專利名稱：一種基于激光成像的海浪微尺度波探測裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及非聲探潛領(lǐng)域，具體是涉及一種基于激光成像的海浪微尺度波探測裝置。
背景技術(shù)：
目前在非聲探潛領(lǐng)域，現(xiàn)有的微波探測海表面波間接探潛利用了微波遙感具有全 天候、全天時的優(yōu)點，可以對大面積海域進行實時探測，但其探測精度還不是很高，最高探 測精度為30厘米。關(guān)于微波探測海表面波間接探潛的所有報道都是合成孔徑雷達(SAR)對于海底 山脈地形引起的內(nèi)波海面應(yīng)波的探測，所述內(nèi)波海面應(yīng)波的波幅在幾十米到上百米之間； 對于潛艇引起的內(nèi)波海面應(yīng)波的探測，卻沒有報道，潛艇引起的內(nèi)波海面應(yīng)波的波幅一般 在 20cm-50cm 左右。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決現(xiàn)有微波探測海表面波間接探潛探測精度低的問題，本發(fā)明提供一種基 于激光成像的海浪微尺度波探測裝置。本發(fā)明的一種基于激光成像的海浪微尺度波探測裝置，它包括激光發(fā)射機、光學(xué) 系統(tǒng)、隨動系統(tǒng)、條紋管探測系統(tǒng)、信號處理系統(tǒng)、分束鏡、第一反射鏡、第二反射鏡和第三 反射鏡，所述光學(xué)系統(tǒng)包括擴束透鏡和接收透鏡，隨動系統(tǒng)包括第四反射鏡和掃描鏡，條紋 管探測系統(tǒng)包括光電二極管、延時器、單狹縫條紋管和CCD探測器；激光發(fā)射機輸出光信號 至分束鏡，所述分束鏡輸出一路光信號至第一反射鏡，所述第一反射鏡輸出光信號至光電 二極管的輸入端，所述光電二極管輸出電信號至延時器，所述延時器輸出電信號至單狹縫 條紋管內(nèi)部的斜坡電壓發(fā)射器，用于輸出電信號觸發(fā)所述斜坡電壓發(fā)射器開始工作；分束 鏡輸出另一路光信號至擴束透鏡，所述擴束透鏡輸出光信號至第四反射鏡，所述第四反射 鏡輸出源光信號至掃描鏡，所述掃描鏡用于輸出掃描目標(biāo)的源光信號，還用于接收目標(biāo)的 反射光信號，所述目標(biāo)的反射光信號經(jīng)掃描鏡輸出至第四反射鏡，所述第四反射鏡輸出反 射光信號至接收透鏡，所述接收透鏡輸出光信號至第二反射鏡，所述第二反射鏡輸出光信 號至第三反射鏡，所述第三反射鏡輸出光信號至單狹縫條紋管的光信號接收端，所述單狹 縫條紋管輸出成像信號至CCD探測器，所述CCD探測器輸出成像數(shù)據(jù)至信號處理系統(tǒng)，所述 信號處理系統(tǒng)用于對輸入的成像數(shù)據(jù)進行分析獲得目標(biāo)的三維像。本發(fā)明的工作原理激光發(fā)射機1發(fā)出光信號，所述光信號經(jīng)分束鏡分束后輸出 兩路光信號，其中，一路光信號經(jīng)過光電二極管后轉(zhuǎn)換為電信號輸出，所述電信號經(jīng)延時器 適當(dāng)延時后觸發(fā)斜坡電壓開始工作，即使單狹縫條紋管工作；另一路光信號經(jīng)擴束透鏡擴 束后輸出至隨動系統(tǒng)，所述隨動系統(tǒng)輸出用于掃描目標(biāo)的源光信號，且接收目標(biāo)的反射光 信號，還輸出所述反射光信號至接收透鏡，所述接收透鏡輸出光信號至單狹縫條紋管成像， CCD探測器探測單狹縫條紋管的成像信號，并輸出成像數(shù)據(jù)至信號處理系統(tǒng)進行分析獲得目標(biāo)的三維像。本發(fā)明的有益效果為本發(fā)明的條紋管探測系統(tǒng)通過海表面對激光束的反射和散 射對海表面微尺度波直接進行三維成像，實現(xiàn)了距離選通成像，降低了雨、霧天氣等外界環(huán) 境對目標(biāo)探測的干擾，易于探測到目標(biāo)；本發(fā)明的分束器使得單狹縫條紋管和光學(xué)系統(tǒng)能 夠同步工作；本發(fā)明探測海浪微尺度波振幅的距離分辨率高，探測精度高，達厘米級。


圖1是本發(fā)明的一種基于激光成像的海浪微尺度波探測裝置的裝置示意圖，圖2 是具體實施方式
三中CCD探測器4-4獲得的大波浪條紋像示意圖，圖3是具體實施方式
三 中CCD探測器4-4獲得的小波浪條紋像示意圖，圖4是具體實施方式
三中信號處理系統(tǒng)5 對海浪微尺度波進行三維重構(gòu)獲得的距離像示意圖，圖5是具體實施方式
三中信號處理系 統(tǒng)5對海浪微尺度波進行三維重構(gòu)獲得的強度像示意圖，圖6是具體實施方式
三中計算海 平面高度差示意圖，圖7是具體實施方式
三中反演出的海浪波形示意圖。
具體實施例方式體實施方式一根據(jù)說明書附圖1具體說明本實施方式，本實施方式所述的一種 基于激光成像的海浪微尺度波探測裝置，它包括激光發(fā)射機1、光學(xué)系統(tǒng)2、隨動系統(tǒng)3、條 紋管探測系統(tǒng)4、信號處理系統(tǒng)5、分束鏡7、第一反射鏡8、第二反射鏡9和第三反射鏡10， 所述光學(xué)系統(tǒng)2包括擴束透鏡2-1和接收透鏡2-2，隨動系統(tǒng)3包括第四反射鏡3-1和掃 描鏡3-2，條紋管探測系統(tǒng)4包括光電二極管4-1、延時器4-2、單狹縫條紋管4-3和CXD探 測器4-4 ；激光發(fā)射機1輸出光信號至分束鏡7，所述分束鏡7輸出一路光信號至第一反射 鏡8，所述第一反射鏡8輸出光信號至光電二極管4-1的輸入端，所述光電二極管4-1輸出 電信號至延時器4-2，所述延時器4-2輸出電信號至單狹縫條紋管4-3內(nèi)部的斜坡電壓發(fā)射 器，用于輸出電信號觸發(fā)所述斜坡電壓發(fā)射器開始工作；分束鏡7輸出另一路光信號至擴 束透鏡2-1，所述擴束透鏡2-1輸出光信號至第四反射鏡3-1，所述第四反射鏡3-1輸出源 光信號至掃描鏡3-2，所述掃描鏡3-2用于輸出掃描目標(biāo)Q的源光信號，還用于接收目標(biāo)Q 的反射光信號，所述目標(biāo)Q的反射光信號經(jīng)掃描鏡3-2輸出至第四反射鏡3-1，所述第四反 射鏡3-1輸出反射光信號至接收透鏡2-2，所述接收透鏡2-2輸出光信號至第二反射鏡9， 所述第二反射鏡9輸出光信號至第三反射鏡10，所述第三反射鏡10輸出光信號至單狹縫 條紋管4-3的光信號接收端，所述單狹縫條紋管4-3輸出成像信號至CCD探測器4-4，所述 CXD探測器4-4輸出成像數(shù)據(jù)至信號處理系統(tǒng)5，所述信號處理系統(tǒng)5用于對輸入的成像數(shù) 據(jù)進行分析獲得目標(biāo)Q的三維像。
具體實施方式
二 本實施方式與具體實施方式
一的不同之處在于激光發(fā)射機1包 括倍頻器1-2和YAG激光器1-1，所述YAG激光器1_1輸出波長為1064nm的激光至倍頻器 1-2，所述倍頻器1-2輸出波長為532nm的激光至分束鏡7。本實施方式中，掃描鏡3-2為振鏡，振鏡由外加電信號控制其擺動，所述振鏡增大 了掃描范圍。本實施方式中，信號處理系統(tǒng)5采用凌云公司研發(fā)的dsp板，延時器4-2為美國 斯坦福產(chǎn)DG535，CXD探測器4_4的型號為=Dalsa 1M60，YAG激光器1_1采用單脈沖能量20mJ,帶寬10ns，重復(fù)頻率IOOHz的激光器(法國產(chǎn)Quantel 二極管泵浦激光器)，單狹縫 條紋管4-3采用俄羅斯生產(chǎn)的K008型單狹縫條紋管相機。應(yīng)用本實施方式，進行實例分析應(yīng)用本實施方式在東海實測海洋表面微尺度波，獲得海浪微尺度波的條紋像，如 圖2和圖3所示，對多幅海浪微尺度波的條紋像進行三維重構(gòu)，獲得三維像，所述三維像包 括距離像和強度像，分別如圖4和圖5所示，單幀條紋像的分辨率為1032*1392，重構(gòu)后的條 紋像分辨率為70*1032。在實驗過程中，分為三個階段第一，拖船?？堪哆叄l(fā)動機低速轉(zhuǎn)動；第二，拖船 行駛過程，發(fā)動機高速轉(zhuǎn)動；第三，拖船在海中拋錨，發(fā)動機低速轉(zhuǎn)動。利用發(fā)動機轉(zhuǎn)速變 化引起海面波浪起伏高度不同，這種不同的狀態(tài)可從距離像中獲知，從上至下，按顏色變化 的不同可將距離像分為三個區(qū)域，所述三個區(qū)域與實驗的三個階段對應(yīng)，顏色淺的距離像 一區(qū)、顏色深的距離像二區(qū)和顏色淺的距離像三區(qū)。當(dāng)發(fā)動機低速旋轉(zhuǎn)時，海面波浪起伏較 小，海面波浪與探測器的距離相對較遠(yuǎn)，則在距離像的上部分，顏色較淺。在距離像一區(qū)取 10幀圖像，以條紋像的最亮點為基準(zhǔn)點計算海面波浪與探測器的平均距離445像素時換 算成光程為9. 6m ；同理，可計算距離像二區(qū)的光程為((200/1392) *360)*0. 15 = 7. 8m ；距 離像三區(qū)的光程為((200/1392) *390)*0. 15 = 8. 4m。距離像一區(qū)與距離像二區(qū)的光程差為1.8m，探測裝置與水平面的夾角大約為10 度，根據(jù)如下公式L-L' = 1. 8,Hbc = cosl0*l. 8 = 0. 3推算出兩區(qū)之間的海平面高度為0.3m，HBC表示距離像一區(qū)的海平面B與距離像二 區(qū)的海平面C之間的距離，如圖6所示。根據(jù)發(fā)動機的轉(zhuǎn)動速度與海平面高度的關(guān)系，可推 算出拖船的航行速度。海面的強度像也可反映出海面波浪的情況。當(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速慢時，海面波浪起伏較 大，此時認(rèn)為，波峰對光反射較強，波谷對光吸收較強，此時，如強度像一區(qū)，有的地方比較 亮，認(rèn)為是波峰，有的地方較暗，認(rèn)為是波谷；當(dāng)發(fā)動機高速轉(zhuǎn)動時，發(fā)動機尾部海面整體上 浮，此時海面有許多的小波浪，對光的反射較強，因此在強度像二區(qū)形成大片的亮斑；當(dāng)發(fā) 動機減速時，海面又趨于平穩(wěn)，形成如強度像三區(qū)的圖像。根據(jù)強度像的反射強弱，判斷發(fā) 動機轉(zhuǎn)速情況。在實驗中，利用獲得的條紋像近似模擬海浪微尺度波圖像，反演出海浪微尺度波 波形，如圖7所示。
權(quán)利要求
一種基于激光成像的海浪微尺度波探測裝置，其特征在于它包括激光發(fā)射機(1)、光學(xué)系統(tǒng)(2)、隨動系統(tǒng)(3)、條紋管探測系統(tǒng)(4)、信號處理系統(tǒng)(5)、分束鏡(7)、第一反射鏡(8)、第二反射鏡(9)和第三反射鏡(10)，所述光學(xué)系統(tǒng)(2)包括擴束透鏡(2 1)和接收透鏡(2 2)，隨動系統(tǒng)(3)包括第四反射鏡(3 1)和掃描鏡(3 2)，條紋管探測系統(tǒng)(4)包括光電二極管(4 1)、延時器(4 2)、單狹縫條紋管(4 3)和CCD探測器(4 4)；激光發(fā)射機(1)輸出光信號至分束鏡(7)，所述分束鏡(7)輸出一路光信號至第一反射鏡(8)，所述第一反射鏡(8)輸出光信號至光電二極管(4 1)的輸入端，所述光電二極管(4 1)輸出電信號至延時器(4 2)，所述延時器(4 2)輸出電信號至單狹縫條紋管(4 3)內(nèi)部的斜坡電壓發(fā)射器，用于輸出電信號觸發(fā)所述斜坡電壓發(fā)射器開始工作；分束鏡(7)輸出另一路光信號至擴束透鏡(2 1)，所述擴束透鏡(2 1)輸出光信號至第四反射鏡(3 1)，所述第四反射鏡(3 1)輸出源光信號至掃描鏡(3 2)，所述掃描鏡(3 2)用于輸出掃描目標(biāo)(Q)的源光信號，還用于接收目標(biāo)(Q)的反射光信號，所述目標(biāo)(Q)的反射光信號經(jīng)掃描鏡(3 2)輸出至第四反射鏡(3 1)，所述第四反射鏡(3 1)輸出反射光信號至接收透鏡(2 2)，所述接收透鏡(2 2)輸出光信號至第二反射鏡(9)，所述第二反射鏡(9)輸出光信號至第三反射鏡(10)，所述第三反射鏡(10)輸出光信號至單狹縫條紋管(4 3)的光信號接收端，所述單狹縫條紋管(4 3)輸出成像信號至CCD探測器(4 4)，所述CCD探測器(4 4)輸出成像數(shù)據(jù)至信號處理系統(tǒng)(5)，所述信號處理系統(tǒng)(5)用于對輸入的成像數(shù)據(jù)進行分析獲得目標(biāo)(Q)的三維像。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于激光成像的海浪微尺度波探測裝置，其特征在于激 光發(fā)射機(1)包括倍頻器(1-2)和YAG激光器(1-1)，所述YAG激光器(1_1)輸出波長為 1064nm的激光至倍頻器(1_2)，所述倍頻器(1_2)輸出波長為532nm的激光至分束鏡(7)。
全文摘要
一種基于激光成像的海浪微尺度波探測裝置，它涉及非聲探潛領(lǐng)域。它解決了現(xiàn)有微波探測海表面波間接探潛探測精度低的問題，本發(fā)明包括激光發(fā)射機、光學(xué)系統(tǒng)、隨動系統(tǒng)、條紋管探測系統(tǒng)、信號處理系統(tǒng)、分束鏡、第一反射鏡、第二反射鏡和第三反射鏡，激光發(fā)射機輸出光信號至分束鏡，分束鏡輸出一路光信號經(jīng)第一反射鏡輸入至條紋管探測系統(tǒng)的一個信號輸入端，分束鏡還輸出另一路光信號至光學(xué)系統(tǒng)，光學(xué)系統(tǒng)輸出光信號至隨動系統(tǒng)，隨動系統(tǒng)接收回波信號后輸出至光學(xué)系統(tǒng)，光學(xué)系統(tǒng)輸出光信號第二反射鏡和第三反射鏡輸入至條紋管探測系統(tǒng)的另一個信號輸入端，條紋管探測系統(tǒng)輸出數(shù)據(jù)至信號處理系統(tǒng)。本發(fā)明適用于海平面下潛艇探測。
文檔編號G01S17/89GK101930074SQ20101030091
公開日2010年12月29日 申請日期2010年1月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月29日
發(fā)明者孫劍峰, 王騏, 郜鍵, 魏靖松 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)