一种水下激光测距方法与流程

本发明主要涉及水下激光测距技术领域，具体涉及调制激光水下测距的方法。

背景技术：

水下测距技术在水下工程安装和检修、海底沉船及飞机残骸的搜索、海洋生态观测等民用领域，以及水下探雷、探潜、反潜等军事领域中都有重要应用。

现有技术中，声纳测距技术被广泛应用于水下目标的距离测量，它是利用水声换能器发射和接收声波信号，根据波束在水中的往返时间以及声速确定目标物距离。声纳测距技术由于受温跃层对声场分布的影响，会使声纳测距技术测得错误的距离信息。为了弥补声纳测距技术在浅水区域的不足，人们相继提出了基于激光雷达的水下测距技术。传统脉冲激光测距由于水下后向散射的影响严重，强的后向散射会将目标信号湮没其中，降低目标对比度，影响测距精度和测距量程。

针对现有技术的不足，提出了一种基于调制激光的水下测距技术。

技术实现要素：

本发明解决的技术是针对现有技术的不足，提供一种水下激光测距方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种水下激光测距方法，包括如下步骤：

步骤一，由光发射机发射高斯激光脉冲；

步骤二，根据水下具体情况对高斯脉冲参数进行调制，具体包括脉冲宽度2τ，调制频率fc，和调制深度m。

所述脉冲宽度小于10ns时，由于脉冲宽度太窄，调制效果不明显影响测距精度；所述脉冲宽度大于50ns时，水下目标回波信号能力小于探测阈值而接受不到；因此在实际探测中选择脉冲宽度范围控制在10ns～40ns之间。所述调制频率大于海水截止频率100mhz时可以有效抑制后向散射，在实际探测中，调制频率增大探测距离精度增加，但是随着所述调制频率的增加回波信号信噪比会降低，因此应根据实际探测情况折中选择调制频率。所述调制深度在实际探测中应尽量增大。

步骤三，回波信号被一高速探测器接收并提取该调制信号进行微波信号处理。目标反射的光子可以保持发射信号的调制信息，而在发射源与目标之间的不同距离处，水体散射的光子之间会产生相消干涉，导致高频信号消失。由目标反射的高频信号与由水体散射的低频信号可以通过在接收端加一个以调制频率为中心的带通滤波器进行分离，水下目标回波信号进行频域窄带滤波处理，通过回波与同频率的参考信号进行相关运算实现，抑制水下后向散射，提高目标对比度。具体的，可以通过以下公式运算：

式中f0^(t)为接收的回波信号，f1^(t)为入射的余弦调制高斯脉冲，为f1^(t)的复共轭。

本发明的有益效果是：经过调制的高斯激光脉冲经水下目标反射后仍存在调制信息，可有效区分水下后向散射信号和水下目标回波信号，由此抑制了水下后向散射，明显提高信号信噪比，提高目标对比度，可适用于各种复杂的水下环境，提升水下测距精度和测距量程。

实验结果表明所述调制高斯脉冲测距技术对探测性能的改善和对目标反射信号对比度的增强。同时,通过改变系统的调制参数，双重考虑测距精度和测距距离，脉冲宽度和调制频率应在合理范围内折中选择并且在一定范围内尽量提高调制深度，可以提高目标信号对比度，提升测距量程并兼顾到测距精度。

附图说明

图1为本发明的整体流程原理图；

图2为本发明中描述的水下激光测距系统原理图；

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

本发明涉及的是一种适用于水下激光测距的方法，通过本发明的方法，可以有效抑制水下后向散射，明显提高信号信噪比，可适用于各种复杂的水下环境，提升水下测距精度和测距量程。

如图1所示，一种水下激光测距方法，包括如下步骤：

由光发射机发射高斯激光脉冲；

根据水下具体情况对高斯脉冲参数进行调制，具体包括脉冲宽度2τ，调制频率fc，调制深度m。所述脉冲宽度小于10ns时，由于脉冲宽度太窄，调制效果不明显影响测距精度；所述脉冲宽度大于50ns时，水下目标回波信号能力小于探测阈值而接受不到；因此在实际探测中选择脉冲宽度范围控制在10ns～40ns之间。所述调制频率大于海水截止频率100mhz时可以有效抑制后向散射，在实际探测中，调制频率增大探测距离精度增加，但是随着所述调制频率的增加回波信号信噪比会降低，因此应根据实际探测情况折中选择调制频率。所述调制深度在实际探测中应尽量增大。

回波信号被一高速探测器接收并提取该调制信号进行微波信号处理。目标反射的光子可以保持发射信号的调制信息，而在发射源与目标之间的不同距离处，水体散射的光子之间会产生相消干涉，导致高频信号消失。由目标反射的高频信号与由水体散射的低频信号可以通过在接收端加一个以调制频率为中心的带通滤波器进行分离，水下目标回波信号进行频域窄带滤波处理，通过回波与同频率的参考信号进行相关运算实现，抑制水下后向散射，提高目标对比度。具体的，可以通过以下公式运算：

式中f0(t)为接收的回波信号，f1(t)为入射的余弦调制高斯脉冲，为f1(t)的复共轭。

可选地，作为本发明的一个实施例，所述根据水下具体情况对高斯脉冲参数进行调制具体包括：

当调制频率设为0.5ghz，脉冲宽度为10ns，调制深度为1时，在浑浊水域中，高斯脉冲相比传统脉冲可以提高目标信噪比约8db。

进一步，设置调制深度为1，调制频率为0.5ghz，脉冲宽度为10,20,30,40ns时的目标回波信号相对50ns时的信噪比分别提高了2.72db，1.87db，1.02db，0.40db，脉冲宽度太窄，调制效果不明显，测距精度会大幅下降，因此结合信噪比和调制精度，在实际探测中选择脉冲宽度10～40ns。

进一步，保持调制深度为1，选择脉冲宽度为40ns，改变调制频率为0.1,0.5,1.0ghz，与调制频率为0.1ghz时相比，调制频率为0.5,1.0ghz时的精度分别提高81％和91％；与调制频率为0.1ghz时相比，调制频率为0.5,1.0ghz时的信噪比分别降低1.12db和1.30db。

进一步，当脉冲宽度和调制频率一定时，随着调制深度增加，水下目标回波信号精度均在提高，信噪比随调制深度增加而增大，因此，在水下测距过程中，应在合理范围内尽量增大调制深度。

本发明解决了水下后向散射的影响严重，后向散射导致目标信号湮没其中引起的水下信号信噪比低、目标对比度差、测距量程小精度差的问题，该方法有效抑制水下后向散射，明显提高信号信噪比，可适用于各种复杂的水下环境，提升水下测距精度和测距量程。

经过调制的高斯激光脉冲经水下目标反射后仍存在调制信息，可有效区分水下后向散射信号和水下目标回波信号，由此抑制了水下后向散射。同时,通过改变系统的调制参数，双重考虑测距精度和测距距离，脉冲宽度和调制频率应在合理范围内折中选择并且在一定范围内尽量提高调制深度，提升测距量程并兼顾到测距精度。

在本发明在实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以是两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

以上，仅为本发明的具体实施方式，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揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改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以权利要求的保护范围为准。