一種水下探測系統(tǒng)及水下探測方法【技術(shù)領(lǐng)域】本發(fā)明涉及水下探測領(lǐng)域，尤其涉及一種基于光聲信號的水下探測系統(tǒng)及水下探測方法。

背景技術(shù)：
近年來，海底地貌探測、大面積海洋壞境監(jiān)測、水下信息獲取、海洋資源勘探、海洋救險與打撈等民用領(lǐng)域，以及探測敵方潛艇、艦艇、航母等軍事目標(biāo)等軍用領(lǐng)域均對水下探測技術(shù)提出越來越高的要求。目前水下探測器主要有兩大類，一種是基于聲納的設(shè)備，存在精度低，工作速度慢的缺點；另一種是基于視頻的水下電視，受海水透明度影響很大，探測距離只能在數(shù)米之內(nèi)。此外，利用激光進(jìn)行水下探測的研究雖然有所進(jìn)展，但受海水后向散射的影響，探測距離和精度難以滿足實際需求。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是：彌補上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種水下探測系統(tǒng)及水下探測方法，可實現(xiàn)更遠(yuǎn)探測距離和更高探測精度。本發(fā)明的技術(shù)問題通過以下的技術(shù)方案予以解決：一種水下探測系統(tǒng)，包括激光發(fā)射裝置，超聲探測裝置和測量裝置；所述激光發(fā)射裝置用于向水下待探測的區(qū)域內(nèi)的目標(biāo)物體發(fā)射波長在430～570nm的激光，所述超聲探測裝置用于接收所述目標(biāo)物體吸收所述激光后產(chǎn)生的超聲波，所述測量裝置的輸入端連接所述超聲探測裝置的輸出端，用于對所述超聲探測裝置輸出的超聲信號進(jìn)行分析處理獲取所述目標(biāo)物體的信息。優(yōu)選地，所述測量裝置包括時差計算模塊和距離計算模塊，所述時差計算模塊用于計算所述激光發(fā)射裝置發(fā)射激光和所述超聲探測裝置接收超聲波之間的時差，所述距離計算模塊的輸入端連接所述時差計算模塊的輸出端，用于根據(jù)所述時差計算模塊輸出的所述時差以及光在水中的傳播速度，超聲信號在水中的傳播速度計算得到所述目標(biāo)物體表面的被測點與所述水下探測系統(tǒng)的距離。所述距離計算模塊根據(jù)如下式子計算得到所述距離d：d＝(Δt×v1×v2)/(v1+v2)。所述測量裝置還包括速度測量模塊；所述速度測量模塊的輸入端連接所述距離計算模塊的輸出端，用于根據(jù)所述距離計算模塊多次測量輸出的所述被測點的距離變化估算所述目標(biāo)物體的速度。所述超聲探測裝置包括多個超聲探測器；所述測量裝置包括方位確定模塊；所述多個超聲探測器均用于接收所述目標(biāo)物體表面被測點吸收所述激光后產(chǎn)生的超聲波；所述方位確定模塊用于根據(jù)各個超聲探測器接收到所述超聲波的時差確定所述目標(biāo)物體表面的被測點的方位。所述水下探測系統(tǒng)還包括透鏡和微掃描裝置；所述超聲探測裝置包括多個超聲探測器；所述測量裝置包括三維形貌重構(gòu)模塊；所述透鏡用于對所述激光發(fā)射裝置發(fā)射的所述激光進(jìn)行聚焦，所述微掃描裝置用于使聚焦后的激光在設(shè)定范圍內(nèi)對所述目標(biāo)物體進(jìn)行逐點掃描；所述多個超聲探測器用于接收所述目標(biāo)物體表面被測點吸收所述激光后產(chǎn)生的超聲波；所述三維形貌重構(gòu)模塊用于根據(jù)各個超聲探測器接收到所述超聲波的時刻和各時刻間的時差確定所述被測點的距離和方位，逐點確定得到所述目標(biāo)物體表面多個點的三維坐標(biāo)，擬合出所述目標(biāo)物體的三維形貌。所述測量裝置包括參考功率譜存儲模塊和成分分析模塊，所述參考功率譜存儲模塊用于存儲水中多個物體的超聲信號的功率譜，所述成分分析模塊的輸入端連接所述參考功率譜存儲模塊的輸出端，所述成分分析模塊用于檢測接收到的超聲信號的功率譜，將檢測到的功率譜與參考功率譜進(jìn)行比對，分析出目標(biāo)物體的成分。所述激光發(fā)射裝置為按照200～250kHz的頻率發(fā)射激光的激光發(fā)射裝置。本發(fā)明的技術(shù)問題通過以下進(jìn)一步的技術(shù)方案予以解決：一種水下探測方法，包括以下步驟：1)向水下待探測的區(qū)域內(nèi)的目標(biāo)物體發(fā)射波長在430～570nm的激光；2)接收所述目標(biāo)物體吸收所述激光后產(chǎn)生的超聲波；3)對所述超聲信號進(jìn)行分析處理獲取所述目標(biāo)物體的信息。優(yōu)選地，所述步驟3)包括以下步驟：31)計算發(fā)射激光和接收超聲波之間的時差；32)根據(jù)所述時差以及光在水中的傳播速度，超聲信號在水中的傳播速度計算得到所述目標(biāo)物體上的被測點與進(jìn)行水下探測所在的位置的距離。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)對比的有益效果是：本發(fā)明的水下探測系統(tǒng)及水下探測方法，將激光探測與聲吶探測相結(jié)合，利用激光發(fā)射，促使目標(biāo)物體產(chǎn)生超聲效應(yīng)，探測超聲信號，實現(xiàn)水下探測。激光的高準(zhǔn)直性可保證對目標(biāo)區(qū)域?qū)崿F(xiàn)精細(xì)掃描，從而提高目標(biāo)區(qū)域單位面積的回波信號強度，相比于傳統(tǒng)的單純聲納設(shè)備，可實現(xiàn)更精細(xì)化地探測，同時只要保證足夠的激光能量即可確保一定范圍的探測距離；相比于傳統(tǒng)的純激光式的水下探測，將激光同時作為發(fā)射信號和探測信號，本發(fā)明則利用超聲信號進(jìn)行探測，超聲波在水中的衰減遠(yuǎn)小于光波，同時也避免了海水后向散射的影響，相比于激光或視頻設(shè)備，可實現(xiàn)更大的探測距離和更高的探測精度?！靖綀D說明】圖1是本發(fā)明具體實施方式的水下探測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明具體實施方式的水下探測系統(tǒng)的原理示意圖?！揪唧w實施方式】下面結(jié)合具體實施方式并對照附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。本發(fā)明的構(gòu)思是：激光發(fā)射裝置向目標(biāo)區(qū)域發(fā)射脈沖激光或連續(xù)激光進(jìn)行掃描，發(fā)射的激光采用水中吸收率最低的藍(lán)綠激光，使得目標(biāo)區(qū)域內(nèi)目標(biāo)物體上吸收該激光后產(chǎn)生超聲聲源信號，利用超聲探測裝置接收該超聲信號，測量電路對超聲信號進(jìn)行分析處理，進(jìn)而獲取目標(biāo)的距離、方位、三維形貌、速度、組成成分等信息。本發(fā)明不再是單純利用激光作為光信號，探測光信號，或者僅是激光入射到水面時產(chǎn)生光聲聲源以替代聲納聲源，而是綜合了激光光信號傳輸?shù)奶匦院吐曉葱盘枡z測方面的優(yōu)點。如圖1所示，為本具體實施方式的水下探測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。水下探測系統(tǒng)包括激光發(fā)射裝置100，超聲探測裝置300和測量裝置500。如圖2所示，為水下探測系統(tǒng)的工作原理示意圖。激光發(fā)射裝置100用于向水下待探測的區(qū)域內(nèi)的目標(biāo)物體發(fā)射波長在430～570nm的激光。此處，激光發(fā)射裝置通過調(diào)制控制，發(fā)射的激光的波長范圍：430nm-570nm，為水中吸收率最低的藍(lán)綠激光，從而使得目標(biāo)物體吸收該波長范圍的激光后產(chǎn)生超聲波。對于發(fā)射的激光的功率，可根據(jù)實際水下環(huán)境對激光的吸收率、所需探測距離、目標(biāo)對激光的吸收率、水對聲波的衰減、超聲探測器靈敏度等綜合調(diào)整設(shè)定。調(diào)整使得功率滿足使所述目標(biāo)物體吸收所述激光后能產(chǎn)生足夠強度的超聲波，已被探測系統(tǒng)中的超聲探測裝置接收檢測到。超聲探測裝置300用于接收目標(biāo)物體吸收所述激光后產(chǎn)生的超聲波。測量裝置500的輸入端連接所述超聲探測裝置的輸出端，用于對所述超聲探測裝置輸出的超聲信號進(jìn)行分析處理獲取所述目標(biāo)物體的信息。測量裝置500可根據(jù)應(yīng)用需求設(shè)置不同的模塊，從而實現(xiàn)測量得到目標(biāo)的距離、速度、方位、三維形貌、組成成分等信息的要求。具體地，測量裝置500可包括時差計算模塊和距離計算模塊。時差計算模塊用于計算所述激光發(fā)射裝置發(fā)射激光和所述超聲探測裝置接收超聲波之間的時差Δt。該時差的獲取可通過從激光發(fā)射裝置100傳輸?shù)陌l(fā)射激光的時刻，以及從超聲探測裝置300傳輸?shù)慕邮粘暡ǖ臅r刻計算得到。當(dāng)然也可通過其它方式獲取得到，在此不一一詳述。距離計算模塊的輸入端連接所述時差計算模塊的輸出端，用于根據(jù)所述時差計算模塊輸出的所述時差Δt以及光在水中的傳播速度v1，超聲信號在水中的傳播速度v2計算得到所述目標(biāo)物體表面的被測點與所述水下探測系統(tǒng)的距離。上述超聲信號在水中的傳播速度v2可通過聲速標(biāo)定模塊獲取得到，即探測系統(tǒng)可包括聲速標(biāo)定模塊，以對超聲波在當(dāng)前水下探測環(huán)境中的傳播速度進(jìn)行準(zhǔn)確標(biāo)定，也可事先由聲速標(biāo)定模塊測量得到，探測系統(tǒng)中的測量裝置500中直接存儲測量到的數(shù)值。獲取上述參數(shù)后，根據(jù)以下公式d/v1+d/v2＝Δt，即可計算得到目標(biāo)物體表面的被測點與水下探測系統(tǒng)的距離d＝(Δt×v1×v2)/(v1+v2)。優(yōu)選地，測量裝置500可對超聲探測裝置300輸出的超聲信號進(jìn)行放大、濾波、AD轉(zhuǎn)換等處理后再進(jìn)行上述計算，從而提高測量準(zhǔn)確度。進(jìn)一步地，測量裝置500可在上述測量到的距離的基礎(chǔ)上測量目標(biāo)物體的速度。測量裝置500還包括速度測量模塊。速度測量模塊的輸入端連接距離計算模塊的輸出端，用于根據(jù)距離計算模塊多次測量輸出的所述被測點的距離變化估算目標(biāo)物體的速度。當(dāng)測量方位時，可設(shè)置超聲探測裝置為包括多個超聲探測器；測量裝置包括方位確定模塊。多個超聲探測器均用于接收目標(biāo)物體表面被測點吸收所述激光后產(chǎn)生的超聲波。方位確定模塊用于根據(jù)各個超聲探測器接收到所述超聲波的時差確定所述目標(biāo)物體表面的被測點的方位。配合設(shè)置逐點掃描模塊，逐點掃描測量后便可知目標(biāo)整體的方位。當(dāng)構(gòu)建目標(biāo)物體的三維形貌時，可設(shè)置水下探測系統(tǒng)還包括透鏡L和微掃描裝置MSS。超聲探測裝置包括多個超聲探測器；相應(yīng)地，測量裝置包括三維形貌重構(gòu)模塊。透鏡L用于對激光發(fā)射裝置發(fā)射的所述激光進(jìn)行聚焦，微掃描裝置用于使聚焦后的激光在設(shè)定范圍內(nèi)對目標(biāo)物體進(jìn)行逐點掃描。多個超聲探測器用于接收所述目標(biāo)物體表面被測點吸收所述激光后產(chǎn)生的超聲波。三維形貌重構(gòu)模塊用于根據(jù)各個超聲探測器接收到所述超聲波的時刻和各時刻間的時差確定所述被測點的距離和方位。逐點掃描即可得到各點的距離和方位，從而確定得到所述目標(biāo)物體表面多個點的三維坐標(biāo)，進(jìn)而得到所述目標(biāo)物體的三維形貌的點云圖，并可根據(jù)所述三維形貌的點云圖擬合出所述目標(biāo)物體的三維形貌。本具體實施方式的水下探測系統(tǒng)還可分析出目標(biāo)物體的成分，此時設(shè)置測量裝置包括參考功率譜存儲模塊和成分分析模塊。所述參考功率譜存儲模塊用于存儲水中多個物體的超聲信號的功率譜，所述成分分析模塊的輸入端連接所述參考功率譜存儲模塊的輸出端，所述成分分析模塊用于檢測接收到的超聲信號的功率譜，將檢測到的功率譜與參考功率譜進(jìn)行比對，分析出目標(biāo)物體的成分。具體地，同樣條件下，當(dāng)目標(biāo)分別為鋼鐵材質(zhì)和海底巖石時，所接收到的光聲信號的功率譜特征是不一樣的，由于光聲信號的產(chǎn)生機理比較復(fù)雜，因此可主要基于機器模式學(xué)習(xí)的方法：先對水下常見目標(biāo)的光聲信號功率譜進(jìn)行學(xué)習(xí)，得到水中多個常見的物體的超聲信號的功率譜作為參考功率譜存儲起來。實際探測時，將所測光聲信號的功率譜與已經(jīng)學(xué)習(xí)的參考功率譜進(jìn)行比對，進(jìn)而大致判斷目標(biāo)物體的材質(zhì)。綜上，本具體實施方式可設(shè)置測量裝置中的具體組成，從而應(yīng)用光聲信號檢測得到目標(biāo)的距離、速度、方位和三維形貌以及目標(biāo)的組成成分等。本具體實施方式的水下探測系統(tǒng)及水下探測方法，綜合利用了激光的高準(zhǔn)直性以及超聲信號衰減小傳播距離遠(yuǎn)、無海水后向散射影響的優(yōu)點，從而可同時實現(xiàn)更大的探測距離和更高的探測精度。在測量得到距離信息時探測更遠(yuǎn)距離和具有更高探測精度，同時，還可實現(xiàn)以往所沒有的速度測量、三維形貌構(gòu)建以及組成成分分析等功能。優(yōu)選地，所述激光發(fā)射裝置100為按照200～250kHz的頻率發(fā)射激光的激光發(fā)射裝置。激光發(fā)射裝置的頻率越高，單位時間內(nèi)產(chǎn)生的信息越多，從而探測系統(tǒng)的探測速度越快。本具體實施方式中還提供一種水下探測方法，包括以下步驟：1)向水下待探測的區(qū)域內(nèi)的目標(biāo)物體發(fā)射波長在430～570nm的激光；2)接收所述目標(biāo)物體吸收所述激光后產(chǎn)生的超聲波；3)對所述超聲信號進(jìn)行分析處理獲取所述目標(biāo)物體的信息。該水下探測方法相對于以往的探測方法，綜合綜合利用了激光的高準(zhǔn)直性以及超聲信號衰減小傳播距離遠(yuǎn)、無海水后向散射影響的優(yōu)點，從而可同時實現(xiàn)更大的探測距離和更高的探測精度。以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實施方式對本發(fā)明所作的進(jìn)一步詳細(xì)說明，不能認(rèn)定本發(fā)明的具體實施只局限于這些說明。對于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下做出若干替代或明顯變型，而且性能或用途相同，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。