專利名稱：一種基于改進(jìn)型f-p標(biāo)準(zhǔn)具的信號增強(qiáng)激光雷達(dá)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于水下物體探測技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及水下物體的采用布里淵散 射法探測的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在現(xiàn)有技術(shù)中，對水中物體的探測常用的有幅度探測。其方法是向水下注 入探測光。幅度探測的方法主要是直接探測目標(biāo)散射光或反射光的幅度，通過 檢測回波信號的幅度來判別水中物體的存在。然而隨著反探測隱身技術(shù)的發(fā)展， 這種目標(biāo)直接回波幅度探測技術(shù)的精度和可靠性受到越來越大的影響。特別是 在軍事上，使用針對幅度探測的隱身技術(shù)，將使目標(biāo)不易被發(fā)現(xiàn)，從而無法對 其實(shí)施攻擊。
為了改進(jìn)探測精度和可靠性，有人提出了頻移探測方法，例如戴瑞、劉大 未等人發(fā)表于A卯l. Phys. B， 2004， Vol. 79的"海洋遙感用的水中布里淵光雷達(dá) 的邊緣探測方法"；弓文平、劉大禾等人發(fā)表于Appl.Phys.B， 2004, Vol. 79的 "用布里淵散射探測水下目標(biāo)"；石錦衛(wèi)、劉大禾等人發(fā)表于Appl. Phys.B， 2007， Vol.86的基于受激布里淵散射的激光雷達(dá)系統(tǒng)。頻移探測的方法利用探 測回波信號的頻率改變。由于其抗干擾性好，信噪比高，尤其是具有很好的反 隱身性能，開始受到人們的重視。其中，邊緣探測技術(shù)就是一種頻移探測的實(shí) 施方法，但由于邊緣探測技術(shù)中要使用帶阻濾波器和邊緣濾波器，并要與所用 激光器的輸出頻率嚴(yán)格匹配，因而，對激光器的頻率穩(wěn)定性要求極高，在實(shí)戰(zhàn) 環(huán)境中幾乎無法實(shí)現(xiàn)?；跇?biāo)準(zhǔn)具和ICCD的方法，由于標(biāo)準(zhǔn)具入射面的高反射率，光透過率小，ICCD的靈敏度和增益相對較低，使得雷達(dá)系統(tǒng)不能充分接收 并放大布里淵散射信號。
改進(jìn)型F-P標(biāo)準(zhǔn)具的介紹
如附圖2所示，改進(jìn)型F-P標(biāo)準(zhǔn)具是在玻璃平板的入射面除了入射窗口區(qū) 域鍍增透膜外，均鍍反射率為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從入射窗口進(jìn)入玻璃平板，被聚焦到出射面。入射 光的一小部分(小于總能量的5%)從高反面出射，經(jīng)過光腰后發(fā)散。其余大部 分(大于95%)的光在玻璃板中被再次反射，又有一小部分從高反面出射。類似 的運(yùn)作，入射光將被分成許多位移為常量的光束。這些發(fā)散光相互干涉產(chǎn)生會 聚光束，以一個與波長有關(guān)的角度傳播，產(chǎn)生色散。
布里淵散射雷達(dá)的回波信號被柱透鏡從改進(jìn)型F-P標(biāo)準(zhǔn)具的入射窗口會聚
到其右表面，在改進(jìn)型F-P標(biāo)準(zhǔn)具內(nèi)部經(jīng)過多次反射，出射光發(fā)生多光束干涉，
不同波長的光有較大的色散，達(dá)到分光的作用。
工作原理
本發(fā)明的水下物體布里淵散射探測方法的基本原理是通過探測目標(biāo)環(huán)境場 即水的光譜來探測水下物體。具體的說是探測環(huán)境場即水的散射光的頻移。當(dāng) 光遇到水中物體時，由于物體表面較為強(qiáng)烈的反射作用，使得瑞利散射大大增 強(qiáng)。更為重要的是，水下物體所在的位置實(shí)際上沒有水，而只有剛性物體。因 此，相對于這個位置的水的散射光譜中布里淵散射分量將消失。這為用布里淵 散射方法探測水下物體提供了基礎(chǔ)。當(dāng)有水下物體存在時，水中的布里淵散射 峰將消失。無水下物體存在時，可探測到布里淵散射信號。
本發(fā)明的布里淵激光雷達(dá)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是使用一種改進(jìn)型F-P標(biāo)準(zhǔn)具作為分 光元件，避免了 F-P標(biāo)準(zhǔn)具由于入射面的高反射率而使得布里淵信號不能充分有效地通過分光系統(tǒng)進(jìn)入接收系統(tǒng)，獲得比傳統(tǒng)的F-P標(biāo)準(zhǔn)具大85%以上的透過 率。改進(jìn)型F-P標(biāo)準(zhǔn)具結(jié)合柱透鏡系統(tǒng)形成分離的點(diǎn)狀散射光譜，可以使用光 電倍增管陣列分別接收，獲得比ICCD更大的光電轉(zhuǎn)換效率，極大的提高了布里 淵散射激光雷達(dá)的探測深度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是采用頻率識別探測技術(shù)，解決探測水下隱身目標(biāo)的問題。本 發(fā)明提出一種改進(jìn)型的水下物體布里淵散射信號檢測和接收裝置，提高了布里 淵散射雷達(dá)的信號接受效率，有效地提高了布里淵激光雷達(dá)的探測深度。
具體實(shí)施例方式
(一)


圖1本發(fā)明的基于改進(jìn)型F-P標(biāo)準(zhǔn)具的激光雷達(dá)系統(tǒng)示意圖； 圖2改進(jìn)型F-P標(biāo)準(zhǔn)具的結(jié)構(gòu)示意圖
(二) 下面結(jié)合附圖1詳細(xì)描述本發(fā)明水下物體布里淵散射探測裝置
圖1給出了本發(fā)明的水下物體布里淵散射探測裝置示意圖，它包括種子
注入激光器l、偏振分束鏡2、四分之一玻片3、凹透鏡4、凸透鏡5、信號檢測 裝置、信號接收裝置、信號處理裝置。信號檢測裝置由平面反射鏡6、凸透鏡7、 針孔濾波器8、凸透鏡9、柱透鏡IO、改進(jìn)型F-P標(biāo)準(zhǔn)具ll、球透鏡12、柱透 鏡13、凸透鏡14組成；信號接收裝置采用光電倍增管15和光電倍增管16;信 號處理裝置采用信號處理器17，光電倍增管15和光電倍增管16記錄的信號送 入信號處理器17。
種子注入激光器1輸出的探測激光束經(jīng)過偏振分束鏡2后，通過四分之一 玻片3變?yōu)閳A偏振光，然后經(jīng)過聚焦系統(tǒng)，先用凹透鏡4將激光束擴(kuò)束，再用大尺寸凸透鏡5對擴(kuò)束后的激光束進(jìn)行會聚，并使光束聚焦在欲探測的深度上。 根據(jù)受激布里淵散射的背向共扼特性，散射光沿原路返回。散射光束依次經(jīng)過 凸透鏡(5)和凹透鏡(4)重新變?yōu)槠叫泄馐缓笤僖淮瓮ㄟ^過四分之一玻 片3后變成垂直偏振光。此時，垂直偏振的受激布里淵散射光的絕大部分能量 被偏振分束鏡5反射。平面反射鏡6接收偏振分束鏡2反射的背向散射光。接 收到的背向散射光通過凸透鏡7針孔濾波器8及凸透鏡9后變成嚴(yán)格的平行光。 所得平行光再通過柱透鏡10成為柱面波，該柱面波從改進(jìn)型F-P標(biāo)準(zhǔn)具11的 入射窗口聚焦到改進(jìn)型F-P標(biāo)準(zhǔn)具的后表面，并被分光。由改進(jìn)型F-P標(biāo)準(zhǔn)具 分光后的光束，經(jīng)過球透鏡12和柱透鏡13形成分離的點(diǎn)狀布里淵散射光譜， 包括瑞利信號和布里淵信號。凸透鏡14將點(diǎn)狀光譜各點(diǎn)之間的間隔放大，相應(yīng) 的信號被光電倍增管15和光電倍增管16所接收，并被轉(zhuǎn)換為電信號.光電倍增 管的電信號送入信號處理器17，經(jīng)信號處理器處理后給出探測結(jié)果。
種子注入激光器1選用調(diào)Q倍頻YAG脈沖激光器，倍頻后的輸出波長為 532nm，脈沖頻率為每秒10個脈沖，脈沖寬度為6 10ns。若需高精度掃描，可
根據(jù)實(shí)際情況增加脈沖頻率。
改進(jìn)型F-P標(biāo)準(zhǔn)具11的自由光譜范圍為18. 5 20GHz，其結(jié)構(gòu)如圖2所示. 改進(jìn)型F-P標(biāo)準(zhǔn)具由一塊石英平晶構(gòu)成，兩個表面的平行度應(yīng)優(yōu)于A/20。左表 面即光入射面鍍100%高反膜，右表面鍍95%高反膜，表面的平整度優(yōu)于義/20。 左表面有個入射窗口，鍍增透膜。入射窗口寬5mm，光入射角約為1.6° 。改進(jìn) 型F-P標(biāo)準(zhǔn)具的精細(xì)度達(dá)到56。
信號接收裝置采用光電倍增管，信號處理器17采用示波器和計(jì)算機(jī)，安裝 信號分析、處理軟件。(三) 下面結(jié)合附圖具體描述實(shí)施本發(fā)明的的水下物體布里淵散射探測方法。
種子注入激光器1發(fā)出的光脈沖射入水中后，背向散射光經(jīng)平面反射鏡6 接收，經(jīng)透鏡7，針孔濾波器8和透鏡9準(zhǔn)直，成為嚴(yán)格的平行光。該平行光束 經(jīng)柱透鏡10線性聚焦射到改進(jìn)型F-P標(biāo)準(zhǔn)具11上。由改進(jìn)型F-P標(biāo)準(zhǔn)具進(jìn)行 分光后得到布里淵散射的散射光譜，經(jīng)光電倍增管進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換之后輸入示波
器o
對于測量所得到的散射光譜，如果有布里淵散射信號，則表明無水下物體。 如果測量得到的散射光譜中沒有布里淵散射峰，而只有瑞利散射峰，則可判定 有水下物體存在。
(四) 下面對實(shí)施本發(fā)明的水下物體布里淵散射探測裝置所用的激光發(fā)射設(shè) 備、信號檢測裝置和信號接收、處理裝置做進(jìn)一步描述。
1.關(guān)于種子注入激光器l
本發(fā)明利用布里淵散射探測水下物體。由于布里淵散射的頻移很小，在水中
的典型值為7 8GHz，因此，要精確測量布里淵散射光譜，要求激光器的頻率穩(wěn) 定性足夠高，線寬足夠窄。另外，要應(yīng)用于實(shí)際監(jiān)測，必須使用大功率脈沖激 光器。對于大功率脈沖激光器，目前只有種子注入式脈沖激光器能夠滿足對頻 率性能的要求。再有，水對光波在蘭綠光波段有一個窗口。而目前輸出頻率在 這一窗口內(nèi)的大功率脈沖激光器最常用的是YAG激光器。本發(fā)明可以采用的激 光器包括但不限于美國Coherent公司Infinity,美國Continuum公司 Powerlite7000， 8000， 9000系列任一型號的產(chǎn)品，美國Spectra Physics公司 Quanta-Ray PRO-270或PRO-290系列等產(chǎn)品完全可以滿足要求，其線寬可以達(dá)到50MHz。
2. 關(guān)于改進(jìn)型F-P標(biāo)準(zhǔn)具11
改進(jìn)型F-P標(biāo)準(zhǔn)具結(jié)構(gòu)如圖2所示.改進(jìn)型F-P標(biāo)準(zhǔn)具由一塊石英平晶構(gòu) 成，尺寸是25mm*25mm *5mm，前后表面的反射率分別是99. 9%和95%。兩個表面 的平行度優(yōu)于義/20。左表面即光入射面鍍100%高反膜，右表面鍍95%高反膜， 表面的平整度優(yōu)于々20。左表面的入射窗口寬5mm，鍍增透膜。改進(jìn)型F-P標(biāo)準(zhǔn) 具的精細(xì)度達(dá)到56。
3. 光電倍增管15， 16和信號處理器17:
光電倍增管是極高靈敏度和超快時間響應(yīng)的真空電子管類光探測器件，用 于各種微弱光的測量。本發(fā)明可以采用的光電倍增管包括但不限于濱松公司生 產(chǎn)的各種類型的光電倍增管。
信號處理器可使用示波器，并用計(jì)算機(jī)采集處理信號。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)
1) 具有極好的實(shí)時性；
2) 對水下物體的探測與物體表面的反射率無關(guān)，因而，目前的都是針對 幅度探測的隱身技術(shù)，對本發(fā)明的方法沒有任何隱身作用；
3) 是一種頻移探測的方法，具有很高的信噪比，因而有很高的測量精度；
4) 是一種非接觸式的探測方法，非常適合于對一些惡劣環(huán)境及不宜采用 接觸式探測的環(huán)境的實(shí)時監(jiān)測；
5) 易于實(shí)現(xiàn)機(jī)載化，適合于大面積海洋的快速實(shí)時監(jiān)測；
6) 受空氣一水接口反射的影響??；
7) 受散射光干涉的影響?。?) 到達(dá)改進(jìn)型F-P標(biāo)準(zhǔn)具的散射光的絕大部分最終可以通過改進(jìn)型F-P 標(biāo)準(zhǔn)具被信號接收器接收，因而保證了改進(jìn)型F-P標(biāo)準(zhǔn)具具有比標(biāo)準(zhǔn)具高85% 以上的透過率，大幅度提高了接收信號的強(qiáng)度；
9) 形成點(diǎn)狀譜，可以用光電倍增管來記錄信號，數(shù)據(jù)傳輸速率快，對弱 信號的放大作用明顯，對微弱信號探測具有比ICCD更高的靈敏度。
本發(fā)明在軍事方面可以實(shí)時探測水下目標(biāo)，包括隱身裝置，如潛艇、水雷、 浮標(biāo)聲納等，在民事方面可以進(jìn)行海洋暗礁和大面積魚群的實(shí)時探測。
權(quán)利要求
1.一種水下物體布里淵散射探測裝置，包括種子注入激光器(1)、偏振分束鏡(2)、四分之一玻片(3)、聚焦系統(tǒng)、信號檢測裝置、信號接收裝置、信號處理裝置，其中聚焦系統(tǒng)包括凹透鏡(4)和第一凸透鏡(5)；信號檢測裝置由平面反射鏡(6)、第二凸透鏡(7)、針孔濾波器(8)、第三凸透鏡(9)、第一柱透鏡(10)、改進(jìn)型F-P標(biāo)準(zhǔn)具(11)、球透鏡(12)、第二柱透鏡(13)以及第四凸透鏡(14)組成；信號接收裝置包括第一光電倍增管(15)和第二光電倍增管(16)；信號處理裝置采用信號處理器(17)，第一光電倍增管(15)和第二光電倍增管(16)記錄的信號送入信號處理器(17)；種子注入激光器(1)輸出的探測激光束經(jīng)過偏振分束鏡(2)后，通過四分之一玻片(3)變?yōu)閳A偏振光，然后經(jīng)過聚焦系統(tǒng)使所述探測激光束聚焦在被探測介質(zhì)的欲探測的深度上，在該探測深度處產(chǎn)生的受激布里淵散射光沿原路返回，所述受激布里淵散射光束依次經(jīng)過凸透鏡(5)和凹透鏡(4)重新變?yōu)槠叫泄馐?，然后再一次通過四分之一玻片(3)后變成垂直偏振光，該垂直偏振光被偏振分束鏡(2)反射，平面反射鏡(6)接收偏振分束鏡(2)反射的垂直偏振的受激布里淵散射光，該接收到的垂直偏振的受激布里淵散射光依次通過第二凸透鏡(7)，針孔濾波器(8)及第三凸透鏡(9)后變成平行光，所得平行光再通過第一柱透鏡(10)成為柱面波，該柱面波從改進(jìn)型F-P標(biāo)準(zhǔn)具(11)的入射窗口聚焦到改進(jìn)型F-P標(biāo)準(zhǔn)具的后表面，并被分光；由改進(jìn)型F-P標(biāo)準(zhǔn)具分光后的光束，經(jīng)過球透鏡(12)和第二柱透鏡(13)形成分離的點(diǎn)狀受激布里淵散射光譜；第四凸透鏡(14)將點(diǎn)狀光譜各點(diǎn)之間的間隔放大，相應(yīng)的點(diǎn)狀受激布里淵散射光譜分別被第一光電倍增管(15)和第二光電倍增管(16)所接收，并被轉(zhuǎn)換為電信號，該電信號被送入信號處理器(17)，經(jīng)信號處理器處理后給出探測結(jié)果。
2. 如權(quán)利要求1所述的水下物體布里淵散射探測裝置，其特征在于其中種子注入激光器(1)選用調(diào)Q倍頻YAG脈沖激光器，倍頻后的輸出波長為 532nm，脈沖頻率為每秒10個脈沖，脈沖寬度為6 10ns。
3. 如權(quán)利要求1所述的水下物體布里淵散射探測裝置，其特征在于其中 改進(jìn)型F-P標(biāo)準(zhǔn)具(11)的自由光譜范圍為18. 5 20GHz，入射窗口寬5mm， 光入射角約為1.6。。
4. 如權(quán)利要求l所述的水下物體布里淵散射探測裝置，其特征在于其 中信號接收裝置采用光電倍增管，信號處理器(17)采用示波器和計(jì)算 機(jī)，該計(jì)算機(jī)安裝有信號分析、處理軟件。
全文摘要
本發(fā)明提出一種基于改進(jìn)型F-P標(biāo)準(zhǔn)具的信號增強(qiáng)激光雷達(dá)系統(tǒng)。其實(shí)現(xiàn)方法的主要特征是使用改進(jìn)型F-P標(biāo)準(zhǔn)具作為激光雷達(dá)系統(tǒng)的分光元件，改進(jìn)型F-P標(biāo)準(zhǔn)具結(jié)合柱透鏡系統(tǒng)形成分離的點(diǎn)狀散射光譜，使用兩個光電倍增管分別接收光譜中瑞利信號和布里淵信號。光電倍增管轉(zhuǎn)換的電信號輸出到示波器進(jìn)行處理，對示波器上的光譜圖進(jìn)行判斷，如果光譜中無布里淵散射峰，即可判定有水下物體存在；有布里淵散射峰，則表明無水下物體。本發(fā)明的技術(shù)有效的提高了激光雷達(dá)回波信號的接收效率，從而提高了雷達(dá)的探測距離，并且保留了這種雷達(dá)的反隱身特性。
文檔編號G01S17/88GK101614820SQ20091014341
公開日2009年12月30日 申請日期2009年5月25日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月25日
發(fā)明者何興道, 劉大禾, 史久林, 石錦衛(wèi), 陳旭東 申請人:南昌航空大學(xué);北京師范大學(xué)