近年来,各国军备竞赛的主战场已从陆地延展到了海洋,随着中国海洋活动的日益频繁和领海防护意识的逐渐增强,对海洋进行科学、全面的认知与探索是提升中国领海安全、提高海洋资源利用效率的当务之急。目前的水下探测技术主要为声呐探测,然而由于声呐存在一定的发散角,会干扰到探测目标,当探测目标的目标强度不足时,声呐很难探测到目标;因此声呐探测技术仅适用于深海地区,而在浅海领域的应用性不强。

相比于声波,激光探测具有亮度高、脉冲较短、准直度较高等优点,这些优点可以有效弥补声呐探测技术的不足,使探测测距更高、定位和成像更精准。因此,水下探测技术和相关理论正受到中外学者广泛的关注。目前很多文献都采用的是指数衰减模型来表示水下光波传输过程,而且一般忽略漫射和光波极性的影响。在该模型中,光在水下传输主要水分子和溶解粒子的吸收和散射影响,其光强可通过Ber定理来计算。但采用Ber定理和衰减系数公式的缺点在于未考虑到接收机端的散射、系统的几何散射以及发射器和接收器的参数等因素。Gabriel等在文献中分别研究了在水下光通信链路中,发射器和接收器完全对准和存在倾角情况下的信道模型,但其主要研究了清澈海水环境下影响信道特性的因素。

Cochenour等针对水下激光通信系统中的前向散射干扰这一问题,提出一种测量信道频率响应的灵敏度高、动态范围大的试验测量方法。Amon等针对不同的通信环境,分别提出了视距通信,调制反射链路以及漫射链路,但该文献中仅从理论上分析了该漫射链路的误码性能。Jasman等在有关文献的基础上简单分析了视距和漫射链路的信道特性,但发射器和接收器的参数选择对接收信号的影响仍未考虑。Tang等针对海水激光通信系统提出了一种双Gamma信道模型,但仅分析了海水类型、传输距离和接收视场角(F0V)等因素对信道特性的影响。

为此,现依激光探测技术优良穿透性这一特点,在对水下激光探测系统工作方式和工作原理进行分析探讨的基础上,利用蒙特卡洛模拟方法对海水中激光传输特性进行仿真分析,并根据仿真结果对激光水下探测系统参数进行调试,利用距离选通法来避免海水中后向散射对系统探测精度的影响,对水下激光探测系统的控制部分进行硬件设计。最后通过水下激光传输实验比较典型的海水类型及浑浊度、系统参数,如发射器波束宽度和发散角、传输距离、接收孔径以及F0V等因素对接收光强的影响。

水下激光探测系统主要由激光发射系统、激光接收系统、同步控制系统、信号采集系统和处理系统组成,其系统组成如图l所示。控制系统控制激光发射系统发射激光脉冲,同步对激光接收系统进行控制,在精确延时后触发接收系统开门接收数据,信号采集和处理系统对数据进行采集和处理。

水下激光器常使用的波长为532nm的激光器,为了产生532nm的波长,选择固体激光器作为光源。固体激光器主要由泵浦系统、工作物质、光学谐振腔、聚光系统和冷却与滤光系统5个部分组成。

电荷耦合元件(CD)在微光下的性能不是很好,因此,一般会用像增强器与之耦合,得到一种新的增强电荷器件,也就是增强电荷耦合器件(ICD)。ICD有着工作需要电压相对较低、质量相对较轻、能提高解析度与信噪比、有着更宽的光谱响应范围等优点。

ICD是将像增强器和CD耦合在一起以后形成的,耦合方式一般为光纤光锥或光纤面板,光电模块和控制模块是ICD的一般组成部分。其工作原理可以描述为:由目标反射得到的人射光经过镜头在现在全球的光阴极上将目标成像,通过光阴极转换光子图像为电子图像,利用电场对电子进行适当加速后进人微通道板,然后利用微通道板对电子进行倍增,之后将电子利用高压进行加速,使之在荧光屏上产生光子图像,如图2所示。

像增强器是一种常见的微光探测器,其作用是对二维弱光图像进行探测,主要组成为光阴极、电子光学系统和荧光屏,将这三个部分安装在高真空管壳内。像增强器的工作过程可以描述为三个部分:①光子-电子转换;②电子加速和聚焦;③电子-光子转换。

ICD的选通有两种方法:一种是通过阴极进行选通,一种是通过电子光学系统进行选通。通过阴极进行选通时,在光电阴极与电子光学系统前级之间需要加上l80~200V的电压,通过这个电压进行控制,这种方法等效负载电容较小,容易进行电路实现;通过电子光学系统进行选通时所需加上的控制电压为800~l000V,这种方法的等效负载电容比较大,相比之下难以通过电路实现,因此选择光阴极选通作为选通方案,更容易实现。

水下激光探测系统的重点在于如何减小或抵消后向散射的干扰,距离选通法就是一种很有效的方法。一般的距离选通法需要由脉冲激光器、同步控制模块和ICD组成。距离选通法需要已知探测系统与探测目标的距离,通过距离计算出脉冲激光传输所需要的时间,这个时间就是控制选通门的开启时间,在这个时间之前关闭选通门,使得这个时间段内的后向散射不能进人ICD中,到达这个时间后开启选通门,此时被探测目标的返回信号正好到达ICD,获取所需的图像。距离选通法能有效地避免后向散射的干扰,提高系统的分辨率,能有效地在复杂条件下对探测目标进行成像。

其工作原理如图3所示。图3(a)为距离选通法关门,此时选通门关闭;图3(b)为距离选通法开门,此时选通门打开。

距离选通法是通过对选通门的开启与关闭的时间进行控制的,需要脉冲激光器、控制模块和ICD的精确配合,其主要原理是脉冲激光在传播时返回的时间不同,所需要的信号的返回时间是固定的。因为激光的传输速度很快而且一般激光探测系统的距离较短,正确的返回时间一般在纳秒级,因此各模块之间的配合至关重要。理论上选通门开门的延迟时间要与反射回来的激光脉冲信号的时间一致,这样才能保证其他时间的后向散射不能进人ICD以及所需要图像的信号正好进人ICD进行成像,才能极大地减少后向散射干扰,提高成像精度。

激光扩束器均有一定的发散角,并且激光的光斑大小不一定满足需求,因此需要使用激光扩束器来扩展激光束的直径以达到可用的光斑大小以及减小激光束的发散角。经过激光扩束器进行扩束的激光束,其发散角会较小并和扩束比成反比例变化。经过扩束的激光束和未经过扩束的激光束相比,发散角更小,激光更加聚集,更能满足人们的需求。一般而言,激光扩束器的倍率代表激光束直径的放大倍率。因为激光器输出的光斑尺寸与激光发散角的乘积是一个定量,也就是说光斑尺寸与激光发散角成反比例,因此当激光输出的纸浆扩大X倍时,这束激光的发散角也就会相应的减小为原来的l/X,发散角的减小又可以提高激光的准直度。

激光扩束器一般分为开普勒式激光扩束器和伽利略式激光扩束器,其中伽利略式激光扩束器更为方便实现,也更加常用。常见的伽利略式激光扩束器由一个负输人透镜和一个正输人透镜组成。其工作原理如图4所示。光束扩束器的作用就是减小激光束的发散角,从而使激光束更加聚集。

激光器选择经过倍频的Nd:YAG脉冲激光器(一般的Nd:YAG脉冲激光器波长为l064nm,经过倍频后可以达到所需波长532nm),激光光束进人看作高斯光束,经过扩束器扩束之前的人射光束束腰半径小于l0mm,发散角小于l0mrad,要求出射光光束束腰半径为50mm,则扩束比为5。

系统时序图如图5所示。第一道波形为激光器的输出波形;第二道波形为水中的后向散射;第三道波形为激光脉冲由目标反射到ICD相机上的反射辐射;第四道波形为ICD相机的选通脉冲。由图5可知,系统必须严格按照设定的时序进行工作才能获得所需距离上的目标图像。

当探测距离h=40m时,可计算出理论延时时间T=356ns,实际的延时时间需要减去触发电路、延迟脉冲发生器和像增强器驱动电路等传输时间延时。因此需要设计高精度的触发电路、延时脉冲发生器和像增强器驱动电路。最终选用脉冲l0ns,重复频率lkHz,单脉冲能量l00mJ的激光器,基于计算的最大距离在选用的激光器和ICD相机的基础上对激光器发射接收的时序进行了研究。

系统流程如图6所示,激光器选用532nm脉冲激光器,单次脉冲发射能量为l00mJ,脉冲频率为lkHz,脉宽为l0ns,激光器打开后,通过光电二极管(PIN)光电二极管将激光脉冲信号传输到控制系统,控制系统产生脉冲信号并对脉冲信号进行延时,经过延时后再返回光信号到达ICD相机是触发像增强器获取图像。

控制系统的方案流程如图7所示,虚线框内为主要完成的部分,激光脉冲信号经过PIN传送到微处理器(ARM)控制芯片,然后触发可编程逻辑器件(CPLD)计时器进行延时脉冲产生和时间测量芯片(TDC)进行实践测量,CPLD计时器经过延时后产生脉宽为l0ns的脉冲,通过光阴极选通来触发ICD相机获取图像,TDC时间测量芯片延时时间以便进行延时校准,ICD相机获取的图像传输到ARM控制芯片,经过液晶显示屏显示后观测获取到的图像,ARM控制芯片也可以通过串口或网口与上位机交联。

控制系统电路设计主要包括串口调试电路、电源电路、晶振电路、复位电路、串行闪存(FLAsH)电路、联合测试工作组(TAG)电路和同步动态随机存储器(sDRAM)电路等部分。使用Al-1iumDesigner软件对控制系统电路进行设计。模块示意图如图8所示。

sTM32F429芯片选用CJAlll7B-3.3进行供电,晶振选25MHz。CPLD选择CPLD-EPMl270Tl44C5N作为数字定时器。在本模块中,选用TDC-GP2l精确时间测量芯片来实现。控制芯片开始延时的同时发送信号使得TDC芯片开始计时,在系统设定的延时时间到达后,发送信号触发光阴极并使得TDC芯片结束计时。可编程延迟线,该芯片具有目前延时芯片的所有特点,是一种高精度的线延时器件。

高压脉冲产生电路主要由高压脉冲形成电路、驱动电路和放大电路组成。使用THs300l芯片作为放大电路的核心芯片,该芯片是一种高速运算放大器,通过与其外围电路的组合完成放大功能。为了与上位机交联,设计了串口和网口两种方式,串口选择Rs-232串口通信方式。网口选择LAN8720A芯片和RJ接口设计网口模块,选用25MHz外设晶振。系统整体选择220V交流电,通过变压器和LM7805稳压电路将220V交流电转化为5V直流电,提供给Dsl020可编程延迟线;然后选择CJAlll7B-3.3模块将5V转化为3.3V,提供给sTM32F429控制芯片、EPMl270可编程逻辑芯片和TDC-GP2l时间测量芯片;选择MAX743模块将5V转化为生l5V,提供给THs300l运算放大器。

利用激光发射器、激光接收器、激光探测系统硬件设计以及水箱的设备设计激光发射接收实验,收集实验数据并进行研究。试验波长为532nm的绿色激光在不同浑浊度的水下的传输特性。分析接收功率与水质、接收视场角F0V和接收孔径D的关系。

如图9所示,橙色框为试验的光信号发射端,蓝色框为接收端,右边的矩形为一个自制的矩形封闭水槽,水槽侧壁开两个透明玻璃的孔,发射系统和接收系统分别对准两个孔,水槽内的底部做一个可移动导轨,导轨上安装目标或反光镜,用于模拟不同距离的目标。

发射系统按图9所示连接好,信号源给出固定频率的信号,通过激光器发出激光经准直光学透镜从水槽侧壁的玻璃小孔打人水槽内的反光镜上。激光打到反光镜上返回,对准角度,返回的激光信号从水槽另一个玻璃小孔出来进人光电探测器,最终用激光功率计读数。具体试验步骤如下。

⑴将激光器和功率计分别放在玻璃箱两端对准。玻璃箱内不装水,首先测出激光器发出的激光经过玻璃箱衰减后的功率,并将此作为激光初始功率为820mw。

⑵向玻璃箱内注人纯水,变化激光器和功率计之间的距离,测出纯水的衰减系数。

⑶固定接收探测器的视场角F0V=0.5204rad,变化接收面孔径大小,选择接收面的孔径有4种,分别为Dl=0.9l7cm,D2=0.78cm,D3=0.6l7cm,D4=0.3cm,在每一种特定接收孔径下,变化激光器和功率计的距离R,记录每一距离下的接收功率。

⑷固定接收探测器的孔径大小Dl=0.9l7cm,变化接收视场角F0V,选择4种F0V,分别为F0Vl=0.5204rad,F0V2=0.5098rad,F0V3=0.3396rad,F0V4=0.2506rad。在每一种特定视场角下,变化激光器和功率计的距离R,记录每一距离下的接收功率。

⑹在步骤⑸配比盐水的基础上,适量加人一定比例的泥土,经过试验发现,泥土中含有的“黄色物质”对激光的衰减作用非常大,因此共进行3次加泥土的试验,每次加泥土的量分别为0.5,0.6,0.7g/L,记为泥水l、泥水2、泥水3,重复步骤⑶、步骤⑷。

根据实验数据可以绘制图l0,纯水和自制盐水水质下,接收F0V均为F0Vl=0.5204rad,接收面孔径不同对激光传输能量的影响如图l0(a)所示。纯水和自制盐水水质下,接收孔径均为Dl=0.9l7cm,接收F0V不同对激光传输能量的影响如图l0(b)所示。

分析图10可得,激光传输能量随传输距离的增加而增加,盐成分对水下激光的传输影响较大。由于在纯水中激光散射较小,激光聚焦性还比较强,因此接收孔径和接收视场角对接收激光的能量影响不是很大。但是激光在盐水中有散射,所以可以看出盐水里传输的激光,接收孔径D越小,接收视场角F0V越小,接收的能量越小。但是因为无机盐对激光灯吸收作用可以忽略,对激光的传输距离影响不大,只考虑散射作用的影响。

多次试验证实,泥土对激光的衰减作用非常大,因此选择在试验过程里最近的距离Rl=49cm的情况下,在自制盐水的基础上加了泥土,配比了3种泥水,图11(a)为3种泥水中接收F0V对激光的传输能量的变化。图11(b)为3种泥水中接收孔径的大小对激光的传输能量的变化。

分析图11可以看出:泥土对激光的衰减作用十分严重,随着泥土含量的增加,接收激光的能量基本没有。这是因为泥土中含有大量的“黄色物质”,这些“黄色物质”吸收了激光中的大部分能量,使得激光很难在含有泥沙的浑浊水中传播。

基于蒙特卡洛模拟方法对海水中激光传输时的吸收特性和散射特性的仿真分析,利用激光穿透性强、高载频、传递信息量大、方向性好以及不受干扰传播距离远等优点,研究水下激光探测系统的工作方式,对个工作部件的原理进行分析,针对水下激光探测选择合适的部件。研究了激光发射器和ICD相机的结构和工作方式,针对ICD相机选通方式进行分析并对其选通模块电路进行研究。探究了激光扩束的相关理论及仿真,对非对称光学结构下激光探测的工作原理和发射激光最高功率与距离的关系进行了研究。

根据激光在水下传播的实验数据分析可以看出:不同的水质下,接收视场角越大,接收孔径D越大,则接收能量越大;对于清澈水域,激光传输的情况又受到不同粒子的干扰,传播情况与光波长、粒子尺寸、形状、浓度均密切相关;对于浑浊水域,因为含有大量的“黄色物质”,对532nm波长的激光的吸收作用很强,因此不做讨论。研究结果为下一步建立准确的水下无线光通信信道模型奠定了重要的理论基础。以期弥补声呐在浅海探测的不足之处,为中国海洋探测事业提供理论依据和可行方案。

【作者简介】文/李攀 邱宏安 韩子舒 苗峰,来自西北工业大学航海学院。第一作者李攀,l995年出生,男,陕西宝鸡人,硕士研究生,研究方向为信号与信息处理、声换能器;通信作者邱宏安,l965年出生,男,建顺昌人,博士,副教授,研究方向为信号与信息处理、声换能器及基阵设。本文来自《科学技术与工程》(2021年第1期),参考文献略,用于学习与交流,版权归作者及出版社共同拥有。

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