专利名称：一种基于改进型f-p标准具的信号增强激光雷达系统的制作方法
技术领域：
本发明属于水下物体探测技术领域，特别是涉及水下物体的采用布里渊散 射法探测的技术领域。
背景技术：
在现有技术中，对水中物体的探测常用的有幅度探测。其方法是向水下注 入探测光。幅度探测的方法主要是直接探测目标散射光或反射光的幅度，通过 检测回波信号的幅度来判别水中物体的存在。然而随着反探测隐身技术的发展， 这种目标直接回波幅度探测技术的精度和可靠性受到越来越大的影响。特别是 在军事上，使用针对幅度探测的隐身技术，将使目标不易被发现，从而无法对 其实施攻击。
为了改进探测精度和可靠性，有人提出了频移探测方法，例如戴瑞、刘大 未等人发表于A卯l. Phys. B， 2004， Vol. 79的"海洋遥感用的水中布里渊光雷达 的边缘探测方法"；弓文平、刘大禾等人发表于Appl.Phys.B， 2004, Vol. 79的 "用布里渊散射探测水下目标"；石锦卫、刘大禾等人发表于Appl. Phys.B， 2007， Vol.86的基于受激布里渊散射的激光雷达系统。频移探测的方法利用探 测回波信号的频率改变。由于其抗干扰性好，信噪比高，尤其是具有很好的反 隐身性能，开始受到人们的重视。其中，边缘探测技术就是一种频移探测的实 施方法，但由于边缘探测技术中要使用带阻滤波器和边缘滤波器，并要与所用 激光器的输出频率严格匹配，因而，对激光器的频率稳定性要求极高，在实战 环境中几乎无法实现。基于标准具和ICCD的方法，由于标准具入射面的高反射率，光透过率小，ICCD的灵敏度和增益相对较低，使得雷达系统不能充分接收 并放大布里渊散射信号。
改进型F-P标准具的介绍
如附图2所示，改进型F-P标准具是在玻璃平板的入射面除了入射窗口区 域镀增透膜外，均镀反射率为100%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从入射窗口进入玻璃平板，被聚焦到出射面。入射 光的一小部分(小于总能量的5%)从高反面出射，经过光腰后发散。其余大部 分(大于95%)的光在玻璃板中被再次反射，又有一小部分从高反面出射。类似 的运作，入射光将被分成许多位移为常量的光束。这些发散光相互干涉产生会 聚光束，以一个与波长有关的角度传播，产生色散。
布里渊散射雷达的回波信号被柱透镜从改进型F-P标准具的入射窗口会聚
到其右表面，在改进型F-P标准具内部经过多次反射，出射光发生多光束干涉，
不同波长的光有较大的色散，达到分光的作用。
工作原理
本发明的水下物体布里渊散射探测方法的基本原理是通过探测目标环境场 即水的光谱来探测水下物体。具体的说是探测环境场即水的散射光的频移。当 光遇到水中物体时，由于物体表面较为强烈的反射作用，使得瑞利散射大大增 强。更为重要的是，水下物体所在的位置实际上没有水，而只有刚性物体。因 此，相对于这个位置的水的散射光谱中布里渊散射分量将消失。这为用布里渊 散射方法探测水下物体提供了基础。当有水下物体存在时，水中的布里渊散射 峰将消失。无水下物体存在时，可探测到布里渊散射信号。
本发明的布里渊激光雷达系统的优点是使用一种改进型F-P标准具作为分 光元件，避免了 F-P标准具由于入射面的高反射率而使得布里渊信号不能充分有效地通过分光系统进入接收系统，获得比传统的F-P标准具大85%以上的透过 率。改进型F-P标准具结合柱透镜系统形成分离的点状散射光谱，可以使用光 电倍增管阵列分别接收，获得比ICCD更大的光电转换效率，极大的提高了布里 渊散射激光雷达的探测深度。
发明内容
本发明目的是采用频率识别探测技术，解决探测水下隐身目标的问题。本 发明提出一种改进型的水下物体布里渊散射信号检测和接收装置，提高了布里 渊散射雷达的信号接受效率，有效地提高了布里渊激光雷达的探测深度。
具体实施例方式
(一)
图1本发明的基于改进型F-P标准具的激光雷达系统示意图； 图2改进型F-P标准具的结构示意图
(二) 下面结合附图1详细描述本发明水下物体布里渊散射探测装置
图1给出了本发明的水下物体布里渊散射探测装置示意图，它包括种子
注入激光器l、偏振分束镜2、四分之一玻片3、凹透镜4、凸透镜5、信号检测 装置、信号接收装置、信号处理装置。信号检测装置由平面反射镜6、凸透镜7、 针孔滤波器8、凸透镜9、柱透镜IO、改进型F-P标准具ll、球透镜12、柱透 镜13、凸透镜14组成；信号接收装置采用光电倍增管15和光电倍增管16;信 号处理装置采用信号处理器17，光电倍增管15和光电倍增管16记录的信号送 入信号处理器17。
种子注入激光器1输出的探测激光束经过偏振分束镜2后，通过四分之一 玻片3变为圆偏振光，然后经过聚焦系统，先用凹透镜4将激光束扩束，再用大尺寸凸透镜5对扩束后的激光束进行会聚，并使光束聚焦在欲探测的深度上。 根据受激布里渊散射的背向共扼特性，散射光沿原路返回。散射光束依次经过 凸透镜(5)和凹透镜(4)重新变为平行光束，然后再一次通过过四分之一玻 片3后变成垂直偏振光。此时，垂直偏振的受激布里渊散射光的绝大部分能量 被偏振分束镜5反射。平面反射镜6接收偏振分束镜2反射的背向散射光。接 收到的背向散射光通过凸透镜7针孔滤波器8及凸透镜9后变成严格的平行光。 所得平行光再通过柱透镜10成为柱面波，该柱面波从改进型F-P标准具11的 入射窗口聚焦到改进型F-P标准具的后表面，并被分光。由改进型F-P标准具 分光后的光束，经过球透镜12和柱透镜13形成分离的点状布里渊散射光谱， 包括瑞利信号和布里渊信号。凸透镜14将点状光谱各点之间的间隔放大，相应 的信号被光电倍增管15和光电倍增管16所接收，并被转换为电信号.光电倍增 管的电信号送入信号处理器17，经信号处理器处理后给出探测结果。
种子注入激光器1选用调Q倍频YAG脉冲激光器，倍频后的输出波长为 532nm，脉冲频率为每秒10个脉冲，脉冲宽度为6 10ns。若需高精度扫描，可
根据实际情况增加脉冲频率。
改进型F-P标准具11的自由光谱范围为18. 5 20GHz，其结构如图2所示. 改进型F-P标准具由一块石英平晶构成，两个表面的平行度应优于A/20。左表 面即光入射面镀100%高反膜，右表面镀95%高反膜，表面的平整度优于义/20。 左表面有个入射窗口，镀增透膜。入射窗口宽5mm，光入射角约为1.6° 。改进 型F-P标准具的精细度达到56。
信号接收装置采用光电倍增管，信号处理器17采用示波器和计算机，安装 信号分析、处理软件。(三) 下面结合附图具体描述实施本发明的的水下物体布里渊散射探测方法。
种子注入激光器1发出的光脉冲射入水中后，背向散射光经平面反射镜6 接收，经透镜7，针孔滤波器8和透镜9准直，成为严格的平行光。该平行光束 经柱透镜10线性聚焦射到改进型F-P标准具11上。由改进型F-P标准具进行 分光后得到布里渊散射的散射光谱，经光电倍增管进行光电转换之后输入示波
器o
对于测量所得到的散射光谱，如果有布里渊散射信号，则表明无水下物体。 如果测量得到的散射光谱中没有布里渊散射峰，而只有瑞利散射峰，则可判定 有水下物体存在。
(四) 下面对实施本发明的水下物体布里渊散射探测装置所用的激光发射设 备、信号检测装置和信号接收、处理装置做进一步描述。
1.关于种子注入激光器l
本发明利用布里渊散射探测水下物体。由于布里渊散射的频移很小，在水中
的典型值为7 8GHz，因此，要精确测量布里渊散射光谱，要求激光器的频率稳 定性足够高，线宽足够窄。另外，要应用于实际监测，必须使用大功率脉冲激 光器。对于大功率脉冲激光器，目前只有种子注入式脉冲激光器能够满足对频 率性能的要求。再有，水对光波在兰绿光波段有一个窗口。而目前输出频率在 这一窗口内的大功率脉冲激光器最常用的是YAG激光器。本发明可以采用的激 光器包括但不限于美国Coherent公司Infinity,美国Continuum公司 Powerlite7000， 8000， 9000系列任一型号的产品，美国Spectra Physics公司 Quanta-Ray PRO-270或PRO-290系列等产品完全可以满足要求，其线宽可以达到50MHz。
2. 关于改进型F-P标准具11
改进型F-P标准具结构如图2所示.改进型F-P标准具由一块石英平晶构 成，尺寸是25mm*25mm *5mm，前后表面的反射率分别是99. 9%和95%。两个表面 的平行度优于义/20。左表面即光入射面镀100%高反膜，右表面镀95%高反膜， 表面的平整度优于々20。左表面的入射窗口宽5mm，镀增透膜。改进型F-P标准 具的精细度达到56。
3. 光电倍增管15， 16和信号处理器17:
光电倍增管是极高灵敏度和超快时间响应的真空电子管类光探测器件，用 于各种微弱光的测量。本发明可以采用的光电倍增管包括但不限于滨松公司生 产的各种类型的光电倍增管。
信号处理器可使用示波器，并用计算机采集处理信号。
本发明的优点
1) 具有极好的实时性；
2) 对水下物体的探测与物体表面的反射率无关，因而，目前的都是针对 幅度探测的隐身技术，对本发明的方法没有任何隐身作用；
3) 是一种频移探测的方法，具有很高的信噪比，因而有很高的测量精度；
4) 是一种非接触式的探测方法，非常适合于对一些恶劣环境及不宜采用 接触式探测的环境的实时监测；
5) 易于实现机载化，适合于大面积海洋的快速实时监测；
6) 受空气一水接口反射的影响小；
7) 受散射光干涉的影响小；8) 到达改进型F-P标准具的散射光的绝大部分最终可以通过改进型F-P 标准具被信号接收器接收，因而保证了改进型F-P标准具具有比标准具高85% 以上的透过率，大幅度提高了接收信号的强度；
9) 形成点状谱，可以用光电倍增管来记录信号，数据传输速率快，对弱 信号的放大作用明显，对微弱信号探测具有比ICCD更高的灵敏度。
本发明在军事方面可以实时探测水下目标，包括隐身装置，如潜艇、水雷、 浮标声纳等，在民事方面可以进行海洋暗礁和大面积鱼群的实时探测。
权利要求
1.一种水下物体布里渊散射探测装置，包括种子注入激光器(1)、偏振分束镜(2)、四分之一玻片(3)、聚焦系统、信号检测装置、信号接收装置、信号处理装置，其中聚焦系统包括凹透镜(4)和第一凸透镜(5)；信号检测装置由平面反射镜(6)、第二凸透镜(7)、针孔滤波器(8)、第三凸透镜(9)、第一柱透镜(10)、改进型F-P标准具(11)、球透镜(12)、第二柱透镜(13)以及第四凸透镜(14)组成；信号接收装置包括第一光电倍增管(15)和第二光电倍增管(16)；信号处理装置采用信号处理器(17)，第一光电倍增管(15)和第二光电倍增管(16)记录的信号送入信号处理器(17)；种子注入激光器(1)输出的探测激光束经过偏振分束镜(2)后，通过四分之一玻片(3)变为圆偏振光，然后经过聚焦系统使所述探测激光束聚焦在被探测介质的欲探测的深度上，在该探测深度处产生的受激布里渊散射光沿原路返回，所述受激布里渊散射光束依次经过凸透镜(5)和凹透镜(4)重新变为平行光束，然后再一次通过四分之一玻片(3)后变成垂直偏振光，该垂直偏振光被偏振分束镜(2)反射，平面反射镜(6)接收偏振分束镜(2)反射的垂直偏振的受激布里渊散射光，该接收到的垂直偏振的受激布里渊散射光依次通过第二凸透镜(7)，针孔滤波器(8)及第三凸透镜(9)后变成平行光，所得平行光再通过第一柱透镜(10)成为柱面波，该柱面波从改进型F-P标准具(11)的入射窗口聚焦到改进型F-P标准具的后表面，并被分光；由改进型F-P标准具分光后的光束，经过球透镜(12)和第二柱透镜(13)形成分离的点状受激布里渊散射光谱；第四凸透镜(14)将点状光谱各点之间的间隔放大，相应的点状受激布里渊散射光谱分别被第一光电倍增管(15)和第二光电倍增管(16)所接收，并被转换为电信号，该电信号被送入信号处理器(17)，经信号处理器处理后给出探测结果。
2. 如权利要求1所述的水下物体布里渊散射探测装置，其特征在于其中种子注入激光器(1)选用调Q倍频YAG脉冲激光器，倍频后的输出波长为 532nm，脉冲频率为每秒10个脉冲，脉冲宽度为6 10ns。
3. 如权利要求1所述的水下物体布里渊散射探测装置，其特征在于其中 改进型F-P标准具(11)的自由光谱范围为18. 5 20GHz，入射窗口宽5mm， 光入射角约为1.6。。
4. 如权利要求l所述的水下物体布里渊散射探测装置，其特征在于其 中信号接收装置采用光电倍增管，信号处理器(17)采用示波器和计算 机，该计算机安装有信号分析、处理软件。
全文摘要
本发明提出一种基于改进型F-P标准具的信号增强激光雷达系统。其实现方法的主要特征是使用改进型F-P标准具作为激光雷达系统的分光元件，改进型F-P标准具结合柱透镜系统形成分离的点状散射光谱，使用两个光电倍增管分别接收光谱中瑞利信号和布里渊信号。光电倍增管转换的电信号输出到示波器进行处理，对示波器上的光谱图进行判断，如果光谱中无布里渊散射峰，即可判定有水下物体存在；有布里渊散射峰，则表明无水下物体。本发明的技术有效的提高了激光雷达回波信号的接收效率，从而提高了雷达的探测距离，并且保留了这种雷达的反隐身特性。
文档编号G01S17/88GK101614820SQ20091014341
公开日2009年12月30日 申请日期2009年5月25日 优先权日2009年5月25日
发明者何兴道, 刘大禾, 史久林, 石锦卫, 陈旭东 申请人:南昌航空大学;北京师范大学