基于声光联合传感的海洋遥感测深方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种基于声光联合传感的海洋遥感测深方法及装置，该方法包括利用重频调制脉冲激光器输出重复频率受到调制的高功率脉冲激光束，高功率脉冲激光束垂直入射到被探测海域的水面，在水下激发出调频连续声波，同时在水面激发出同频变化的水表面声波；利用连续稳频激光器输出连续激光束，连续激光束聚焦到被探测海域的水面，由散射光接收耦合装置接收形成多普勒干涉信号，再通过相位生成载波调制解调方法解调出水表面声波；利用分数阶傅里叶变换进行时延参数估计，以及计算得到被测海域的水深。本发明专利技术可以实现深海水深的空中远距探测，具有可测深度大、覆盖面广、机动灵活等优势，能够弥补传统的声呐测深方法以及电磁波遥感测深方法的不足。

【技术实现步骤摘要】
基于声光联合传感的海洋遥感测深方法及装置
本专利技术涉及海洋遥感测距
和激光多普勒干涉
，具体为一种在空中利用高功率脉冲激光激发水下声波的基于声光联合传感的海洋遥感测深方法及装置。
技术介绍
目前，包括单/多波束回声测深技术、侧扫声呐技术等在内的船载或拖拽声呐探测方法是海洋测绘的主要技术手段。但它们都需要耗费大量的人力、物力、时间和金钱，其测量覆盖面积小、现势性差。测量船也不能进入有争议的海区，这些原因使得传统的船载声呐测深技术在应用上受到限制。为了克服船载声呐测深技术在探测灵活度上的不足，上世纪60年代以来，国外研究人员提出了各种遥感探测方法，例如光学遥感测深技术、机载蓝绿激光雷达测深技术、合成孔径微波雷达(SAR)测深技术等。但无论是微波还是激光，它们在水中的衰减极大。因此，这类利用电磁波的遥感探测技术在探测深度上都受到了很大限制，以机载蓝绿激光雷达探测技术为例，其最大可测深度仅为50m，它一般仅用于浅海区域的水深探测中。本世纪初开始，国内外学者逐渐开始尝试将激光与声这两种信息传感载体结合起来应用到海洋探测中，并发展了一系列“激光-声”联合探测技术。它们包括激光致声技术、水表面声波激光探测技术等。大功率脉冲激光在液体中能够激发出声波，其机理可分为热膨胀、汽化和光击穿三种。可以说，激光致声技术基本解决了从空中激发水下声波的问题，目前基于激光致声效应的水声换能器的发展相对比较成熟，已逐步走向商业应用。由于声阻抗的失配，水气界面不是一个理想的压力释放表面，当水下声波入射到水气界面时会激发出水表面横向传播的微幅波，被称为水表面声波。水表面声波暗含了水下声辐射的信息，激光多普勒干涉技术已被用于微弱水表面声波的探测中。目前实验室条件下已能利用激光多普勒干涉测量技术准确地从水表面的波谱中分离出中低频段的水表面声波。水表面声波激光多普勒干涉探测技术在实验室条件下解决了从空中提取水下声信息的问题。但由于自然水表面总是存在随机的低频大尺度波动，连续捕获多普勒回光是无法实现的，水下目标的重访率极低，无法适应实际海况。因此，简单将激光致声技术与水表面声波探测技术相结合仍然无法实现海洋深度的远距离探测。综上所述，目前海洋测深技术存在的主要问题有：传统的船载声呐技术耗费人力物力、覆盖面小、无法进入争议海区，缺乏探测的灵活性；电磁波遥感探测方法可探测深度有限，无法满足深海探测需求；激光致声技术和水表面声波激光干涉探测技术虽然分别解决空中激发声波和提取声信息的问题，但应用到海洋测深中还需要解决由多普勒回光无法连续捕获引起水深信息无法解调的问题。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术提供了一种基于声光联合传感的海洋遥感测深方法及装置，既解决了电磁波遥感方法在可测深度上的不足，同时也解决了船载声呐探测灵活度小的问题。为了实现上述目的，本专利技术具有如下构成：该基于声光联合传感的海洋遥感测深方法，所述方法结合了调频连续波激光致声技术，激光多普勒干涉技术和调频连续波测距技术，将声传感手段和光传感手段联合起来进行海洋深度探测。所述基于声光联合传感的海洋遥感测深方法包括如下步骤：(1)通过所述的调频连续波激光致声技术，利用重频调制脉冲激光器输出重复频率受到调制的高功率脉冲激光束，高功率脉冲激光束垂直入射到被探测海域的水面，在水下激发出的调频连续声波，同时在水面激发出同频变化的水表面声波，所述水表面声波包括所述重频调制脉冲激光束在水面激发的第一水表面声波和所述调频连续声波经海底介质后对水表面激发的第二水表面声波；(2)通过所述的激光多普勒干涉技术，利用连续稳频激光器输出连续激光束，该激光束聚焦到被探测海域水面，其后被散射光接收耦合装置接收形成多普勒干涉信号，再通过相位生成载波调制解调方法解调出前述水表面声波；(3)通过所述的调频连续波测距技术，利用分数阶傅里叶变换对两个水表面波进行时延参数估计，最终根据时延及水中声速计算出被测海域的水深。可选地，所述步骤(1)，包括如下步骤：空基平台上使用重复频率可调高功率脉冲激光器输出重频调制脉冲激光束，该激光束经扩束镜和金镜后被聚焦透镜聚焦到被测海域水表面；根据激光致声原理，高功率脉冲激光束会在水中激发出调频连续声波，该调频连续声波的主频与脉冲激光束重频一致，称为调频激光声；与此同时，当高功率脉冲激光束作用于水表面时，由于热膨胀、热击穿等作用，其产生的机械扰动还会激发与调频连续声波同频变化的第一水表面声波；所述调频激光声经海底介质反射后回到水面，由于海气界面不是一个理想的压力释放表面，此时调频激光声也能够激发出与调频连续声波同频变化的第二水表面声波。可选地，所述重复频率受到调制的高功率脉冲激光束，其实现过程如下：使用信号发生器输出的线性扫频信号作为大功率脉冲激光器重复频率的调制源，对重频可调Nd:YAG高功率脉冲激光器进行重复频率线性调制。可选地，所述步骤(2)包括如下步骤：空基平台中的连续稳频激光器发出一束稳频的相干激光束，以聚焦的方式入射到被探测海域的水表面；该相干激光束探测到高功率脉冲激光扰动产生的第一水表面声波以及水下调频激光声回波激励的第二水表面声波，其相位受到了这两种水表面声波的调制；探测的相干激光束由水面散射，经过散射光接收耦合装置接收返回光纤激光多普勒干涉测量组件；返回的探测激光与相干系统的参考光进行干涉，经过隔直滤波后被数据采集卡采集；此处干涉是根据激光多普勒干涉测量原理确定的，干涉的原理就是测量光与参考光进行干涉，发生光学混频。测量光就是发射到被测物的光束，它的相位或频率受到被测物的调制，参考光是干涉系统内部的光，不受到被测物的影响，两者干涉混频，得到干涉信号，从干涉信号中可解调出被测信息；利用相位生成载波(PGC)解调方法从采集到的干涉信号中解调出第一水表面声波和第二水表面声波。可选地，所述利用相位生成载波(PGC)解调方法从采集到的干涉信号中解调出前述水表面声波，包括如下步骤：分别使用一倍频和二倍频载波与所述干涉信号进行混频，得到两路混频信号；两路混频信号经过低通滤波，可得两路正交信号；再利用微分交叉相乘法(DCM法)，对两路正交信号进行微分交叉相乘；最后对微分交叉相乘后的信号进行高通滤波，便从采集到的干涉信号中解调出水表面声波。其中，所述将声和光传感手段联合起来进行海洋深度探测的基本原理在于：空中利用重频可调激光器激发水下声波；水中采用调频连续声波实现海水深度信息传递；水表面声波则起到了信息交换的媒介作用；再到空中利用稳频激光束来实现海水深度信息的获取。其中，所述到空中利用稳频激光束来实现海水深度信息的获取，其机理如下：由于受到自然水表面随机低频大尺度波动的影响，连续捕获多普勒回光是无法实现的；但是由高功率脉冲激光束激发的水下调频连续声波所传递的时延信息是连续传送的；一旦光纤激光多普勒干涉测量组件接收到多普勒回光，即使其持续时间很短，长度有限的干涉本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于声光联合传感的海洋遥感测深方法，其特征在于，所述方法结合调频连续波激光致声技术、激光多普勒干涉技术和调频连续波测距技术，将声传感手段和光传感手段联合进行海洋深度探测；所述方法包括如下步骤：/n(1)通过所述调频连续波激光致声技术，利用重频调制脉冲激光器输出重频调制脉冲激光束，所述重频调制脉冲激光束垂直入射到被探测海域的水面，在水下激发出调频连续声波，同时在水面激发出同频变化的水表面声波，所述水表面声波包括所述重频调制脉冲激光束在水面激发的第一水表面声波和所述调频连续声波经海底介质后对水表面激发的第二水表面声波；/n(2)通过所述激光多普勒干涉技术，利用连续稳频激光器输出连续激光束，所述连续激光束聚焦到被探测海域的水面，由散射光接收耦合装置接收形成多普勒干涉信号，再通过相位生成载波调制解调方法解调出水表面声波；/n(3)通过所述调频连续波测距技术，利用分数阶傅里叶变换对所述水表面波进行时延参数估计，以及根据估计得到的时延及水中声速计算得到被测海域的水深。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于声光联合传感的海洋遥感测深方法，其特征在于，所述方法结合调频连续波激光致声技术、激光多普勒干涉技术和调频连续波测距技术，将声传感手段和光传感手段联合进行海洋深度探测；所述方法包括如下步骤：
(1)通过所述调频连续波激光致声技术，利用重频调制脉冲激光器输出重频调制脉冲激光束，所述重频调制脉冲激光束垂直入射到被探测海域的水面，在水下激发出调频连续声波，同时在水面激发出同频变化的水表面声波，所述水表面声波包括所述重频调制脉冲激光束在水面激发的第一水表面声波和所述调频连续声波经海底介质后对水表面激发的第二水表面声波；
(2)通过所述激光多普勒干涉技术，利用连续稳频激光器输出连续激光束，所述连续激光束聚焦到被探测海域的水面，由散射光接收耦合装置接收形成多普勒干涉信号，再通过相位生成载波调制解调方法解调出水表面声波；
(3)通过所述调频连续波测距技术，利用分数阶傅里叶变换对所述水表面波进行时延参数估计，以及根据估计得到的时延及水中声速计算得到被测海域的水深。


2.根据权利要求1所述的基于声光联合传感的海洋遥感测深方法，其特征在于，所述步骤(1)，包括如下步骤：
在空基平台上使用重频调制脉冲激光器输出重频调制脉冲激光束，所述重频调制脉冲激光束经扩束镜和金镜后被聚焦透镜聚焦到被测海域水表面；
根据激光致声原理，所述重频调制脉冲激光束在水中激发出调频连续声波，该调频连续声波的主频与所述重频调制脉冲激光束的重频一致，称为调频激光声；
同时，当所述重频调制脉冲激光束作用于水表面时，产生的机械扰动激发与所述调频连续声波同频变化的第一水表面声波；
所述调频连续声波经海底介质反射后回到水面，所述调频连续声波激发出与所述调频连续声波同频变化的第二水表面声波。


3.根据权利要求2所述的基于声光联合传感的海洋遥感测深方法，其特征在于，所述使用重频调制脉冲激光器输出重频调制脉冲激光束，包括使用信号发生器输出的线性扫频信号作为所述重频调制脉冲激光器重复频率的调制源，对重频调制脉冲激光器进行重复频率线性调制。


4.根据权利要求2所述的基于声光联合传感的海洋遥感测深方法，其特征在于，所述步骤(2)包括如下步骤：
在空基平台上使用连续稳频激光器发出一束稳频的相干激光束，以聚焦的方式入射到被探测海域的水表面；
所述相干激光束探测到重频调制脉冲激光束扰动产生的第一水表面声波以及水下调频连续声波激励的第二水表面声波，所述相关激光束的相位受到了第一水表面声波和第二水表面声波的调制；
所述相干激光束由水面散射，经过散射光接收耦合装置接收返回光纤激光多普勒干涉测量组件；
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【专利技术属性】
技术研发人员：张烈山，张启元，刘璞，
申请(专利权)人：浙江理工大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33