海洋中的分层信息探测。

实施例五

本实施例的发射望远镜和接收望远镜分开设置，且所述发射望远镜和接收望远镜包括两个及以上，装载有所述发射望远镜和接收望远镜的密闭双轴旋转扫描装置也包括两个及以上，两个及以上的所述发射望远镜和接收望远镜组成第二收发望远镜阵列；两个及以上的密闭双轴旋转扫描装置组成第二密闭双轴旋转扫描装置阵列。

本实施例的分离式水体探测激光雷达的其他部分的实现及所述发射望远镜、接收望远镜和密闭双轴旋转扫描装置的具体实现同实施例三，此处不再重复说明。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明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发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种水下收发的分离式水体探测激光雷达，其特征在于，包括设置在水面上方的准直耦合器(4)、窄带滤波器(8)、探测器(9)、采集模块(10)和计算模块(11)，还包括设置在水面下方的发射望远镜、接收望远镜和密闭双轴旋转扫描装置(7)；所述发射望远镜和接收望远镜设置在所述密闭双轴旋转扫描装置(7)内；

蓝绿波段激光经准直耦合器(4)耦合入光纤，并通过所述发射望远镜入射到水体中；

激光与水体相互作用产生的回波信号通过所述接收望远镜接收，并通过光纤传输至窄带滤波器(8)，所述回波信号经窄带滤波器(8)滤波之后进入探测器(9)，所述探测器(9)将所述回波信号转换成电信号，所述采集模块(10)采集所述电信号，所述计算模块(11)对所述电信号进行处理后反演获得水体探测信息。

2.根据权利要求1所述的水下收发的分离式水体探测激光雷达，其特征在于，所述发射望远镜和接收望远镜为收发同轴望远镜(6)，且所述发射望远镜和接收望远镜共用；

所述分离式水体探测激光雷达还包括光信号分路模块(5)；所述光信号分路模块(5)与所述收发同轴望远镜(6)相连接以控制收发信号在不同光路的传输；所述准直耦合器(4)通过第一光纤(12)与所述光信号分路模块(5)相连接；所述收发同轴望远镜(6)通过第二光纤(13)与所述光信号分路模块(5)相连接；所述窄带滤波器(8)通过第三光纤(14)与所述光信号分路模块(5)相连接。

3.根据权利要求2所述的水下收发的分离式水体探测激光雷达，其特征在于，所述收发同轴望远镜(6)包括一个及以上；每个所述收发同轴望远镜(6)设置在一个所述密闭双轴旋转扫描装置(7)内。

4.根据权利要求3所述的水下收发的分离式水体探测激光雷达，其特征在于，所述收发同轴望远镜(6)包括一个时，所述光信号分路模块(5)包括光纤环形器。

5.根据权利要求3所述的水下收发的分离式水体探测激光雷达，其特征在于，所述收发同轴望远镜(6)包括两个及以上时，所述光信号分路模块(5)包括光开关；两个及以上收发同轴望远镜(6)组成第一收发望远镜阵列；两个及以上的密闭双轴旋转扫描装置(7)组成第一密闭双轴旋转扫描装置阵列；各个密闭双轴旋转扫描装置(7)设置在不同的水体深度。

6.根据权利要求1所述的水下收发的分离式水体探测激光雷达，其特征在于，所述发射望远镜(15)和接收望远镜(16)分开设置；所述发射望远镜(15)通过第四光纤(17)与所述准直耦合器(4)相连接；所述接收望远镜(16)通过第五光纤(18)与所述窄带滤波器(8)相连接。

7.根据权利要求6所述的水下收发的分离式水体探测激光雷达，其特征在于，所述发射望远镜(15)和接收望远镜(16)分别包括一个及以上；一个所述发射望远镜(15)和一个接收望远镜(16)设置在一个所述密闭双轴旋转扫描装置(7)内；

所述发射望远镜(15)和一个接收望远镜(16)分别包括两个及以上时，两个及以上发射望远镜(15)和接收望远镜(16)组成第二收发望远镜阵列；两个及以上的密闭双轴旋转扫描装置(7)组成第二密闭双轴旋转扫描装置阵列；各个密闭双轴旋转扫描装置(7)设置在不同的水体深度。

8.根据权利要求1所述的水下收发的分离式水体探测激光雷达，其特征在于，所述密闭双轴旋转扫描装置(7)包括防水密闭外壳；所述防水密闭外壳设置有一个及以上透光窗口，从所述发射望远镜出射的激光透过所述透光窗口入射到水体中，所述接收望远镜通过所述透光窗口接收所述回波信号。

9.根据权利要求1所述的水下收发的分离式水体探测激光雷达，其特征在于，所述密闭双轴旋转扫描装置(7)包括水平转轴和垂直转轴；所述水平转轴用于控制所述发射望远镜/接收望远镜的水平方向旋转角度，所述水平方向旋转角度的范围为0～360度；所述垂直转轴用于控制所述发射望远镜/接收望远镜的垂直方向旋转角度，所述垂直方向旋转角度的范围为0～180度。

10.根据权利要求1所述的水下收发的分离式水体探测激光雷达，其特征在于，所述分离式水体探测激光雷达还包括设置在水面上方的近红外种子激光器(1)、放大器(2)和倍频器(3)；所述倍频器(3)与所述准直耦合器(4)相连接；所述近红外种子激光器(1)产生近红外波段激光，所述近红外波段激光经所述放大器(2)放大后，进入所述倍频器(3)以产生适用于水体探测的蓝绿波段激光；

或者；

所述分离式水体探测激光雷达还包括设置在水面上方的脉冲式蓝绿波段激光器(19)和放大器(2)；所述放大器(2)与所述准直耦合器(4)相连接；所述脉冲式蓝绿波段激光器产生蓝绿波段激光，所述蓝绿波段激光经所述放大器(2)放大后，产生适用于水体探测的蓝绿波段激光。

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