用于分辨水下目标的激光偏振探测系统的制作方法

本发明涉及一种用于分辨水下目标的激光偏振探测系统，属于海洋光学偏振探测
技术领域：
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背景技术：
：海洋探测技术是海洋工程技术的基础，因此，要实现海洋资源如能源的开发利用，必须掌握海洋探测技术。自然水体中的成像环境复杂多变，影响成像质量的因素有很多，包括水分子本身以及其中各种有机和无机杂质、气泡、湍流等，因此，对于水下目标的探测，如识别和检测，难度远大于正常大气中目标的探测。不过，海洋这一自然水体存在着一个透光率极高的“海洋窗口”，也就是470～580nm波段，该波段的光波传播衰减程度最小，光的透过率最高，因而，蓝绿激光成为海洋水下目标主动探测的照明光源。水下激光探测技术成为一种海洋探测技术。水下激光探测技术包括两类，一是直接探测，也称能量探测，二是光外差探测，也称相干探测。直接探测是光电探测系统直接响应激光回波光场的强度变化，并把回波光场相应地转化为电压或者电流的变化信号。光外差探测是光电探测系统响应回波信号与本振光波的混频信号，利用了激光回波光场的频率和相位变化两个物理量。前者受水下环境影响较小，但是，只能获得被测目标的方位和距离信息；后者对接收的回波信号与本振光波的时空关系要求严格，受海水浑浊度影响较大，使混频效率大为降低。不过，偏振光探测作为一种用途广泛的探测手段，在识别目标、提高目标与背景的对比度、反演被测目标物理特性等方面有着独特的优势，能够准确、清晰提供目标的表面粗糙度、纹理走向、表面电导率、材料的理化特性、含水量等信息。现有偏振光探测技术已经成熟地应用于以下几个方面。海面小目标成像，根据游泳者的红外偏振态将其与背景区分；地雷红外偏振成像，根据长波红外的特点，利用长波红外偏振分量识别地雷；车辆和建筑物成像，也是利用长波红外的特点和车窗、屋顶的偏振信息不同来区分车辆和建筑物。只是以上偏振光探测技术的探测环境是大气，以红外光作为探测光源。2015年，一篇来自西安光学精密机械研究所的题为“基于压缩感知的水下偏振光成像技术研究”的论文公开了一种将偏振光探测技术应用于水下目标探测的方案，其探测系统包括激光器、成像物镜、偏光分束镜、光电倍增管、ccd、计算机等部分。激光波长处在“海洋窗口”。成像物镜分前组、后组，前组为双胶合透镜，后组为三分离透镜，能够获得所需成像质量。偏光分束镜分两路出射正交偏振光，最后再由计算机重构图像。然而，该探测系统只能用于水下目标的成像，识别水下目标的大致轮廓，却无法判断水下目标的材质。技术实现要素：本发明其目的在于，在水下目标的探测过程中，识别水下目标的材质，据此将水下目标从背景中分辨出来，为此，我们发明了一种用于分辨水下目标的激光偏振探测系统。本发明之用于分辨水下目标的激光偏振探测系统包括激光器、成像系统、偏光分束镜、光电探测器和计算机，激光器光路独立，激光波长为470～580nm，成像系统与偏光分束镜共光路，光电探测器位于偏光分束镜的出射光路上，计算机与光电探测器连接；其特征在于，能量分光镜位于成像系统与偏光分束镜之间的光路上，在能量分光镜的两个出射光路上各设置一个偏光分束镜；相对于能量分光镜，两个偏光分束镜空间摆放姿态不同，一个偏光分束镜出射0°、90°偏振光，另一个偏光分束镜出射45°、135°偏振光；在每个偏光分束镜的两个出射光路上各设置一个光电探测器，各个光电探测器均与计算机连接，将探测到的光强电信号传送给计算机。本发明其技术效果在于，激光器垂直水面照射水下目标，成像系统探入水面，接收携带着水下目标偏振信息的反射光，采用分振幅型偏振检测技术，该反射光经过一级能量分光和一级偏振分束后，由四个光电探测器各输出一路光强信号，即i0°、i45°、i90°和i135°，最后由计算机根据下述公式计算反射光的偏振度p：式中：s0表示成像系统接收到的反射光总光强；s1表示线性0°或者90°方向上的偏振量；s2表示线性45°或者135°方向上的偏振量；s0、s1、s2分别由公式(2)、(3)、(4)给出：s1＝i0°-i90°(3)s2＝i45°-i135°(4)水下目标材质不同，其反射光的偏振度也不同，在先行探测已知材质水下目标反射光偏振度之后，建立数据库并存入计算机，在探测材质未知的水下目标的过程中，重复探测过程，将探测数据与数据库比对，从而获得水下目标的材质信息。“海洋窗口”偏振探测能够将由水下的复杂环境造成的干扰降到最低，提高探测信噪比。本发明的一个附带技术效果在于响应速度快，从而探测更准确。现有大气环境红外偏振光探测技术采用转动偏振片的方式进行探测，偏振片转动一次测一次，四次完成i0°、i45°、i90°、i135°的测量，属于单路分时测量，这种方式不适用于动态目标，因为，在测量一次之后，目标的位置已经发生了变化，接下来的测量得到的测量值不准确。而本发明为分振幅同时测量，属于多路同时测量，同时得到i0°、i45°、i90°、i135°，因此响应速度更快，探测更准确。本发明的又一个附带技术效果在于探测对比度高，从而探测精度更高。
背景技术：
中的水下偏振探测为两路同时测量，本发明则为四路同时测量，获得的水下目标偏振信息更多，进而提高水下目标与背景的对比度，使得探测精度更高。原本人工目标的偏振度普遍高于自然目标的偏振度，据此，本发明能够很容易地将人工水下目标与背景区分开来。附图说明图1是本发明之用于分辨水下目标的激光偏振探测系统结构及探测过程示意图，该图同时作为摘要附图。图2～图4依次是本发明之用于分辨水下目标的激光偏振探测系统中的成像系统传递函数曲线图、波像差图、畸变曲线图。具体实施方式本发明之用于分辨水下目标的激光偏振探测系统包括激光器1、成像系统2、偏光分束镜3、光电探测器4和计算机5，如图1所示。激光器1光路独立，激光波长为470～580nm，如532nm，系由nd:yag的1064nm基频倍频后所得。在激光器1出射光路上设置一个1/4波片6，将从激光器1出射的线偏振光转化为圆偏振光，在激光强度相同的前提下，圆偏振光比线偏振光传输更远，或者说在探测距离相同的前提下，圆偏正光照射到水下目标7时光强更强。成像系统2与偏光分束镜3共光路，光电探测器4位于偏光分束镜3的出射光路上，计算机5与光电探测器4连接。能量分光镜8位于成像系统2与偏光分束镜3之间的光路上，在能量分光镜8的两个出射光路上各设置一个偏光分束镜3；相对于能量分光镜8，两个偏光分束镜3空间摆放姿态不同，一个偏光分束镜3出射0°、90°偏振光，另一个偏光分束镜3出射45°、135°偏振光；在每个偏光分束镜3的两个出射光路上各设置一个光电探测器4，各个光电探测器4均与计算机5连接，将探测到的光强电信号传送给计算机5。成像系统2的作用是接收、汇聚反射光，并获得高质量灰度图像。为此，成像系统2采用双高斯光学系统，其焦距为108mm，工作波段为531～533nm，f数为2.6，能够消除彗差、畸变和倍率色差，像差得到充分校正，如图2～图4所示。当光电探测器4采用ccd时，高质量的灰度图像有利于ccd转换为准确的能量值，从而提高探测精度。成像系统2或者采用准直光学系统，特别是当光电探测器4采用pin二极管时，便于pin二极管在线性区工作。由于采用本发明之用于分辨水下目标的激光偏振探测系统，在探测过程中要根据能量信息计算偏振度，因此，光电探测器4探测到的信号的能量与输出的探测信号的电压的线性度一定要好，而在各种光电探测器件中，ccd、pin二极管的线性度最好，因此，本发明中的光电探测器4采用ccd或者pin二极管。一个偏光分束镜3与能量分光镜8的空间摆放姿态相同，出射0°、90°偏振光；另一个偏光分束镜3初始的空间摆放姿态与能量分光镜8相同，然后则绕光轴转动45°，出射45°、135°偏振光。采用本发明之用于分辨水下目标的激光偏振探测系统探测到的已知材质的水下目标的偏振信息如下表所示。水下目标材质s0s1s2p陶瓷(瓷砖)0.368×10-100.756×10-10-0.509×10-100.55铁(铁板)2.78×10-9-4.01×10-10-1.28×10-90.48塑料(塑料管件)1.24×10-93.93×10-12-3.97×10-100.32木材(木板)0.93×10-100.35×10-100.014×10-100.07在进一步积累数据的基础上，采用本发明能够精确地探测到待测水下目标的材质。当前第1页12