一种水下激光脉冲时域展宽测量系统及方法与流程

1.本技术涉及水下激光测量技术领域，特别是涉及一种水下激光脉冲时域展宽测量系统及方法。


背景技术：

2.海洋约占地球表面积的71％，具有十分巨大的开发潜力，对海洋的观测与研究具有重要的应用前景。
3.在海洋光电观探测设备中，脉冲激光的应用非常广泛，如激光雷达水下目标探测、水下距离选通成像、水下libs光谱仪等。其中激光的脉冲宽度对这些光电设备的探测效果有重要影响，如激光雷达水下目标探测中，激光的脉冲宽度决定了雷达测距精度；水下距离选通成像中，激光的脉冲宽度决定了选通时间的长短，进而决定了曝光时间，直接影响成像效果；水下libs光谱仪中，激光的脉冲宽度决定了光与物质相互作用时间的长短，影响其元素的定量测量精度。由于水中激光传递存在多次散射效应，激光脉冲在水下会发生展宽，造成失真，进而，在水下光通信中，脉冲的展宽可能会造成通信产生误码。
4.为了研究水下脉冲激光的时域展宽，很多研究机构建立了仿真计算模型，如长春理工大学的尹航、刘智等人在长春理工大学学报2014年8月第37卷第4期公开的水下激光脉冲传输时域展宽仿真分析，该文章通过fournier-forand和henyey-greenstein散射相函数，结合小角度近似法推导出激光脉冲波形表达式，并对不同宽度的激光脉冲信号的传输波形进行模拟。海军工程大学的周亚民、刘启忠等人在中国激光杂志2009年1月第36卷第1期中公开了一种激光脉冲水下传输时域展宽模拟计算方法，该方法将经典电子散射理论应用于光子散射研究，从l.b.stotts模型出发，通过选择合适的水体散射相函数，推导出激光脉冲波形表达式，模拟计算在一定水质条件下脉冲传输不同距离后的脉宽。另外，在光学学报2010年11月第30卷第11期中公开了一种水下激光距离选通成像与脉冲展宽的时序模型，文章中北京理工大学的黄有为、王霞等人分析了水下脉冲传输和探测器选通接收间的时序关系，建立了较为完善的距离选通时序模型；基于搭建的水下脉冲激光距离选通实验平台，设计了专门的模型验证实验。
5.如上所述，相关技术中针对水下脉冲激光展宽的测量较少，主要是一些理论计算与模型仿真，尽管北京理工大学提出的通过距离选通成像方法测量脉冲展宽的方式实现了直观测量，但具有缺少脉冲波形的准确测量、定量分析与研究存在困难的问题。除此之外，采用探测接收后向散射的方法存在诸多干扰因素，如传输路径的多次后向散射、目标反射率不同、接收镜头视场角太大等。
6.目前针对相关技术中水下脉冲激光展宽的测量，尚未提出有效的解决方案。


技术实现要素：

7.本技术实施例提供了一种水下激光脉冲时域展宽测量系统及方法，实现直接测量水下激光脉冲的时域展宽，提高测量准确性，并为水下散射效应造成的激光脉冲展宽的理
论研究与模型研究提供基础。
8.第一方面，本技术实施例提供了一种水下激光脉冲时域展宽测量系统，包括：
9.接收镜头，用于直接对准待测脉冲激光器并接收待测脉冲激光器输出的激光光束，具体的，所述接收镜头直接接收待测脉冲激光的前向传输光，以避免其他因素的干扰；
10.激光处理单元，光路连接所述接收镜头，所述激光处理单元用于对所述激光光束进行准直、衰减及滤光处理；
11.高速光电探测器，光路连接所述激光处理单元，用于采集所述处理后的所述激光光束并转换得到激光脉冲电信号w1；
12.数据采集板，电性连接所述高速光电探测器，所述数据采集板用于采集所述激光脉冲电信号w1并发送至一分析处理单元；所述分析处理单元用于接收所述激光脉冲电信号w1并计算所述激光脉冲电信号w1的脉冲宽度宽度w
11
、w
12
……
、w
1n
后，根据脉冲展宽计算方法计算得到所述激光光束的时域展宽。具体的，所述分析处理单元具体为计算机设备，所述数据采集板通过水密电缆通信连接分析处理单元。可选的，所述脉冲宽度宽度w
11
、w
12
……
、w
1n
可以通过半波宽、10％pmax宽或20％pmax宽等方式计算，在此不作具体限定，其中，pmax用于表示激光脉冲电信号的波形高度值。
13.在其中一些实施例中，所述激光处理单元包括依次光路连接的光阑、透镜、可调衰减片及窄带滤光片，以通过光阑限制视场，通过透镜、可调衰减片及窄带滤光片对所述激光光束进行准直、衰减及滤光。
14.在其中一些实施例中，所述数据采集板与所述高速光电探测器之间还电性连接有一前置放大电路，用于放大所述激光脉冲电信号。
15.在其中一些实施例中，所述待测脉冲激光器的输出端设置有一准直镜头，所述接收镜头采用窄视场镜头，以避免杂光干扰。
16.在其中一些实施例中，所述高速光电探测器、前置放大电路、数据采集板的响应速度≥1ghz，所述数据采集板的动态范围≥14位。
17.在其中一些实施例中，所述高速光电探测器为基于光电倍增管pmt或雪崩光电探测器apd的光电探测器。
18.在其中一些实施例中，所述分析处理单元中预先存储有利用所述测量系统采集的在空气环境下传输的激光脉冲电信号w0及其脉冲宽度w
01
、w
02
、
……
、w
0n
，所述脉冲宽度w
01
、w
02
、
……
、w
0n
用于所述分析处理单元对比分析所述脉冲宽度w
01
、w
02
、
……
、w
0n
及所述脉冲宽度w
11
、w
12
……
、w
1n
并计算得到所述时域展宽。
19.在其中一些实施例中，所述脉冲展宽计算方法包括平均值脉冲展宽计算方法、均方根脉冲展宽计算方法。
20.基于如上结构，本技术采用高速光电探测器(pmt或apd)结合数据采集板进行激光光束的信号采集，通过高速光电探测器实现光电转换后，经前置放大电路进行放大后由数据采集板进行高速采集，最后通过所述分析处理单元进行分析精细测量激光脉冲信号经过一定距离海水后的激光脉冲电信号，从而通过与在空气中的测量值进行比对，获得时域展宽。
21.第二方面，本技术实施例提供了一种水下激光脉冲时域展宽测量方法，基于如上第一方面所述的水下激光脉冲时域展宽测量系统，包括：
22.空气环境激光脉冲宽度获取步骤，在空气环境下沿所述待测脉冲激光器的光轴方向装设调试所述测量系统并发射输出激光光束，通过所述测量系统采集并计算得到在空气环境下传输的激光脉冲电信号w0及其脉冲宽度w
01
、w
02
、
……
、w
0n
；
23.水下环境激光脉冲宽度获取步骤，将所述待测脉冲激光器及所述测量系统移动至水下环境，通过所述测量系统采集并计算在水下环境传输的激光脉冲电信号w1及其脉冲宽度w
11
、w
12
……
、w
1n
；
24.激光脉冲时域展宽获取步骤，基于所述脉冲展宽计算方法对所述脉冲宽度w
01
、w
02
、
……
、w
0n
及所述脉冲宽度w
11
、w
12
……
、w
1n
进行计算，得到所述时域展宽。
25.在其中一些实施例中，所述空气环境激光脉冲宽度获取步骤还包括：
26.衰减片调试步骤，通过逐级降低衰减倍数的方式调节所述可调衰减片，当激光脉冲信号饱和后，将所述衰减倍数调至使激光脉冲信号强度为饱和强度的90％～95％并固定所述可调衰减片。
27.本技术的一个或多个实施例的细节在以下附图和描述中提出，以使本技术的其他特征、目的和优点更加简明易懂。
附图说明
28.此处所说明的附图用来提供对本技术的进一步理解，构成本技术的一部分，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。在附图中：
29.图1是根据本技术实施例的水下激光脉冲时域展宽测量系统的结构框图；
30.图2是根据本技术实施例的激光脉冲的半波宽波形示意图；
31.图3是根据本技术实施例的水下激光脉冲时域展宽测量方法流程图。
32.图中：
33.11、接收镜头；
34.12、激光处理单元；
35.13、高速光电探测器；
36.14、前置放大电路；
37.15、数据采集板；
38.16、分析处理单元；
39.21、待测脉冲激光器；
40.22、准直镜头；
41.121、光阑；
42.122、透镜；
43.123、可调衰减片；
44.124、窄带滤光片。
具体实施方式
45.为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行描述和说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。基于本技术提供的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的
前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
46.显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些示例或实施例，对于本领域的普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图将本技术应用于其他类似情景。此外，还可以理解的是，虽然这种开发过程中所作出的努力可能是复杂并且冗长的，然而对于与本技术公开的内容相关的本领域的普通技术人员而言，在本技术揭露的技术内容的基础上进行的一些设计，制造或者生产等变更只是常规的技术手段，不应当理解为本技术公开的内容不充分。
47.在本技术中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本技术的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域普通技术人员显式地和隐式地理解的是，本技术所描述的实施例在不冲突的情况下，可以与其它实施例相结合。
48.除非另作定义，本技术所涉及的技术术语或者科学术语应当为本技术所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本技术所涉及的“一”、“一个”、“一种”、“该”等类似词语并不表示数量限制，可表示单数或复数。本技术所涉及的术语“包括”、“包含”、“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含；例如包含了一系列步骤或模块(单元)的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可以还包括没有列出的步骤或单元，或可以还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。本技术所涉及的“连接”、“相连”、“耦接”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电气的连接，不管是直接的还是间接的。本技术所涉及的“多个”是指两个或两个以上。“和/或”描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，“a和/或b”可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。本技术所涉及的术语“第一”、“第二”、“第三”等仅仅是区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序。
49.本技术实施例提供了一种水下激光脉冲时域展宽测量系统，图1是根据本技术实施例的水下激光脉冲时域展宽测量系统的结构框图，参考图1所示，该测量系统包括：接收镜头11、激光处理单元12、高速光电探测器13及数据采集板15等模块。本领域技术人员可以理解，图1中示出的用户终端结构并不构成对用户终端的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件布置。
50.下面结合图1对测量系统的各个构成部件进行具体的介绍：
51.接收镜头11用于直接对准待测脉冲激光器21并接收待测脉冲激光器21输出的激光光束，图中，接收镜头11与待测激光器21的输出端之间的距离为l，具体的，接收镜头11直接接收待测脉冲激光的前向传输光可以避免其他因素的干扰。
52.激光处理单元12光路连接接收镜头11，激光处理单元12用于对激光光束进行准直、衰减及滤光处理；具体的，激光处理单元12包括依次光路连接的光阑121、透镜122、可调衰减片123及窄带滤光片124，以通过光阑121限制视场，通过透镜122、可调衰减片123及窄带滤光片124对激光光束进行准直、衰减及滤光。
53.高速光电探测器13光路连接激光处理单元12，用于采集处理后的激光光束并转换得到激光脉冲电信号w1；可选的，高速光电探测器13为基于光电倍增管pmt或雪崩光电探测
器apd的光电探测器。基于此，本技术采用高速光电探测器13作为单点的光电探测器直接检测激光光束的脉冲波形，以实现高速采集激光脉冲电信号，且相较于现有通过成像方式测量，响应速度更快，提高了波形分析的准确性。
54.数据采集板15通过一前置放大电路14电性连接高速光电探测器13，前置放大电路14用于放大激光脉冲电信号w1，数据采集板15用于采集激光脉冲电信号w1并发送至一分析处理单元16，分析处理单元16用于接收激光脉冲电信号w1并计算所述激光脉冲电信号w1的脉冲宽度后，根据脉冲展宽计算方法计算得到所述激光光束的时域展宽。可选的，脉冲宽度可以是根据半波宽(如图2所示)、10％p
max
宽或20％p
max
宽等进行计算，在此不作具体限定，其中，p
max
用于表示激光脉冲电信号的波形高度值。其中，高速光电探测器13、前置放大电路14、数据采集板15的响应速度≥1ghz，数据采集板15的动态范围≥14位。其中，分析处理单元16中预先存储有利用所述测量系统采集的在空气环境下传输的激光脉冲电信号w0及其脉冲宽度w
01
、w
02
、
……
、w
0n
，脉冲宽度w
01
、w
02
、
……
、w
0n
用于分析处理单元16对比分析脉冲宽度w
01
、w
02
、
……
、w
0n
及脉冲宽度w
11
、w
12
……
、w
1n
并计算得到时域展宽。具体的，脉冲展宽计算方法包括平均值脉冲展宽计算方法、均方根脉冲展宽计算方法。
55.现有手段一般采用后向测量法，在有限测量距离条件下，为了减小盲区，需要增大接收视场，这会使大量其他角度的杂光进入接收镜头11，测量结果不能准确表示远距离传输的前向展宽。因此，本技术实施例在待测脉冲激光器21的输出端设置有一准直镜头22，接收镜头11采用窄视场镜头，以避免杂光干扰；待测脉冲激光器21的输出端利用准直镜头22将激光光束进行准直，采用窄视场镜头直接对准接收脉冲激光的前向传输光，实现了待测激光光束的完全接收，同时极大地避免了杂光干扰，使测量得到的展宽更准确。
56.具体的，分析处理单元16具体为计算机设备，数据采集板15通过水密电缆通信连接分析处理单元16。计算机设备可以包括处理器以及存储有计算机程序指令的存储器。具体地，上述处理器可以包括中央处理器(cpu)，或者特定集成电路(application specific integrated circuit，简称为asic)，或者可以被配置成实施本技术实施例的一个或多个集成电路。其中，存储器可以包括用于数据或指令的大容量存储器。存储器可以用来存储或者缓存需要处理和/或通信使用的各种数据文件，以及处理器所执行的可能的计算机程序指令。处理器通过读取并执行存储器中存储的计算机程序指令，以实现上述实施例中的任意一种脉冲展宽计算方法。
57.基于如上结构，本技术采用高速光电探测器13(pmt或apd)结合数据采集板15进行激光光束的信号采集，通过高速光电探测器13实现光电转换后，经前置放大电路14进行放大后由数据采集板15进行高速采集，最后通过分析处理单元16进行分析精细测量激光脉冲信号经过一定距离海水后的激光脉冲电信号，从而通过与在空气中的空气激光脉冲电信号及空气环境的脉冲宽度进行比对，获得时域展宽。
58.基于上述实施例及优选实施方式的水下激光脉冲时域展宽测量系统，本技术实施例还提供了一种水下激光脉冲时域展宽测量方法，已经进行过说明的不再赘述。图3是根据本技术实施例的水下激光脉冲时域展宽测量方法的流程图，如图3所示，该流程包括如下步骤：
59.空气环境激光脉冲宽度获取步骤s1，在空气环境下沿待测脉冲激光器21的光轴方向装设调试测量系统并发射输出激光光束，通过测量系统采集并计算得到在空气环境下传
输的激光脉冲电信号w0及其脉冲宽度w
01
、w
02
、
……
、w
0n
；其中，空气环境激光脉冲宽度获取步骤s1还包括：
60.衰减片调试步骤s101，通过逐级降低衰减倍数的方式调节可调衰减片123，当激光脉冲信号饱和后，将衰减倍数调至使激光脉冲信号强度为饱和强度的90％～95％并固定可调衰减片123。具体的，可调衰减片123可以通过步进衰减圆盘进行调节，也可以是采用其他电动调节方式。需要说明的是，该衰减倍数亦为水下环境激光脉冲宽度获取步骤的衰减倍数，保证空气、水下同样衰减倍数测量，避免衰减片造成的误差影响。
61.水下环境激光脉冲宽度获取步骤s2，将所述待测脉冲激光器及所述测量系统移动至水下环境，通过所述测量系统采集并计算在水下环境传输的激光脉冲电信号w1及其脉冲宽度w
11
、w
12
……
、w
1n
；
62.激光脉冲时域展宽获取步骤s3，基于脉冲展宽计算方法对脉冲宽度w
01
、w
02
、
……
、w
0n
及脉冲宽度w
11
、w
12
……
、w
1n
进行计算，得到时域展宽。
63.下面通过示例对本技术实施例的脉冲展宽计算方法进行描述和说明。
64.以半波宽为例，在空气中测量n次的脉冲宽度为w
01
、w
02
、
……
、w
0n
，在水下同样测量n次的脉冲宽度为w
11
、w
12
……
、w
1n
。
65.若采用平均值脉冲展宽计算方法，则脉冲展宽可基于如下计算模型计算得到：
[0066][0067]
其中，为脉冲宽度w
11
、w
12
……
、w
1n
的平均值，为脉冲宽度w
01
、w
02
、
……
、w
0n
的平均值。
[0068]
若采用均方根脉冲展宽计算方法，则脉冲展宽可基于如下计算模型计算得到：
[0069]
δw＝w
1rms-w
0rms
[0070]
其中，w
1rms
为脉冲宽度w
11
、w
12
……
、w
1n
的均方根值，w
0rms
为脉冲宽度w
01
、w
02
、
……
、w
0n
的均方根值。
[0071]
通过上述步骤，本技术实施例可基于测量系统获取的空气环境的脉冲宽度及空气环境的脉冲宽度直接获取时域展宽，相较于现有通过成像方式测量，响应速度更快，有效解决了脉冲波形准确测量、定量分析等困难，并解决了后向散射存在的干扰因素，提高了波形分析的准确性。
[0072]
需要说明的是，在上述流程中或者附图的流程图中示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
[0073]
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
[0074]
以上所述实施例仅表达了本技术的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。因此，本技术专利的保护范围应以所附权利要求为准。