一種水下探測系統的製作方法

2023-08-09 06:08:21 3

本實用新型涉及水下探測領域，尤其涉及一種基於光聲信號的水下探測系統。

背景技術：

近年來，海底地貌探測、大面積海洋壞境監測、水下信息獲取、海洋資源勘探、海洋救險與打撈等民用領域，以及探測敵方潛艇、艦艇、航母等軍事目標等軍用領域均對水下探測技術提出越來越高的要求。目前水下探測器主要有兩大類，一種是基於聲納的設備，存在精度低，工作速度慢的缺點；另一種是基於視頻的水下電視，受海水透明度影響很大，探測距離只能在數米之內。此外，利用雷射進行水下探測的研究雖然有所進展，但受海水後向散射的影響，探測距離和精度難以滿足實際需求。

技術實現要素：

本實用新型所要解決的技術問題是：彌補上述現有技術的不足，提出一種水下探測系統，可實現更遠探測距離和更高探測精度。

本實用新型的技術問題通過以下的技術方案予以解決：

一種水下探測系統，包括雷射發射裝置，超聲探測裝置和測量裝置；所述雷射發射裝置用於向水下待探測的區域內的目標物體發射波長在430～570nm的雷射，所述超聲探測裝置用於接收所述目標物體吸收所述雷射後產生的超聲波，所述測量裝置的輸入端連接所述超聲探測裝置的輸出端，用於對所述超聲探測裝置輸出的超聲信號進行分析處理獲取所述目標物體的信息。

優選地，

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於計算所述雷射發射裝置發射雷射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，用於根據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物體表面的被測點與所述水下探測系統的距離。

所述距離計算模塊根據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，用於根據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於接收所述目標物體表面被測點吸收所述雷射後產生的超聲波；所述方位確定模塊用於根據各個超聲探測器接收到所述超聲波的時差確定所述目標物體表面的被測點的方位。

所述水下探測系統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模塊；所述透鏡用於對所述雷射發射裝置發射的所述雷射進行聚焦，所述微掃描裝置用於使聚焦後的雷射在設定範圍內對所述目標物體進行逐點掃描；所述多個超聲探測器用於接收所述目標物體表面被測點吸收所述雷射後產生的超聲波；所述三維形貌重構模塊用於根據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物體表面多個點的三維坐標，擬合出所述目標物體的三維形貌。

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於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於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行比對，分析出目標物體的成分。

所述雷射發射裝置為按照200～250kHz的頻率發射雷射的雷射發射裝置。

本實用新型與現有技術對比的有益效果是：

本實用新型的水下探測系統，將雷射探測與聲吶探測相結合，利用雷射發射，促使目標物體產生超聲效應，探測超聲信號，實現水下探測。雷射的高準直性可保證對目標區域實現精細掃描，從而提高目標區域單位面積的回波信號強度，相比於傳統的單純聲納設備，可實現更精細化地探測，同時只要保證足夠的雷射能量即可確保一定範圍的探測距離；相比於傳統的純雷射式的水下探測，將雷射同時作為發射信號和探測信號，本實用新型則利用超聲信號進行探測，超聲波在水中的衰減遠小於光波，同時也避免了海水後向散射的影響，相比於雷射或視頻設備，可實現更大的探測距離和更高的探測精度。

【附圖說明】

圖1是本實用新型具體實施方式的水下探測系統的結構示意圖；

圖2是本實用新型具體實施方式的水下探測系統的原理示意圖。

【具體實施方式】

下面結合具體實施方式並對照附圖對本實用新型做進一步詳細說明。

本實用新型的構思是：雷射發射裝置向目標區域發射脈衝雷射或連續雷射進行掃描，發射的雷射採用水中吸收率最低的藍綠雷射，使得目標區域內目標物體上吸收該雷射後產生超聲聲源信號，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行分析處理，進而獲取目標的距離、方位、三維形貌、速度、組成成分等信息。本實用新型不再是單純利用雷射作為光信號，探測光信號，或者僅是雷射入射到水面時產生光聲聲源以替代聲納聲源，而是綜合了雷射光信號傳輸的特性和聲源信號檢測方面的優點。

如圖1所示，為本具體實施方式的水下探測系統的結構示意圖。水下探測系統包括雷射發射裝置100，超聲探測裝置300和測量裝置500。如圖2所示，為水下探測系統的工作原理示意圖。

雷射發射裝置100用於向水下待探測的區域內的目標物體發射波長在430～570nm的雷射。此處，雷射發射裝置通過調製控制，發射的雷射的波長範圍：430nm-570nm，為水中吸收率最低的藍綠雷射，從而使得目標物體吸收該波長範圍的雷射後產生超聲波。對於發射的雷射的功率，可根據實際水下環境對雷射的吸收率、所需探測距離、目標對雷射的吸收率、水對聲波的衰減、超聲探測器靈敏度等綜合調整設定。調整使得功率滿足使所述目標物體吸收所述雷射後能產生足夠強度的超聲波，已被探測系統中的超聲探測裝置接收檢測到。

超聲探測裝置300用於接收目標物體吸收所述雷射後產生的超聲波。

測量裝置500的輸入端連接所述超聲探測裝置的輸出端，用於對所述超聲探測裝置輸出的超聲信號進行分析處理獲取所述目標物體的信息。測量裝置500可根據應用需求設置不同的模塊，從而實現測量得到目標的距離、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。時差計算模塊用於計算所述雷射發射裝置發射雷射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雷射發射裝置100傳輸的發射雷射的時刻，以及從超聲探測裝置300傳輸的接收超聲波的時刻計算得到。當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，用於根據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計算得到所述目標物體表面的被測點與所述水下探測系統的距離。上述超聲信號在水中的傳播速度v2可通過聲速標定模塊獲取得到，即探測系統可包括聲速標定模塊，以對超聲波在當前水下探測環境中的傳播速度進行準確標定，也可事先由聲速標定模塊測量得到，探測系統中的測量裝置500中直接存儲測量到的數值。獲取上述參數後，根據以下公式d/v1+d/v2＝Δt，即可計算得到目標物體表面的被測點與水下探測系統的距離d＝(Δt×v1×v2)/(v1+v2)。

優選地，測量裝置500可對超聲探測裝置300輸出的超聲信號進行放大、濾波、AD轉換等處理後再進行上述計算，從而提高測量準確度。

進一步地，測量裝置500可在上述測量到的距離的基礎上測量目標物體的速度。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，用於根據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物體的速度。

當測量方位時，可設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於接收目標物體表面被測點吸收所述雷射後產生的超聲波。方位確定模塊用於根據各個超聲探測器接收到所述超聲波的時差確定所述目標物體表面的被測點的方位。配合設置逐點掃描模塊，逐點掃描測量後便可知目標整體的方位。

當構建目標物體的三維形貌時，可設置水下探測系統還包括透鏡L和微掃描裝置MSS。超聲探測裝置包括多個超聲探測器；相應地，測量裝置包括三維形貌重構模塊。透鏡L用於對雷射發射裝置發射的所述雷射進行聚焦，微掃描裝置用於使聚焦後的雷射在設定範圍內對目標物體進行逐點掃描。多個超聲探測器用於接收所述目標物體表面被測點吸收所述雷射後產生的超聲波。三維形貌重構模塊用於根據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物體表面多個點的三維坐標，進而得到所述目標物體的三維形貌的點雲圖，並可根據所述三維形貌的點雲圖擬合出所述目標物體的三維形貌。

本具體實施方式的水下探測系統還可分析出目標物體的成分，此時設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於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於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行比對，分析出目標物體的成分。具體地，同樣條件下，當目標分別為鋼鐵材質和海底巖石時，所接收到的光聲信號的功率譜特徵是不一樣的，由於光聲信號的產生機理比較複雜，因此可主要基於機器模式學習的方法：先對水下常見目標的光聲信號功率譜進行學習，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學習的參考功率譜進行比對，進而大致判斷目標物體的材質。

綜上，本具體實施方式可設置測量裝置中的具體組成，從而應用光聲信號檢測得到目標的距離、速度、方位和三維形貌以及目標的組成成分等。本具體實施方式的水下探測系統，綜合利用了雷射的高準直性以及超聲信號衰減小傳播距離遠、無海水後向散射影響的優點，從而可同時實現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距離和具有更高探測精度，同時，還可實現以往所沒有的速度測量、三維形貌構建以及組成成分分析等功能。

優選地，所述雷射發射裝置100為按照200～250kHz的頻率發射雷射的雷射發射裝置。雷射發射裝置的頻率越高，單位時間內產生的信息越多，從而探測系統的探測速度越快。

以上內容是結合具體的優選實施方式對本實用新型所作的進一步詳細說明，不能認定本實用新型的具體實施只局限於這些說明。對於本實用新型所屬技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本實用新型構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，都應當視為屬於本實用新型的保護範圍。