專利名稱：一種基于改進(jìn)型f-p標(biāo)準(zhǔn)具的信號(hào)增強(qiáng)激光雷達(dá)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于水下物體探測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及水下物體的采用布里淵散 射法探測(cè)的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在現(xiàn)有技術(shù)中，對(duì)水中物體的探測(cè)常用的有幅度探測(cè)。其方法是向水下注 入探測(cè)光。幅度探測(cè)的方法主要是直接探測(cè)目標(biāo)散射光或反射光的幅度，通過(guò) 檢測(cè)回波信號(hào)的幅度來(lái)判別水中物體的存在。然而隨著反探測(cè)隱身技術(shù)的發(fā)展， 這種目標(biāo)直接回波幅度探測(cè)技術(shù)的精度和可靠性受到越來(lái)越大的影響。特別是 在軍事上，使用針對(duì)幅度探測(cè)的隱身技術(shù)，將使目標(biāo)不易被發(fā)現(xiàn)，從而無(wú)法對(duì) 其實(shí)施攻擊。
為了改進(jìn)探測(cè)精度和可靠性，有人提出了頻移探測(cè)方法，例如戴瑞、劉大 未等人發(fā)表于A卯l. Phys. B， 2004， Vol. 79的"海洋遙感用的水中布里淵光雷達(dá) 的邊緣探測(cè)方法"；弓文平、劉大禾等人發(fā)表于Appl.Phys.B， 2004, Vol. 79的 "用布里淵散射探測(cè)水下目標(biāo)"；石錦衛(wèi)、劉大禾等人發(fā)表于Appl. Phys.B， 2007， Vol.86的基于受激布里淵散射的激光雷達(dá)系統(tǒng)。頻移探測(cè)的方法利用探 測(cè)回波信號(hào)的頻率改變。由于其抗干擾性好，信噪比高，尤其是具有很好的反 隱身性能，開始受到人們的重視。其中，邊緣探測(cè)技術(shù)就是一種頻移探測(cè)的實(shí) 施方法，但由于邊緣探測(cè)技術(shù)中要使用帶阻濾波器和邊緣濾波器，并要與所用 激光器的輸出頻率嚴(yán)格匹配，因而，對(duì)激光器的頻率穩(wěn)定性要求極高，在實(shí)戰(zhàn) 環(huán)境中幾乎無(wú)法實(shí)現(xiàn)?；跇?biāo)準(zhǔn)具和ICCD的方法，由于標(biāo)準(zhǔn)具入射面的高反射率，光透過(guò)率小，ICCD的靈敏度和增益相對(duì)較低，使得雷達(dá)系統(tǒng)不能充分接收 并放大布里淵散射信號(hào)。
改進(jìn)型F-P標(biāo)準(zhǔn)具的介紹
如附圖2所示，改進(jìn)型F-P標(biāo)準(zhǔn)具是在玻璃平板的入射面除了入射窗口區(qū) 域鍍?cè)鐾改ね猓兎瓷渎蕿?00%的高反膜，出射面鍍反射率大于95%的高反 膜。入射光以很小的入射角從入射窗口進(jìn)入玻璃平板，被聚焦到出射面。入射 光的一小部分(小于總能量的5%)從高反面出射，經(jīng)過(guò)光腰后發(fā)散。其余大部 分(大于95%)的光在玻璃板中被再次反射，又有一小部分從高反面出射。類似 的運(yùn)作，入射光將被分成許多位移為常量的光束。這些發(fā)散光相互干涉產(chǎn)生會(huì) 聚光束，以一個(gè)與波長(zhǎng)有關(guān)的角度傳播，產(chǎn)生色散。
布里淵散射雷達(dá)的回波信號(hào)被柱透鏡從改進(jìn)型F-P標(biāo)準(zhǔn)具的入射窗口會(huì)聚
到其右表面，在改進(jìn)型F-P標(biāo)準(zhǔn)具內(nèi)部經(jīng)過(guò)多次反射，出射光發(fā)生多光束干涉，
不同波長(zhǎng)的光有較大的色散，達(dá)到分光的作用。
工作原理
本發(fā)明的水下物體布里淵散射探測(cè)方法的基本原理是通過(guò)探測(cè)目標(biāo)環(huán)境場(chǎng) 即水的光譜來(lái)探測(cè)水下物體。具體的說(shuō)是探測(cè)環(huán)境場(chǎng)即水的散射光的頻移。當(dāng) 光遇到水中物體時(shí)，由于物體表面較為強(qiáng)烈的反射作用，使得瑞利散射大大增 強(qiáng)。更為重要的是，水下物體所在的位置實(shí)際上沒(méi)有水，而只有剛性物體。因 此，相對(duì)于這個(gè)位置的水的散射光譜中布里淵散射分量將消失。這為用布里淵 散射方法探測(cè)水下物體提供了基礎(chǔ)。當(dāng)有水下物體存在時(shí)，水中的布里淵散射 峰將消失。無(wú)水下物體存在時(shí)，可探測(cè)到布里淵散射信號(hào)。
本發(fā)明的布里淵激光雷達(dá)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是使用一種改進(jìn)型F-P標(biāo)準(zhǔn)具作為分 光元件，避免了 F-P標(biāo)準(zhǔn)具由于入射面的高反射率而使得布里淵信號(hào)不能充分有效地通過(guò)分光系統(tǒng)進(jìn)入接收系統(tǒng)，獲得比傳統(tǒng)的F-P標(biāo)準(zhǔn)具大85%以上的透過(guò) 率。改進(jìn)型F-P標(biāo)準(zhǔn)具結(jié)合柱透鏡系統(tǒng)形成分離的點(diǎn)狀散射光譜，可以使用光 電倍增管陣列分別接收，獲得比ICCD更大的光電轉(zhuǎn)換效率，極大的提高了布里 淵散射激光雷達(dá)的探測(cè)深度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是采用頻率識(shí)別探測(cè)技術(shù)，解決探測(cè)水下隱身目標(biāo)的問(wèn)題。本 發(fā)明提出一種改進(jìn)型的水下物體布里淵散射信號(hào)檢測(cè)和接收裝置，提高了布里 淵散射雷達(dá)的信號(hào)接受效率，有效地提高了布里淵激光雷達(dá)的探測(cè)深度。
具體實(shí)施例方式
(一)


圖1本發(fā)明的基于改進(jìn)型F-P標(biāo)準(zhǔn)具的激光雷達(dá)系統(tǒng)示意圖； 圖2改進(jìn)型F-P標(biāo)準(zhǔn)具的結(jié)構(gòu)示意圖
(二) 下面結(jié)合附圖1詳細(xì)描述本發(fā)明水下物體布里淵散射探測(cè)裝置
圖1給出了本發(fā)明的水下物體布里淵散射探測(cè)裝置示意圖，它包括種子
注入激光器l、偏振分束鏡2、四分之一玻片3、凹透鏡4、凸透鏡5、信號(hào)檢測(cè) 裝置、信號(hào)接收裝置、信號(hào)處理裝置。信號(hào)檢測(cè)裝置由平面反射鏡6、凸透鏡7、 針孔濾波器8、凸透鏡9、柱透鏡IO、改進(jìn)型F-P標(biāo)準(zhǔn)具ll、球透鏡12、柱透 鏡13、凸透鏡14組成；信號(hào)接收裝置采用光電倍增管15和光電倍增管16;信 號(hào)處理裝置采用信號(hào)處理器17，光電倍增管15和光電倍增管16記錄的信號(hào)送 入信號(hào)處理器17。
種子注入激光器1輸出的探測(cè)激光束經(jīng)過(guò)偏振分束鏡2后，通過(guò)四分之一 玻片3變?yōu)閳A偏振光，然后經(jīng)過(guò)聚焦系統(tǒng)，先用凹透鏡4將激光束擴(kuò)束，再用大尺寸凸透鏡5對(duì)擴(kuò)束后的激光束進(jìn)行會(huì)聚，并使光束聚焦在欲探測(cè)的深度上。 根據(jù)受激布里淵散射的背向共扼特性，散射光沿原路返回。散射光束依次經(jīng)過(guò) 凸透鏡(5)和凹透鏡(4)重新變?yōu)槠叫泄馐缓笤僖淮瓮ㄟ^(guò)過(guò)四分之一玻 片3后變成垂直偏振光。此時(shí)，垂直偏振的受激布里淵散射光的絕大部分能量 被偏振分束鏡5反射。平面反射鏡6接收偏振分束鏡2反射的背向散射光。接 收到的背向散射光通過(guò)凸透鏡7針孔濾波器8及凸透鏡9后變成嚴(yán)格的平行光。 所得平行光再通過(guò)柱透鏡10成為柱面波，該柱面波從改進(jìn)型F-P標(biāo)準(zhǔn)具11的 入射窗口聚焦到改進(jìn)型F-P標(biāo)準(zhǔn)具的后表面，并被分光。由改進(jìn)型F-P標(biāo)準(zhǔn)具 分光后的光束，經(jīng)過(guò)球透鏡12和柱透鏡13形成分離的點(diǎn)狀布里淵散射光譜， 包括瑞利信號(hào)和布里淵信號(hào)。凸透鏡14將點(diǎn)狀光譜各點(diǎn)之間的間隔放大，相應(yīng) 的信號(hào)被光電倍增管15和光電倍增管16所接收，并被轉(zhuǎn)換為電信號(hào).光電倍增 管的電信號(hào)送入信號(hào)處理器17，經(jīng)信號(hào)處理器處理后給出探測(cè)結(jié)果。
種子注入激光器1選用調(diào)Q倍頻YAG脈沖激光器，倍頻后的輸出波長(zhǎng)為 532nm，脈沖頻率為每秒10個(gè)脈沖，脈沖寬度為6 10ns。若需高精度掃描，可
根據(jù)實(shí)際情況增加脈沖頻率。
改進(jìn)型F-P標(biāo)準(zhǔn)具11的自由光譜范圍為18. 5 20GHz，其結(jié)構(gòu)如圖2所示. 改進(jìn)型F-P標(biāo)準(zhǔn)具由一塊石英平晶構(gòu)成，兩個(gè)表面的平行度應(yīng)優(yōu)于A/20。左表 面即光入射面鍍100%高反膜，右表面鍍95%高反膜，表面的平整度優(yōu)于義/20。 左表面有個(gè)入射窗口，鍍?cè)鐾改ぁＨ肷浯翱趯?mm，光入射角約為1.6° 。改進(jìn) 型F-P標(biāo)準(zhǔn)具的精細(xì)度達(dá)到56。
信號(hào)接收裝置采用光電倍增管，信號(hào)處理器17采用示波器和計(jì)算機(jī)，安裝 信號(hào)分析、處理軟件。(三) 下面結(jié)合附圖具體描述實(shí)施本發(fā)明的的水下物體布里淵散射探測(cè)方法。
種子注入激光器1發(fā)出的光脈沖射入水中后，背向散射光經(jīng)平面反射鏡6 接收，經(jīng)透鏡7，針孔濾波器8和透鏡9準(zhǔn)直，成為嚴(yán)格的平行光。該平行光束 經(jīng)柱透鏡10線性聚焦射到改進(jìn)型F-P標(biāo)準(zhǔn)具11上。由改進(jìn)型F-P標(biāo)準(zhǔn)具進(jìn)行 分光后得到布里淵散射的散射光譜，經(jīng)光電倍增管進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換之后輸入示波
器o
對(duì)于測(cè)量所得到的散射光譜，如果有布里淵散射信號(hào)，則表明無(wú)水下物體。 如果測(cè)量得到的散射光譜中沒(méi)有布里淵散射峰，而只有瑞利散射峰，則可判定 有水下物體存在。
(四) 下面對(duì)實(shí)施本發(fā)明的水下物體布里淵散射探測(cè)裝置所用的激光發(fā)射設(shè) 備、信號(hào)檢測(cè)裝置和信號(hào)接收、處理裝置做進(jìn)一步描述。
1.關(guān)于種子注入激光器l
本發(fā)明利用布里淵散射探測(cè)水下物體。由于布里淵散射的頻移很小，在水中
的典型值為7 8GHz，因此，要精確測(cè)量布里淵散射光譜，要求激光器的頻率穩(wěn) 定性足夠高，線寬足夠窄。另外，要應(yīng)用于實(shí)際監(jiān)測(cè)，必須使用大功率脈沖激 光器。對(duì)于大功率脈沖激光器，目前只有種子注入式脈沖激光器能夠滿足對(duì)頻 率性能的要求。再有，水對(duì)光波在蘭綠光波段有一個(gè)窗口。而目前輸出頻率在 這一窗口內(nèi)的大功率脈沖激光器最常用的是YAG激光器。本發(fā)明可以采用的激 光器包括但不限于美國(guó)Coherent公司Infinity,美國(guó)Continuum公司 Powerlite7000， 8000， 9000系列任一型號(hào)的產(chǎn)品，美國(guó)Spectra Physics公司 Quanta-Ray PRO-270或PRO-290系列等產(chǎn)品完全可以滿足要求，其線寬可以達(dá)到50MHz。
2. 關(guān)于改進(jìn)型F-P標(biāo)準(zhǔn)具11
改進(jìn)型F-P標(biāo)準(zhǔn)具結(jié)構(gòu)如圖2所示.改進(jìn)型F-P標(biāo)準(zhǔn)具由一塊石英平晶構(gòu) 成，尺寸是25mm*25mm *5mm，前后表面的反射率分別是99. 9%和95%。兩個(gè)表面 的平行度優(yōu)于義/20。左表面即光入射面鍍100%高反膜，右表面鍍95%高反膜， 表面的平整度優(yōu)于々20。左表面的入射窗口寬5mm，鍍?cè)鐾改?。改進(jìn)型F-P標(biāo)準(zhǔn) 具的精細(xì)度達(dá)到56。
3. 光電倍增管15， 16和信號(hào)處理器17:
光電倍增管是極高靈敏度和超快時(shí)間響應(yīng)的真空電子管類光探測(cè)器件，用 于各種微弱光的測(cè)量。本發(fā)明可以采用的光電倍增管包括但不限于濱松公司生 產(chǎn)的各種類型的光電倍增管。
信號(hào)處理器可使用示波器，并用計(jì)算機(jī)采集處理信號(hào)。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)
1) 具有極好的實(shí)時(shí)性；
2) 對(duì)水下物體的探測(cè)與物體表面的反射率無(wú)關(guān)，因而，目前的都是針對(duì) 幅度探測(cè)的隱身技術(shù)，對(duì)本發(fā)明的方法沒(méi)有任何隱身作用；
3) 是一種頻移探測(cè)的方法，具有很高的信噪比，因而有很高的測(cè)量精度；
4) 是一種非接觸式的探測(cè)方法，非常適合于對(duì)一些惡劣環(huán)境及不宜采用 接觸式探測(cè)的環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；
5) 易于實(shí)現(xiàn)機(jī)載化，適合于大面積海洋的快速實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；
6) 受空氣一水接口反射的影響??；
7) 受散射光干涉的影響??；8) 到達(dá)改進(jìn)型F-P標(biāo)準(zhǔn)具的散射光的絕大部分最終可以通過(guò)改進(jìn)型F-P 標(biāo)準(zhǔn)具被信號(hào)接收器接收，因而保證了改進(jìn)型F-P標(biāo)準(zhǔn)具具有比標(biāo)準(zhǔn)具高85% 以上的透過(guò)率，大幅度提高了接收信號(hào)的強(qiáng)度；
9) 形成點(diǎn)狀譜，可以用光電倍增管來(lái)記錄信號(hào)，數(shù)據(jù)傳輸速率快，對(duì)弱 信號(hào)的放大作用明顯，對(duì)微弱信號(hào)探測(cè)具有比ICCD更高的靈敏度。
本發(fā)明在軍事方面可以實(shí)時(shí)探測(cè)水下目標(biāo)，包括隱身裝置，如潛艇、水雷、 浮標(biāo)聲納等，在民事方面可以進(jìn)行海洋暗礁和大面積魚群的實(shí)時(shí)探測(cè)。
權(quán)利要求
1.一種水下物體布里淵散射探測(cè)裝置，包括種子注入激光器(1)、偏振分束鏡(2)、四分之一玻片(3)、聚焦系統(tǒng)、信號(hào)檢測(cè)裝置、信號(hào)接收裝置、信號(hào)處理裝置，其中聚焦系統(tǒng)包括凹透鏡(4)和第一凸透鏡(5)；信號(hào)檢測(cè)裝置由平面反射鏡(6)、第二凸透鏡(7)、針孔濾波器(8)、第三凸透鏡(9)、第一柱透鏡(10)、改進(jìn)型F-P標(biāo)準(zhǔn)具(11)、球透鏡(12)、第二柱透鏡(13)以及第四凸透鏡(14)組成；信號(hào)接收裝置包括第一光電倍增管(15)和第二光電倍增管(16)；信號(hào)處理裝置采用信號(hào)處理器(17)，第一光電倍增管(15)和第二光電倍增管(16)記錄的信號(hào)送入信號(hào)處理器(17)；種子注入激光器(1)輸出的探測(cè)激光束經(jīng)過(guò)偏振分束鏡(2)后，通過(guò)四分之一玻片(3)變?yōu)閳A偏振光，然后經(jīng)過(guò)聚焦系統(tǒng)使所述探測(cè)激光束聚焦在被探測(cè)介質(zhì)的欲探測(cè)的深度上，在該探測(cè)深度處產(chǎn)生的受激布里淵散射光沿原路返回，所述受激布里淵散射光束依次經(jīng)過(guò)凸透鏡(5)和凹透鏡(4)重新變?yōu)槠叫泄馐?，然后再一次通過(guò)四分之一玻片(3)后變成垂直偏振光，該垂直偏振光被偏振分束鏡(2)反射，平面反射鏡(6)接收偏振分束鏡(2)反射的垂直偏振的受激布里淵散射光，該接收到的垂直偏振的受激布里淵散射光依次通過(guò)第二凸透鏡(7)，針孔濾波器(8)及第三凸透鏡(9)后變成平行光，所得平行光再通過(guò)第一柱透鏡(10)成為柱面波，該柱面波從改進(jìn)型F-P標(biāo)準(zhǔn)具(11)的入射窗口聚焦到改進(jìn)型F-P標(biāo)準(zhǔn)具的后表面，并被分光；由改進(jìn)型F-P標(biāo)準(zhǔn)具分光后的光束，經(jīng)過(guò)球透鏡(12)和第二柱透鏡(13)形成分離的點(diǎn)狀受激布里淵散射光譜；第四凸透鏡(14)將點(diǎn)狀光譜各點(diǎn)之間的間隔放大，相應(yīng)的點(diǎn)狀受激布里淵散射光譜分別被第一光電倍增管(15)和第二光電倍增管(16)所接收，并被轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，該電信號(hào)被送入信號(hào)處理器(17)，經(jīng)信號(hào)處理器處理后給出探測(cè)結(jié)果。
2. 如權(quán)利要求1所述的水下物體布里淵散射探測(cè)裝置，其特征在于其中種子注入激光器(1)選用調(diào)Q倍頻YAG脈沖激光器，倍頻后的輸出波長(zhǎng)為 532nm，脈沖頻率為每秒10個(gè)脈沖，脈沖寬度為6 10ns。
3. 如權(quán)利要求1所述的水下物體布里淵散射探測(cè)裝置，其特征在于其中 改進(jìn)型F-P標(biāo)準(zhǔn)具(11)的自由光譜范圍為18. 5 20GHz，入射窗口寬5mm， 光入射角約為1.6。。
4. 如權(quán)利要求l所述的水下物體布里淵散射探測(cè)裝置，其特征在于其 中信號(hào)接收裝置采用光電倍增管，信號(hào)處理器(17)采用示波器和計(jì)算 機(jī)，該計(jì)算機(jī)安裝有信號(hào)分析、處理軟件。
全文摘要
本發(fā)明提出一種基于改進(jìn)型F-P標(biāo)準(zhǔn)具的信號(hào)增強(qiáng)激光雷達(dá)系統(tǒng)。其實(shí)現(xiàn)方法的主要特征是使用改進(jìn)型F-P標(biāo)準(zhǔn)具作為激光雷達(dá)系統(tǒng)的分光元件，改進(jìn)型F-P標(biāo)準(zhǔn)具結(jié)合柱透鏡系統(tǒng)形成分離的點(diǎn)狀散射光譜，使用兩個(gè)光電倍增管分別接收光譜中瑞利信號(hào)和布里淵信號(hào)。光電倍增管轉(zhuǎn)換的電信號(hào)輸出到示波器進(jìn)行處理，對(duì)示波器上的光譜圖進(jìn)行判斷，如果光譜中無(wú)布里淵散射峰，即可判定有水下物體存在；有布里淵散射峰，則表明無(wú)水下物體。本發(fā)明的技術(shù)有效的提高了激光雷達(dá)回波信號(hào)的接收效率，從而提高了雷達(dá)的探測(cè)距離，并且保留了這種雷達(dá)的反隱身特性。
文檔編號(hào)G01S17/88GK101614820SQ20091014341
公開日2009年12月30日 申請(qǐng)日期2009年5月25日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月25日
發(fā)明者何興道, 劉大禾, 史久林, 石錦衛(wèi), 陳旭東 申請(qǐng)人:南昌航空大學(xué);北京師范大學(xué)