用于水下航行器的棱锥形激光同步扫描成像装置的制作方法

本发明属于扫描成像领域，具体涉及一种用于水下航行器的棱锥形激光同步扫描成像装置。

背景技术：

水下航行器作为海洋环境观测的重要装备，可使用光电成像设备测量海底地形地貌，其光学探测技术包括激光同步扫描成像技术。激光同步扫描成像技术主要特点有数据采样率高、高分辨率、高精度等。它利用激光测距原理，通过记录被测物体表面大量密集点的坐标信息和反射率信息，将数据完整地采集到电脑中，进而快速复建出被测目标的图件数据。

虽然激光同步扫描系统的最初构思产生在20世纪70年代初期，但真正的研究是在20世纪80年代和90年代初期与美国海军签订的一系列研发合同中开始的。1988年，频谱工程有限公司开始研发双椎形多面体反射镜系统作为水下成像装置，在工作距离、视场和像质方面都比普通成像系统有了重大进展。20年来，业界广泛认为激光线扫描器技术是获取水下环境光学识别质量图像的最佳方法。水下激光线扫描器成像系统可采取单面体扫描反射镜线扫描器、双锥体线扫描器、单六面体反射镜线扫描器等。旋转多面体反射镜的每个小反射面将激光束反射向目标区，并被第二个更大尺寸的旋转多面体反射镜将返回的一部分光束反射到探测器。

获得高对比图像必须具备的特性是，照明光锥与靶面之前接收器的瞬时视场具有最小叠加量。为此，接收器要保持一个限定的瞬时视场不变。此外，聚光孔径必须足够大以收集足量的光子，从而扩大系统的成像范围。由于收集的光子数目正比于入射光束孔径直径的二次方，所以光束实际孔径的典型值是大于50mm的数量级。因此，扫描器需要的反射镜会比较大，从而影响系统总尺寸。

单六面体反射镜线扫描器通过调整两个对称设置的转向反射镜以对应目标距离的变化。其宽泛的设计技术规范，是为了兼容宽幅扫描器对小敏感面积探测器和各种目标距离的需要。该扫描系统使用单六面体反射镜和两个反射镜转向组件，以使激光传输光路与通过整个线扫描系统返回到光电倍增管的光路同步。当一个小反射面的位置正好使激光束沿着传输光路传播时，另一小反射面的位置恰好能将沿着探测器信号光路的激光束反射到远心聚光系统和视场光阑孔径，从而控制接收器的瞬时视场。

由于激光束从光源到目标区的传输过程中只有一小部分返回到探测器，所以，水下激光扫描成像装置的性能会受到介质点扩散和衰减效应的影响。要使普通的散射范围最小，激光线扫描器系统的设计需要有较小的景深(dof)，一般小于几米。景深一般是以下参数的函数：光源与接收器的间距；从光源到目标再返回的光路长度；光束发散度；接收器接收角的函数。

上述激光扫描器方案应用于水下航行器扫描成像的过程中，双椎形多面体或单六面体反射棱镜需要的工作空间较大，且光源与接收器不可避免一定存在间距，从而增大发射光路与返回光路长度，受到的介质扩散和衰减效应更大，影响水下激光扫描成像装置性能。因此，找到一种能减小工作空间，缩短光源与接收器间距从而减小水下介质扩散和衰减效应的激光扫描装置结构具有重要意义。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种用于水下航行器的棱锥形激光同步扫描成像装置，采用椎形多面体激光同步扫描成像装置实现水下航行器用激光扫描成像，实现系统小型化，同时减小水下介质扩散和衰减效应，提高水下激光扫描成像光学分辨率，提高系统的成像范围。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种用于水下航行器的棱锥形激光同步扫描成像装置，包括激光发射模块、棱锥形反射棱镜、电磁方位检测模块、主控制模块、激光接收模块、透光窗口和电机，其中电磁方位检测模块包括磁电传感器和感应磁片；透光窗口固定于水下航行器的舱体底面，保证舱体密封，激光发射模块、棱锥形反射棱镜、电磁方位检测模块、主控制模块、激光接收模块、电机均置于水下航行器的舱体内，且激光发射模块、电磁方位检测模块、主控制模块、激光接收模块、电机均不遮挡透光窗口；电机通过电机支架固定于舱体内壁，棱锥形反射棱镜底面固连在电机的输出轴上，感应磁片镶嵌在电机的输出轴侧壁面上，磁传感器镶嵌在舱体内壁上，且磁传感器位于感应磁片的正上方，对目标方位角信息进行探测，磁传感器、激光发射模块、激光接收模块、电机分别与主控制模块连接；激光发射模块固定在棱锥形反射棱镜的顶点正前方，保证发射激光能够照射到棱锥形反射棱镜的每一个三角形侧面上，激光束可以通过棱锥形反射棱镜反射后，经透光窗口进行发射和接收；激光接收模块位于激光发射模块的正下方，主控制模块固定在接收模块的前方，处于舱体的前端，对信号进行处理。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

(1)本发明采用棱锥形激光同步扫描成像装置，由棱锥形反射棱镜，实现发射激光反射以及回波反射，减小光源与接收器之间的距离，简化系统体积，有利于系统小型化的实现。

(2)采用单个激光器和单个光电探测器配合棱锥形反射棱镜实现激光的发射和接收，棱锥形反射棱镜每一面的倾角为45°，使单个周期扫描光点为一条直线段，简化了扫描轨迹。

附图说明

图1为本发明用于水下航行器的棱锥形激光同步扫描成像装置的结构示意图。

图2为本发明各模块电气连接图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

结合图1，一种用于水下航行器的棱锥形激光同步扫描成像装置，包括激光发射模块1、棱锥形反射棱镜2、电磁方位检测模块、主控制模块4、激光接收模块5、透光窗口6和电机8，其中电磁方位检测模块包括磁电传感器3和感应磁片7。透光窗口6通过螺纹联接固定于水下航行器的舱体底面，保证舱体密封，激光发射模块1、棱锥形反射棱镜2、电磁方位检测模块、主控制模块4、激光接收模块5、电机8均置于水下航行器的舱体内，且激光发射模块1、电磁方位检测模块、主控制模块4、激光接收模块5、电机8均不遮挡透光窗口6。电机8通过电机支架固定于舱体内壁，棱锥形反射棱镜2底面固连在电机8的输出轴上，电机8加载棱锥形反射棱镜2后的转数≥30000r/min。感应磁片7镶嵌在电机8的输出轴侧壁面上，磁传感器3镶嵌在舱体内壁上，且磁传感器3位于感应磁片7的正上方，对目标方位角信息进行探测，磁传感器3、激光发射模块1、激光接收模块5、电机8分别与主控制模块4连接。激光发射模块1固定在棱锥形反射棱镜2的顶点正前方，保证发射激光能够照射到棱锥形反射棱镜2的每一个三角形侧面上，激光束可以通过棱锥形反射棱镜2反射后，经透光窗口6进行发射和接收。激光接收模块5位于激光发射模块1的正下方，主控制模块4固定在接收模块5的前方，处于舱体的前端，对信号进行处理。

棱锥形反射棱镜2底面为正多边形，每一个三角形侧面的倾角为45°，棱锥形反射棱镜2中心轴与透光窗口6轴线平行，棱锥形反射棱镜2结构参数包括三角形侧面个数k、正多边形的边长l(mm)、棱镜倾角α(rad)。用于水下航行器的椎形多面体激光同步扫描成像装置宽扫描角在70°范围内，同时扫描角θ与棱镜侧面个数k有如下关系：

θ＝2π/k(2)

在α＝45°时，发射激光束经过棱锥形反射棱镜2反射的反射光束垂直于棱锥形反射棱镜2中心轴在探测平面上形成一系列呈直线排列的扫描点。棱锥形反射棱镜2的正多边形的边长l需要配合激光发射模块1与激光接收模块5结构进行设定，保证棱锥形反射棱镜2的反射面能够反射激光发射模块1的发射激光束，同时能够反射回波光束到激光接收模块5。

结合图2，激光发射模块1包括准直透镜、固体激光器和激光发射电路，固体激光器和激光发射电路连接，激光发射电路与主控制模块4连接，准直透镜位于固体激光器和棱锥形反射棱镜2之间，且固体激光器、准直透镜与棱锥形反射棱镜2的中心轴平行，保证固体激光器发射的激光通过准直透镜后能够照射到棱锥形反射棱镜2的每一个三角形侧面上。

激光接收模块5包括激光接收电路、光电探测器和接收镜片，激光接收电路分别与光电探测器和主控制模块4连接，接收镜片位于光电探测器和棱锥形反射棱镜2之间，且光电探测器和接收镜片与棱锥形反射棱镜2的中心轴平行，保证目标反射光束通过棱锥形反射棱镜2反射后经接收镜片后被光电探测器探测。

主控制模块4的功能主要为控制激光发射电路、激光接收电路、电磁方位检测模块的工作状态，对接收电路和电磁方位检测模块输出的信号进行处理，得到目标方位信息，结合一系列扫描点的方位信息得到水下地形的扫描图像。

主控制模块4控制电机8开始工作，电机8输出轴带动棱锥形反射棱镜2高速旋转。主控制模块4驱动激光发射电路控制固体激光器发射激光束经准直透镜准直后照射到旋转的棱锥形反射棱镜2的三角形侧面，棱锥形反射棱镜2反射激光束通过透光窗口6，使一系列激光点被反射后照射到海底或者目标表面，随着电机8旋转激光扫描光线可覆盖宽度为d、角度为θ的区域。目标反射光束通过透光窗口6照射到棱锥形反射棱镜2的三角形侧面，经反射后激光束通过接收镜片会聚到光电探测器光敏面上，在光电探测器内转化为电信号，经过激光接收电路放大整形传输到主控制模块4。在方位角检测方面，采用已申请专利《简易制导弹引信用风能驱动激光方位探测装置》(专利申请号201010050277.7)中提出的磁电检测方法，感应磁片7随电机8输出轴旋转产生交变的磁场，利用磁传感器3测量磁场变化信号，输出磁电信号，输入到主控制模块4记录旋转周期并判定当前方位角信息。

同步扫描的探测宽度d决定于扫描角度θ和水下航行器的飞高h，有如下关系：

激光同步扫描探测系统的探测速度s(m²/s)与同步扫描频率f和航行器的航行速度v有关，满足s＝vd/n的关系。而激光同步扫描探测系统的探测分辨率d则由单次行扫描中的激光点个数决定，与同步扫描频率f以及脉冲重复频率z满足d＝dz/f。

激光同步扫描工作过程为：

水下航行器到达一定景深时电机8开始工作，电机8的输出轴带动感应磁片7和棱锥形反射棱镜2旋转。激光发射模块1的固体激光器产生频率为10khz、脉宽为20ns的脉冲激光信号。固体激光器发射脉冲激光信号经过准直透镜准直，形成发散角很小的激光束(水平方向发散角为2mrad，竖直方向发散角为4.5mrad)。激光束发射到随电机8旋转的棱锥形反射棱镜2上。随着棱锥形反射棱镜2高速旋转，一系列激光点被反射后通过透光窗口6照射到海底或者目标表面，棱锥形反射棱镜2每旋转一个侧面在目标表面扫描过一行光点。扫描光点经过目标漫反射产生回波光束，经过水下环境传输一段距离，通过透光窗口6后落在棱锥形反射棱镜2上，经反射后会聚在激光接收模块5光电探测器光敏面上，在光电探测器内转化为电信号。磁传感器3输出一个磁电信号。方位角信号以及回波信号在主控制模块中处理后，得到目标方位信息，结合一系列扫描点的方位信息得到水下地形的扫描图像。