激光致声跨空水下目标探测系统及方法转让专利
申请号 : CN202311444054.2
文献号 : CN117169893B
文献日 : 2024-01-26
发明人 : 杨依光
申请人 : 崂山国家实验室
摘要 :
权利要求 :
1.激光致声跨空水下目标探测系统,其特征在于,包括机载平台及设置于机载平台上的激光发射装置、光学整形装置、光学聚焦装置、超声换能器探测阵列、激光测距装置、控制单元及上位机;其中,所述激光发射装置用于产生激光,所述光学整形装置用于对激光发射装置产生的激光进行调节,所述光学聚焦装置用于对光学整形装置调节后的激光进行聚焦;所述上位机与激光发射装置、光学整形装置及光学聚焦装置均通信连接,以控制激光的产生、调节及聚焦;
所述激光测距装置用于向水面发射激光束,并利用无线电波段的频率对激光束进行幅度调制,测定调制光往返测线一次所产生的相位延迟 ,以根据式(1)计算出激光发射装置距离水面的实时距离 ,并将其发送给上位机;
(1);
式(1)中,为调制光在大气中的传播速度;为调制光往返测线一次所用的时间,; 为调制光的角频率, ;在给定调制和标准大气条件下,频率为常数;
所述上位机将激光发射装置距离水面的实时距离 与其预设距离进行比对,并将比对结果发送给控制单元;所述控制单元根据比对结果对光学聚焦装置进行实时调控,以使激光始终在水面聚焦;
所述激光发射装置产生的激光依次经过光学整形装置及光学聚焦装置后,射入水中且在水面聚焦,使水介质产生光声效应,向周围辐射声波,声波被水下目标物体反射后跨过水面由所述超声换能器探测阵列接收;所述超声换能器探测阵列包括多个布设于不同方位上的超声换能器,用于接收反射后的声波信号,并将其转换成电信号发送给所述上位机;
所述上位机用于对超声换能器探测阵列发送的电信号进行处理,以获得水下目标物体的深度及方位信息。
2.根据权利要求1所述的激光致声跨空水下目标探测系统,其特征在于,所述光学整形装置用于对激光发射装置产生的激光的传输方向、光束直径大小及激光光束发散角进行调节;所述光学聚焦装置用于对光学整形装置调节后的激光进行焦点位置的调节,所述光学聚焦装置包括凸透镜、凹透镜、第一电机和第二电机,所述第一电机用于驱动凸透镜移动或偏转,所述第二电机用于驱动凹透镜移动或偏转;所述光学整形装置调节后的激光依次经过凸透镜和凹透镜聚焦后射入水中且在水面聚焦。
3.根据权利要求2所述的激光致声跨空水下目标探测系统,其特征在于,所述激光测距装置为相位式激光测距仪,所述相位式激光测距仪用于向水面发射激光束并对其进行幅度调制,通过测定调制光往返测线一次所产生的相位延迟,获得激光发射装置距离水面的实时距离。
4.根据权利要求1所述的激光致声跨空水下目标探测系统,其特征在于,所述激光发射装置为固体脉冲激光器,所述固体脉冲激光器产生的激光波长为1064nm,输出能量≥2J,重复频率为1‑20Hz,脉冲宽度为6‑8ns。
5.根据权利要求1所述的激光致声跨空水下目标探测系统,其特征在于,所述激光发射装置采用氙灯泵浦方式产生激光。
6.根据权利要求1所述的激光致声跨空水下目标探测系统,其特征在于,所述上位机内置时延模块和电信号处理模块;所述时延模块与超声换能器探测阵列连接,以调控各所述超声换能器的工作状态;所述电信号处理模块与超声换能器探测阵列连接,用于采集各所述超声换能器发送的电信号。
7.激光致声跨空水下目标探测方法,其特征在于,采用如权利要求3所述的激光致声跨空水下目标探测系统进行,包括以下步骤:准备步骤:将激光发射装置、光学整形装置、光学聚焦装置、超声换能器探测阵列、激光测距装置、控制单元及上位机置于飞机的机载平台上;飞机带动机载平台升至水面上,并使激光发射装置距离水面的距离达到其预设距离;
探测步骤:利用激光发射装置产生激光,并调整凸透镜或/和凹透镜的位置,使激光依次经过光学整形装置及光学聚焦装置后射入水中且在水面聚焦,使水介质产生光声效应,向周围辐射声波,声波被水下目标物体反射后跨过水面在空中传播;调整超声换能器探测阵列的位置,使水下目标物体反射后跨过水面的声波由超声换能器探测阵列接收;超声换能器探测阵列将接收到的声波信号转换成电信号并发送给上位机;
解析步骤:上位机运用相关法、差分法和高斯‑牛顿迭代算法对超声换能器探测阵列发送的电信号进行处理,获得水下目标物体的深度及方位信息。
8.根据权利要求7所述的激光致声跨空水下目标探测方法,其特征在于,在所述探测步骤中,还包括:利用激光测距装置获得激光发射装置距离水面的实时距离 ,并将其发送到上位机;上位机将激光发射装置距离水面的实时距离 与其预设距离进行比对,并将比对结果发送给控制单元;控制单元根据比对结果对凸透镜或/和凹透镜的位置进行实时调控,以调节激光焦点位置,使激光始终在水面聚焦。
9.根据权利要求7所述的激光致声跨空水下目标探测方法,其特征在于,在所述探测步骤中,还包括:上位机控制凸透镜或/和凹透镜偏转,使用激光扫描的方式使激光焦点处光斑以不同速度在同一平面内以规则形状或特定方向移动,使扫描路径上产生的声波在传播过程中相干叠加,叠加后的声波被水下目标物体反射后跨过水面由超声换能器探测阵列接收。
说明书 :
激光致声跨空水下目标探测系统及方法
技术领域
背景技术
限。相比之下,声波在水中的传播性能较好。声波在遇到水下目标物体后反射系数较大,有
利于获取水下目标物体的信息。在传统声学探测中,声呐传感器被广泛使用作为接收传感
器,然而声呐传感器本身又存在探测精度低、功耗大、重量大、需要布置较大空间体积、不方
便移动探测等缺点。
光器产生激光以使水介质产生光声效应,使声波在水下传播,声波经水下目标物体发射后
由水中的水听器接收,水听器将声波信号转换成电信号后发送给上位机,上位机将水听器
发送的电信号调节成声信号,对声信号进行处理后获得水下目标物体的深度及方位;该技
术方案虽然克服了传统声学探测中声呐传感器的缺点,但一方面需要提前在水下布置水听
器,导致人力物力的额外耗费,降低了水下目标探测的灵活性和探测效率;另一方面该水上
平台相当于一种船载式平台,导致整套水下探测系统机动性较差、隐蔽性不足。
发明内容
高探测效率。
光学整形装置及光学聚焦装置均通信连接,以控制激光的产生、调节及聚焦;
面由超声换能器探测阵列接收;超声换能器探测阵列包括多个布设于不同方位上的超声换
能器,用于接收反射后的声波信号,并将其转换成电信号发送给上位机;
差、隐蔽性较差、探测效率较低等问题,具有可移动性强、覆盖面广、机动灵活、探测效率高
等优点。
的激光进行焦点位置的调节,光学聚焦装置包括凸透镜、凹透镜、第一电机和第二电机,第
一电机用于驱动凸透镜移动或偏转,第二电机用于驱动凹透镜移动或偏转;光学整形装置
调节后的激光依次经过凸透镜和凹透镜聚焦后射入水中且在水面聚焦。
上位机;上位机将激光发射装置距离水面的实时距离与其预设距离进行比对,并将比对结
果发送给控制单元,控制单元根据比对结果对光学聚焦装置进行实时调控,以使激光始终
在水面聚焦。该技术方案能够实时反馈水面波浪起伏情况,进而对激光焦点位置进行实时
自动调节,使激光始终能够稳定聚焦在水面上,进而确保激光产生稳定可靠的声场。
迟,获得激光发射装置距离水面的实时距离。
式控制、传播距离大等优势,因而能够更好地满足对水下目标物体进行空中远距离探测的
需要。
测阵列连接,用于采集各超声换能器发送的电信号。
并使激光发射装置距离水面的距离达到其预设距离;
应,向周围辐射声波,声波被水下目标物体反射后跨过水面在空中传播;调整超声换能器探
测阵列的位置,使水下目标物体反射后跨过水面的声波由超声换能器探测阵列接收;超声
换能器探测阵列将接收到的声波信号转换成电信号并发送给上位机;
面的实时距离 ;
为常数;
元;控制单元根据比对结果对凸透镜或/和凹透镜的位置进行实时调控,以调节激光焦点位
置,使激光始终在水面聚焦。
向移动,使扫描路径上产生的声波在传播过程中相干叠加,叠加后的声波被水下目标物体
反射后跨过水面由超声换能器探测阵列接收。
体后反射系数较大,有利于获取水下目标物体的信息;通过激光测距装置的设置,实现了对
水面波浪起伏情况的实时测量,进而对激光焦点位置进行实时自动调节,使激光始终能够
稳定聚焦在水面上,确保激光产生稳定可靠的声场;通过使用超声换能器探测阵列作为接
收传感器并将其设置于机载平台上,既避免光学探测下高频波在水中衰减速率大、测量范
围小的缺点,又克服了传统声学探测中声呐传感器的缺点,解决了现有水下探测系统因搭
载于船载式平台上而导致机动性和隐蔽性较差的问题,解决了需提前在水下布置水听器而
导致人力物力耗费、探测灵活性和效率较低的问题,实现了对水下目标物体的空中远距离
探测,增强了水下目标物体探测的可移动性和覆盖面,提高了探测精度和探测效率,提高了
探测的机动灵活性和隐蔽性。
附图说明
具体实施方式
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,
都属于本发明保护的范围。
本发明的限制。
及设置于机载平台上的激光发射装置1、光学整形装置2、光学聚焦装置3、超声换能器探测
阵列5及上位机6;可以理解的是,机载平台设置于飞机上,飞机飞行时带动机载平台同步飞
行,进而带动搭载于机载平台上的各装置设备同步飞行。
分别与激光发射装置1、光学整形装置2及光学聚焦装置3通信连接,以控制激光的产生、调
节及聚焦,即上位机6用于控制激光发射装置1的激光输出及激光焦点光斑情况。
跨过水面由超声换能器探测阵列5接收。超声换能器探测阵列5包括多个布设于不同方位上
的超声换能器51,超声换能器51也可简称为CMUT,超声换能器51具有成阵列容易、体积小、
可移动性强、灵敏度高、探测范围大等优点;超声换能器探测阵列5用于接收反射后的声波
信号,并将其转换成电信号发送给上位机6。需要说明的是,由于待探测的水下目标物体4位
置的不确定性及水下目标物体4自身形状特点,其反射后的声波回波也具有多个入射角度;
为便于对反射回波进行采集,可实时调节超声换能器探测阵列5的方位,以获得对反射回波
的最佳接收角度。
使用超声换能器探测阵列5作为接收传感器并将其设置于机载平台上,既避免光学探测下
高频波在水中衰减速率大、测量范围小的缺点,又克服了传统声学探测中声呐传感器的缺
点,使该激光致声跨空水下目标探测系统具有探测精度高、探测范围大、灵敏度高、体积小
重量轻等优点;而且,能够实现对水下目标物体4的空中远距离探测,可实现即测即飞,由此
解决了现有水下探测系统因搭载于船载式平台上而导致机动性和隐蔽性较差的问题,解决
了需提前在水下布置水听器而导致人力物力耗费、探测灵活性和效率较低的问题,因而本
实施例的激光致声跨空水下目标探测系统具有可移动性强、覆盖面广、机动灵活、探测效率
高、隐蔽性强等优点。
的激光进行焦点位置的调节。光学聚焦装置3包括凸透镜31、凹透镜32、以及与上位机6通信
连接的第一电机和第二电机;第一电机与凸透镜31连接,用于驱动凸透镜31移动或偏转;第
二电机与凹透镜32连接,用于驱动凹透镜32移动或偏转。光学整形装置2调节后的激光,先
经凸透镜31聚焦,再经凹透镜32二次聚焦后,射入水中且在水面聚焦。进一步地,参考图4所
示,简要说明激光焦点位置的计算原理:
学聚焦装置3的自动聚焦功能。
光发射装置1距离水面的实时距离,也即激光输出点距离水面的实时距离,并将测量结果发
送到上位机6。上位机6将激光发射装置1距离水面的实时距离与其预设距离进行比对,并将
比对结果发送给控制单元7,控制单元7根据比对结果对光学聚焦装置3进行实时调控,以使
激光始终在水面聚焦。
量水面波浪信息并反馈到上位机6,比对结果的数值即反映水面波浪起伏情况;上位机6通
过控制单元7对光学聚焦装置3进行实时自动调控,如通过第一电机及第二电机来调节凸透
镜31及凹透镜32的位置等,以对激光焦点位置进行实时自动调节,补偿因水面波浪起伏而
导致的水面高度变化,实现对水面波浪高度的自适应调节,使激光始终能够稳定聚焦在水
面上,保持最佳激光聚焦激发位置,提高聚焦质量,由此确保激光产生稳定可靠的声场,确
保光声转换效率和水下通信质量。
深度小且不超过声波波长,反射波可以同相排列向下传播的波最终达到更大净波,这样可
以大大提高声波能量,声波在传播过程中相干叠加,叠加后的声波被水下目标物体4反射后
能够更好地跨过水面由超声换能器探测阵列5接收。
面高度变化,使激光始终能够稳定聚焦在水面上,进而确保激光产生稳定可靠的声场。
获得激光发射装置1距离水面的实时距离。进一步地,相位式激光测距仪采用数字测相原
理,是利用无线电波段的频率,对激光束进行幅度调制并测定调制光往返测线一次所产生
的相位延迟,再根据调制光的波长,换算此相位延迟所代表的距离,即用间接方法测定出光
经往返测线所需的时间;相位式激光测距仪的测量精度可达毫米量级,具有测量精度高、环
境适应性强等优点。
射声波;本实施例采用大功率激光器来产生声源信号,其输出能量可达2J以上,因而产生的
声波信号具有声压级高、频谱宽、可进行非接触式控制、传播距离大等优势,因而能够更好
地满足对水下目标物体4进行空中远距离探测的需要。
与超声换能器探测阵列5连接,用于采集各超声换能器51发送的电信号;进而,上位机6通过
算法分析电信号在时域和频域的特性,实现对水下目标物体4的探测功能。
水面上,并使激光发射装置1距离水面的距离达到其预设距离。
光声效应,向周围辐射声波,声波被水下目标物体4反射后跨过水面在空中传播;调整超声
换能器探测阵列5的位置,使水下目标物体4反射后跨过水面的声波由超声换能器探测阵列
5接收;超声换能器探测阵列5将接收到的声波信号转换成电信号并发送给上位机6。
使用超声换能器探测阵列5作为接收传感器并将其设置于机载平台上,实现了对水下目标
物体4的空中远距离探测,解决了现有水下探测系统因搭载于船载式平台上而导致机动性
和隐蔽性较差的问题,解决了需提前在水下布置水听器而导致人力物力耗费、探测灵活性
和效率较低的问题,由此增强了水下目标物体4探测的可移动性和覆盖面,提高了探测精度
和探测效率,提高了探测的机动灵活性和隐蔽性。
离水面的实时距离 ;
为常数。
制单元7;控制单元7根据比对结果对凸透镜31或/和凹透镜32的位置进行实时自动调控,以
调节激光焦点位置,使激光始终在水面聚焦。
的自适应调节,使激光始终能够稳定聚焦在水面上,进而确保激光产生稳定可靠的声场。
形状或特定方向移动,使扫描路径上产生的声波在传播过程中相干叠加,叠加后的声波被
水下目标物体4反射后跨过水面由超声换能器探测阵列5接收。该示意性实施例,使用激光
扫描的方式,利用声源移动产生多普勒效应,可获得更宽的声波信号频谱;控制激光焦点光
斑的移动速度,可以编码声波信号,用于激光致声探测及通信;通过光学聚焦装置3使激光
在光斑扫描路径上形成一系列的声波,声波相干叠加后,可以在特定方向上使传播范围大
幅增加,从而使探测范围扩大;使用声换能器探测阵列作为接收传感器,既避免光学探测下
高频波在水中衰减速率大、测量范围小的缺点,又克服了传统声学探测中声呐传感器的缺
点,使该激光致声跨空水下目标探测系统具有探测范围大、灵敏度高、体积小重量轻等优
点。
并使激光发射装置1距离水面的距离达到其预设距离。
光学聚焦装置3调节激光焦点位置使其在水面聚焦,使使水介质产生光声效应,向周围辐射
声波。以扫描方式控制激光焦点光斑以水中音速、超音速等不同速度以规则形状移动,编码
声波信息,用于激光致声探测。若以水中音速使激光焦点光斑以规则形状或特定方向移动,
在水介质中光斑移动路径上产生一系列的声波,声波在传播过程中相干叠加。相干叠加后
的声波传播过程中遇到水下目标物体4反射至机载平台上的超声换能器探测阵列5,并由超
声换能器探测阵列5转换为电信号传送至上位机6,上位机6运用相关法、差分法和高斯‑牛
顿迭代算法处理超声换能器探测阵列5解调出的水下目标物体4反射信号如图11,通过图10
所示的直达信号(蓝色示意)与反射信号(红色示意)做相关算法,得到水下目标物体4的深
度和方位信息。
下目标物体4定位,在激光声探测方面有广泛的应用前景。假设光学聚焦装置3控制激光焦
点光斑在X‑Y平面内以水中音速沿X轴移动,在扫描路径上产生的声波逐步叠加,最后在扫
描终点处达到最大,从而使声波在X方向上能够传播更远的距离,使探测范围大幅增加。
和 为 的方向余弦, 为角速度,为质点振动时间,为球面声场的半径。两列频率
相同、振动方向相同、位相差恒定的声波在叠加区将会出现强弱稳定的声强分布现象。
为 ,则有扫描时间 ,可视声波个数 。在扫描终点处这 个声波开始全
部叠加,即
间 。
方程组:
器51的时间, 为声波在水中及空中传播速度平均速度, 为空中垂直下方反射后到达超
声换能器51的时间;本领域技术人员可以理解的是,实际应用时,调整超声换能器探测阵列
5的位置,以某一超声换能器51所能接收到最强信号的位置为空中垂直水下目标物体的位
置, 于该位置处进行获取。
有利于获取水下目标物体的信息;通过激光测距装置的设置,实现了对水面波浪起伏情况
的实时测量,进而对激光焦点位置进行实时自动调节,补偿因水面波浪起伏而导致的水面
高度变化,使激光始终能够稳定聚焦在水面上,确保激光产生稳定可靠的声场;通过使用超
声换能器探测阵列作为接收传感器并将其设置于机载平台上,既避免光学探测下高频波在
水中衰减速率大、测量范围小的缺点,又克服了传统声学探测中声呐传感器的缺点,解决了
现有水下探测系统因搭载于船载式平台上而导致机动性和隐蔽性较差的问题,解决了需提
前在水下布置水听器而导致人力物力耗费、探测灵活性和效率较低的问题,实现了对水下
目标物体的空中远距离探测,增强了水下目标物体探测的可移动性和覆盖面,提高了探测
精度和探测效率,提高了探测的机动灵活性和隐蔽性。
实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换;而不脱离本发明技术方案的精神,
其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。