本发明专利技术提供了一种基于光电成像技术的水下尾流探测装置，包括，激光发射组件和激光接收组件，所述激光发射组件，用于向水下尾流中的气泡照射激光，所述激光的波长范围为450nm至560nm；所述激光接收组件，用于接收由水下尾流中的气泡反射回来的反射光并对激光照射区域的水下尾流进行成像，得到激光照射区域的水下尾流的图像；其中，所述激光接收组件对水下尾流的图像进行图像分析，获得关于水下尾流中的气泡的尺寸、数量、密度的数据，将数据传送给上位机。本发明专利技术可以获取水下尾流中的气泡的大小、密度、分布及气泡密度变化规律。
1、无论是水面舰艇还是水下舰艇，在航行时由于螺旋桨旋转打水，舰体摩擦等，造成海面波浪的破碎以及吃水线附近空气的卷入，形成含有大量气泡(尤其是微气泡)的尾流场，即气泡尾迹。由于发动机的冷却和生活排污等还会向外界不断排放热水，这些气泡和热水都会在舰艇尾部形成一个尾迹带。气泡尾流中存在的气泡的大小、运动状态会发生演化，大气泡易破碎，会迅速上升至海面消失，很小的气泡很快被海水溶解掉，一些微气泡能在尾流的湍流中生存几十分钟。气泡分布的水平尺度由艇船尾流的水平尺度和气泡上升到海面时间段内的航程决定，由于大量空泡的存在，密度比水小，通常会上浮在海面之上，特征非常明显。尾流长度通常能达到舰艇长度的20到30倍，有些甚至会延伸数十千米之远。尾流在低海况环境下会长时间存在，由于其与舰艇连接在一起的，因此追踪尾流就能追踪到舰艇。
2、对尾流气泡进行探测可实现对舰船、潜艇的跟踪和探测。尾流气泡的研究不断受到各国重视的主要原因是其对于军事攻防和民用有着巨大的应用价值，目前主要利用尾流特性实施对水面舰船探测、跟踪和追击。因此，针对微弱尾流气泡的探测，是非常有必要的。
3、近年来发展迅速的光学尾流探测技术，不仅可以对水面产生尾流的目标进行追踪打击，其更重要的价值是实现对水下潜艇和鱼雷的位置信息获取。相对于声波探测，光学探测以其波长短、传播速度快、方向性好、抗干扰能力强、对气泡的敏感度强于声波等优点，逐渐成为重要的探测手段。
>4、目前实现光学尾流探测接收模块的核心光电器件主要为光电倍增管(pmt)、雪崩光电二极管(线性apd)和单光子探测器(sapd)；前两种方法探测灵敏度低、分辨率低和探测距离近；系统设计不具有距离选通功能，进而无法实现对近场水体的后向散射抑制；激光器频率较低，每秒采样的回波信号组数较少，降低系统对尾流气泡的敏感性；探测器分辨率低，导致系统的距离分辨率低。单光子计数的尾流探测方法较前两种方法在探测灵敏度和分辨率上有了进步。5、中国专利申请号202110724021.8公开了一种时间相关单光子计数的尾流探测装置及其运行方法，其公开的一种时间相关单光子计数的尾流探测装置，包括激光发射组件、激光接收组件和信息处理组件，激光发射组件和激光接收组件均与信息处理组件电连接，其中，激光发射组件，用于向尾流中的气泡照射激光，并同步向信息处理组件传递起始电信号；激光接收组件，用于接收由尾流中的气泡反射出的反射光，并同步向信息处理组件传递终止电信号，接收光电器件为sapd(单光子探测器)。信息处理组件，用于接收激光发射组件传来的起始电信号和激光接收组件传来的终止电信号，完成光子飞行时间间隔测量和时间相关单光子计数器分析，最后计算得到目标距离。
6、中国专利申请号为202110724021.8的专利申请存在一些缺点，例如，1)视场角小，需要调整镜头的焦距，探测到不同距离的目标；调整光阑，实现部分背景光噪声的干扰；2)只有气泡的距离信息，难以获取气泡的大小、密度、分布等信息；3)采用高频的激光脉冲，单脉冲能量小，回波信号弱，单光子计数器需要高的放大增益，信噪比差，难于提取有效气泡信号。
7、此外，由于水中尾流气泡的直径非常微小，通常几十μm至几百μm，而且气泡是透明的，与周围水的界面不清晰，对比度差，另外水流扰动、水质中各种杂质等影响，对于几米至十几米远的微小气泡的探测，用光电探测、光电成像等进行尾流的探测，都具有极大的挑战。
技术实现思路
1、为了解决现有技术存在的不足，本专利技术的目的在于提供一种基于光电成像技术的水下尾流探测装置，用于获取水下尾流中的气泡的大小、密度、分布及气泡密度变化规律。
2、为实现上述目的，本专利技术提供的一种基于光电成像技术的水下尾流探测装置，包括，激光发射组件和激光接收组件，所述激光发射组件，用于向水下尾流中的气泡照射激光，所述激光的波长范围为450nm至560nm；
3、所述激光接收组件，用于接收由水下尾流中的气泡反射回来的反射光并对激光照射区域的水下尾流进行成像，得到激光照射区域的水下尾流的图像；其中，所述激光接收组件对水下尾流的图像进行图像分析，获得关于水下尾流中的气泡的尺寸、数量、密度的数据，将数据传送给上位机。
4、进一步地，所述激光发射组件，包括，依次顺序连接布置的激光发射器、1/2波片、倍频晶体、光学准直系统，其中，所述光学准直系统由平凹透镜和凸透镜构成。
5、进一步地，所述1/2波片的方向与倍频晶体的偏振方向成22.5度。
6、进一步地，所述激光接收组件，包括，激光接收光学望远镜部件、激光选通部件、45°折返镜、fpga信息处理板，其中，所述激光接收光学望远镜部件，包括，沿着入射方向依次设置在入射光路上的平凸镜、平凹镜、窄带滤波片；
7、所述激光选通部件，由相互垂直的第一线偏振片和第二偏振片以及电光晶体组成；
8、fpga信息处理板包括成像器件，所述成像器件为具有摄像、拍照功能的器件，包括，ccd像机或cmos器件。
9、进一步地，所述激光选通部件的选通时长取决于激光发射位置与感兴趣的水下尾流区域之间的距离，激光选通部件的选通时长被设置成使得激光选通部件的选通避开激光发射并传播的开始阶段的强光段并能够成功接收经过气泡反射后的激光光波，所述强光段指的是激光发射后的10纳秒内。
10、进一步地，所述fpga信息处理板，接收成像器件传来的图像，对所述图像进行解码、rgb数据处理、灰度处理、降噪处理，选取感兴趣的区域进行分析、识别，将分析识别后的图像与没有气泡水域的水本底图像进行对比，完成对尾流中的气泡的尺寸大小、数量、密度的数据分析，并上传分析结果给上位机。进一步地，所述激光接收组件，包括，激光接收光学望远镜部件、ccd成像镜头、ccd摄像头，带网口的计算机，其中，所述ccd摄像头将气泡反射的激光回波，在相机曝光时间内成像，经ccd相机的网口通过网线传给水面上的带网口的计算机，在计算机上观察、存储及进行数据分析。
11、进一步地，所述激光接收组件，包括，接收光学望远镜部件、ccd成像镜头、ccd摄像头，fpga信息处理板，ccd摄像头将气泡反射的激光回波，在相机曝光时间内成像，经ccd相机的网口通过网线传给fpga信息处理板，fpga信息处理板实时处理气泡的成像图像、存储相关数据并通过串口上传分析的数据给上位机，其中，所述ccd摄像头具备外时钟同步功能，曝光时间可控。进一步地，所述水下尾流探测装置还包括箱体和箱体上盖板，所述激光发射组件、接收组件均安装在箱体中，箱体的一侧对应发射保护窗口和接收保护窗口，发射窗口和接收窗口分布位于箱体两侧，距离在200-300mm范围内，发射光路与接收光路成一定角度，使得激光发射组件出射的激光光轴与激光接收组件的光轴在距离激光接收组件的外边缘一定距离处相交，该一定距离优选为距离尾流探测装置3-6本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于光电成像技术的水下尾流探测装置，包括，激光发射组件和激光接收组件，其特征在于，
2.根据权利要求1所述的基于光电成像技术的水下尾流探测装置，其特征在于，所述激光发射组件，包括，依次顺序连接布置的激光发射器、1/2波片、倍频晶体、光学准直系统，其中，所述光学准直系统由平凹透镜和凸透镜构成。
3.根据权利要求2所述的基于光电成像技术的水下尾流探测装置，其特征在于，所述1/2波片的方向与倍频晶体的偏振方向成22.5度。
4.根据权利要求1所述的基于光电成像技术的水下尾流探测装置，其特征在于，所述激光接收组件，包括，激光接收光学望远镜部件、激光选通部件、45°折返镜、FPGA信息处理板，其中，
5.根据权利要求4所述的基于光电成像技术的水下尾流探测装置，其特征在于，所述激光选通部件的选通时长取决于激光发射位置与感兴趣的水下尾流区域之间的距离，激光选通部件的选通时长被设置成使得激光选通部件的选通避开激光发射并传播的开始阶段的强光段并能够成功接收经过气泡反射后的激光光波，所述强光段指的是激光发射后的10纳秒内。
6.根据权利要求4所述的基于光电成像技术的水下尾流探测装置，其特征在于，所述FPGA信息处理板，接收成像器件传来的图像，对所述图像进行解码、RGB数据处理、灰度处理、降噪处理，选取感兴趣的区域进行分析、识别，将分析识别后的图像与没有气泡水域的水本底图像进行对比，完成对尾流中的气泡的尺寸大小、数量、密度的数据分析，并上传分析结果给上位机。
7.根据权利要求1所述的基于光电成像技术的水下尾流探测装置，其特征在于，所述激光接收组件，包括，激光接收光学望远镜部件、CCD成像镜头、CCD摄像头，带网口的计算机，其中，所述CCD摄像头将气泡反射的激光回波，在相机曝光时间内成像，经CCD相机的网口通过网线传给水面上的带网口的计算机，在计算机上观察、存储及进行数据分析。
8.根据权利要求1所述的基于光电成像技术的水下尾流探测装置，其特征在于，所述激光接收组件，包括，接收光学望远镜部件、CCD成像镜头、CCD摄像头，FPGA信息处理板，CCD摄像头将气泡反射的激光回波，在相机曝光时间内成像，经CCD相机的网口通过网线传给FPGA信息处理板，FPGA信息处理板实时处理气泡的成像图像、存储相关数据并通过串口上传分析的数据给上位机，其中，所述CCD摄像头具备外时钟同步功能，曝光时间可控。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的基于光电成像技术的水下尾流探测装置，其特征在于，所述水下尾流探测装置还包括箱体和箱体上盖板，所述激光发射组件、接收组件均安装在箱体中，箱体的一侧对应发射保护窗口和接收保护窗口，发射窗口和接收窗口分布位于箱体两侧，距离在200-300mm范围内，发射光路与接收光路成一定角度，使得激光发射组件出射的激光光轴与激光接收组件的光轴在距离激光接收组件的外边缘一定距离处相交，该一定距离优选为距离尾流探测装置3-6m。
10.一种利用权利要求1-9中任一项所述的基于光电成像技术的水下尾流探测装置对水下尾流进行探测的方法，包括以下步骤：
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【技术特征摘要】
1.一种基于光电成像技术的水下尾流探测装置，包括，激光发射组件和激光接收组件，其特征在于，
2.根据权利要求1所述的基于光电成像技术的水下尾流探测装置，其特征在于，所述激光发射组件，包括，依次顺序连接布置的激光发射器、1/2波片、倍频晶体、光学准直系统，其中，所述光学准直系统由平凹透镜和凸透镜构成。
3.根据权利要求2所述的基于光电成像技术的水下尾流探测装置，其特征在于，所述1/2波片的方向与倍频晶体的偏振方向成22.5度。
4.根据权利要求1所述的基于光电成像技术的水下尾流探测装置，其特征在于，所述激光接收组件，包括，激光接收光学望远镜部件、激光选通部件、45°折返镜、fpga信息处理板，其中，
5.根据权利要求4所述的基于光电成像技术的水下尾流探测装置，其特征在于，所述激光选通部件的选通时长取决于激光发射位置与感兴趣的水下尾流区域之间的距离，激光选通部件的选通时长被设置成使得激光选通部件的选通避开激光发射并传播的开始阶段的强光段并能够成功接收经过气泡反射后的激光光波，所述强光段指的是激光发射后的10纳秒内。
6.根据权利要求4所述的基于光电成像技术的水下尾流探测装置，其特征在于，所述fpga信息处理板，接收成像器件传来的图像，对所述图像进行解码、rgb数据处理、灰度处理、降噪处理，选取感兴趣的区域进行分析、识别，将分析识别后的图像与没有气泡水域的水本底图像进行对比，完成对尾流中的气泡的尺寸大小、数量、密度的数据分析，并上传分析结果给上位机。
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【专利技术属性】
技术研发人员：王天成，王运谦，
申请(专利权)人：北京镭梦光电科技有限公司，
类型：发明
国别省市：
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