李坤 楊蘇輝 廖英琦 林學(xué)彤王欣 張金英 李卓

1) (北京理工大學(xué)光電學(xué)院, 北京 100081)

2) (精密光電測(cè)試儀器及技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100081)

3) (昆明物理研究所, 昆明 650223)

1 引 言

水下激光雷達(dá)具有空間分辨率高、速度快、效率高和體積小等優(yōu)點(diǎn), 可以應(yīng)用于艦載、機(jī)載, 在海洋資源勘探、近海地形測(cè)繪、水下目標(biāo)搜尋等領(lǐng)域具有突出的優(yōu)勢(shì)[1-4].水對(duì)激光的吸收和散射是水下激光雷達(dá)面臨的重要挑戰(zhàn)[5].吸收會(huì)引起探測(cè)信號(hào)的衰減, 限制探測(cè)距離; 散射除了引起信號(hào)衰減外, 還會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)烈的噪聲, 甚至淹沒目標(biāo)信號(hào).藍(lán)綠光波段是水體的透光窗口[6], 選擇藍(lán)綠光作為工作波長可以有效地減少水對(duì)探測(cè)光的吸收.載波調(diào)制技術(shù)是抑制水體后向散射的一種重要方法[7-9].載波調(diào)制激光雷達(dá)是將激光雷達(dá)和微波雷達(dá)相結(jié)合, 以射頻強(qiáng)度調(diào)制激光為探測(cè)波, 具有較高的空間分辨率和抗湍流干擾能力.載波調(diào)制激光雷達(dá)適用于近距離高精度的探測(cè), 采用調(diào)制信號(hào)作為探測(cè)波, 通過提高調(diào)制信號(hào)的帶寬可以獲得更高的距離分辨率.將發(fā)射波光強(qiáng)進(jìn)行高頻調(diào)制, 目標(biāo)反射的光子可以保持其強(qiáng)度調(diào)制信息, 而在發(fā)射源與目標(biāo)之間由不同距離處水體散射的光子之間會(huì)產(chǎn)生干涉相消, 導(dǎo)致高頻調(diào)制信號(hào)消失[10].

2011 年, 電子科技大學(xué)張洪敏等[11]對(duì)載波調(diào)制激光雷達(dá)水下目標(biāo)探測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真, 仿真表明載波調(diào)制激光雷達(dá)技術(shù)對(duì)深海目標(biāo)探測(cè)結(jié)果有明顯改善, 海水參數(shù)和調(diào)制參數(shù)對(duì)探測(cè)性能有較大影響.2014 年, Illig 等[12]采用直接調(diào)制的方式, 獲得了50 mW 的442 nm 調(diào)制激光, 調(diào)制頻率50—550 MHz.采用該激光源搭建水下目標(biāo)探測(cè)系統(tǒng),采用光電倍增管作為探測(cè)器, 利用頻域反射法獲得了10.2 個(gè)衰減長度的精確測(cè)量, 然后利用盲信號(hào)分離技術(shù), 將探測(cè)距離提高到了14.7 個(gè)衰減長度.2016 年, 太原理工大學(xué)張明濤等[13]采用混沌調(diào)制激光雷達(dá)進(jìn)行水下測(cè)距, 在1.5 m 長的水箱中實(shí)現(xiàn)了最大1.36 m 的探測(cè)距離, 平均測(cè)距誤差為2.3 cm.2020 年, 北京空間機(jī)電研究所的沈振民等對(duì)混沌脈沖激光雷達(dá)和相干雙頻脈沖激光雷達(dá)進(jìn)行了理論分析, 分別在清水和濁水中測(cè)量了水箱中51 cm 位置處的反射鏡距離, 測(cè)距結(jié)果分別為54.5 和59.0 cm[14].強(qiáng)度調(diào)制綠光激光是水下載波調(diào)制激光雷達(dá)的光源, 目前用于激光水下探測(cè)的啁啾強(qiáng)度調(diào)制光源多為幾十毫瓦量級(jí), 功率較低.由于水對(duì)激光的衰減, 激光水下探測(cè)回波信號(hào)十分微弱, 給信號(hào)的采集和處理帶來了難度.

本文采用馬赫曾德爾電光調(diào)制器對(duì)單頻1064 nm 激光進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制, 經(jīng)過光纖功率放大器后倍頻, 獲得了2.56 W 的強(qiáng)度調(diào)制綠光, 調(diào)制范圍10 MHz—2.1 GHz.調(diào)制頻率為100 MHz 時(shí),調(diào)制深度為0.91, 調(diào)制頻率為300 MHz 時(shí)頻率誤差約為1.2 Hz@5 min.利用設(shè)計(jì)的激光器作為探測(cè)源, 高速硅探測(cè)器作為接收器, 搭建水下目標(biāo)探測(cè)系統(tǒng).通過在3 m 長的水箱中添加氫氧化鎂(Mg(OH)2)粉末來改變水體的衰減系數(shù), 采用PIN探測(cè)器實(shí)現(xiàn)了距離為4.3 個(gè)衰減長度目標(biāo)的探測(cè),測(cè)距誤差約12 cm.由激光雷達(dá)方程知, 傳輸距離的平方與回波信號(hào)的功率成反比, PIN 探測(cè)器和光電倍增管的噪聲等效功率分別約為20 pW/Hz1/2和0.01 pW/Hz1/2, 原則上采用光電倍增管作為探測(cè)器探測(cè)距離可以提高45 倍.

2 實(shí)驗(yàn)原理

2.1 相位測(cè)距原理

相位法測(cè)距是將調(diào)制信號(hào)加載到激光上, 通過測(cè)量發(fā)射激光的調(diào)制信號(hào)和回波激光的調(diào)制信號(hào)之間的相位差來獲得測(cè)量目標(biāo)的距離信息[15].

發(fā)射激光的調(diào)制信號(hào)為

式中,I1表示發(fā)射激光的調(diào)制信號(hào)強(qiáng)度;A1表示發(fā)射激光的調(diào)制信號(hào)幅值;f為調(diào)制信號(hào)頻率;t1,φ1分別表示發(fā)射激光調(diào)制信號(hào)的初始時(shí)間和相位.

接收到的回波激光的調(diào)制信號(hào)為

式中,I2表示回波激光的調(diào)制信號(hào)強(qiáng)度;A2表示回波激光的調(diào)制信號(hào)幅值;t2,φ2分別表示回波激光調(diào)制信號(hào)的時(shí)間和相位.

接收端和發(fā)射端之間的相位偏移為

激光接收端和發(fā)射端之間的時(shí)間差為

目標(biāo)的距離為

式中,v為發(fā)射激光在水中的傳播速度;N表示回波信號(hào)和發(fā)射信號(hào)之間相差的完整的波長數(shù).回波信號(hào)和發(fā)射信號(hào)之間的相位差只能計(jì)算出來單個(gè)周期的相位差.λ/(2n) 為相位測(cè)距法的測(cè)尺長度;λ為調(diào)制信號(hào)波長;n為發(fā)射激光在水中的折射率.當(dāng)測(cè)量距離大于測(cè)尺長度的時(shí)候, 測(cè)距結(jié)果需要加上完整的波長個(gè)數(shù)N.

對(duì)于相位法測(cè)距, 最大測(cè)量距離即為測(cè)尺長度, 因此采用單一測(cè)尺測(cè)距, 測(cè)量長度會(huì)有很大的局限性.如果需要增大測(cè)量距離, 只能降低調(diào)制頻率, 為了提高測(cè)量精度, 需要增大調(diào)制頻率.單個(gè)調(diào)制頻率相位測(cè)距, 測(cè)量長度和測(cè)量精度無法同時(shí)滿足, 因此通常采用多測(cè)尺法進(jìn)行測(cè)量[16-18].分散的多測(cè)尺法是根據(jù)測(cè)量距離選擇一個(gè)較低的調(diào)制頻率, 保證測(cè)尺的長度, 然后采用較高的調(diào)制頻率提高測(cè)量精度.根據(jù)低頻調(diào)制可以確定高頻調(diào)制的相位延時(shí)的完整波長數(shù)N.隨著測(cè)量頻率的提高,測(cè)尺長度減小, 測(cè)量精度提高, 因此可以采用一組低頻到高頻的調(diào)制頻率作為探測(cè)信號(hào), 既可以測(cè)量較遠(yuǎn)的距離, 也可以保證測(cè)量精度.集中的測(cè)尺法是采用兩個(gè)集中的高頻調(diào)制進(jìn)行探測(cè), 頻率之間的差值作為測(cè)尺, 較高的調(diào)制頻率保證測(cè)量精度, 也可以被稱為雙頻測(cè)距[19].

2.2 相關(guān)運(yùn)算原理

載波調(diào)制激光雷達(dá)技術(shù)是利用目標(biāo)及水體散射對(duì)調(diào)制信號(hào)不同的響應(yīng)將信號(hào)與散射噪聲分離,提高信噪比.強(qiáng)度調(diào)制激光在水中傳輸時(shí), 由目標(biāo)直接反射的光子可以保持其強(qiáng)度調(diào)制信息, 而散射光子由于傳輸路徑復(fù)雜, 不同距離的散射光相互疊加導(dǎo)致高頻調(diào)制信號(hào)的消失.通過測(cè)量回波信號(hào)的相位延時(shí)可以得到目標(biāo)的距離, 而相位測(cè)量的精度直接決定測(cè)距精度.相關(guān)運(yùn)算法是利用相關(guān)函數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析的方法.發(fā)射激光和接收激光的調(diào)制頻率相同而具有相關(guān)性, 從而可以利用相關(guān)運(yùn)算實(shí)現(xiàn)相位差的測(cè)量.由于噪聲信號(hào)與接收信號(hào)頻率不同不具有相關(guān)性, 相關(guān)運(yùn)算可以消除系統(tǒng)的隨機(jī)噪聲而提高信噪比[20].

發(fā)射信號(hào)和接收信號(hào)的相關(guān)函數(shù)可以定義為[21]

式中,x(t) 表示發(fā)射信號(hào);y(t-τ) 表示回波信號(hào);Rxy(τ)為互相關(guān)函數(shù).由于發(fā)射信號(hào)和回波信號(hào)的頻率相同, 只有一個(gè)固定的相位差, 則Rxy(τ) 函數(shù)會(huì)有一個(gè)峰值出現(xiàn).利用互相關(guān)函數(shù)檢測(cè)信號(hào)通常在信號(hào)已知的條件下進(jìn)行, 將已知的波形和采集的波形在固定長度內(nèi)進(jìn)行相關(guān)運(yùn) 算, 當(dāng)τ=τ0時(shí),x(t) 和y(t) 中 的 信 號(hào) 部 分 重 合,Rxy(τ) 有 最 大 值,此時(shí)τ0即為兩個(gè)信號(hào)之間的時(shí)間差, 進(jìn)而可以得到探測(cè)距離:

3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1 所示, 532 nm 強(qiáng)度調(diào)制激光經(jīng)過準(zhǔn)直后入射到3 m 長的水箱中, 準(zhǔn)直光束直徑約1 mm, 發(fā)散角約0.5 mrad.水中目標(biāo)為反射率約0.8 的玻璃板, 反射信號(hào)被直徑1 in (1 in=2.54 cm)、焦距50 mm 的透鏡接收后聚焦到高速PIN 探測(cè)器上.探測(cè)器接收的回波信號(hào)和射頻源發(fā)射的參考信號(hào)輸入到示波器中.

圖1 激光水下探測(cè)系統(tǒng)Fig.1.Experimental setup of underwater ranging.

將回波信號(hào)和參考信號(hào)做相關(guān)運(yùn)算, 可以得到回波信號(hào)的延時(shí)時(shí)間, 進(jìn)而得到目標(biāo)的距離.發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)是分離的, 間距約為6 cm, 而且視場重疊較小, 因此接收系統(tǒng)接收到的回波信號(hào)中后向散射信號(hào)較少, 目標(biāo)信號(hào)的信噪比較高, 容易實(shí)現(xiàn)渾濁水體中目標(biāo)的探測(cè).

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 水的衰減系數(shù)測(cè)量

光在水中的衰減遵循比爾-朗伯定律, 將水箱中的目標(biāo)放置在x1和x2處, 則回波的強(qiáng)度分別為

式中,I0為入射光的光強(qiáng);α為水箱入射窗口的透過率;β為目標(biāo)的反射率; 則水的衰減系數(shù)c為

因此, 確定x1和x2之間的距離和兩個(gè)位置處的回波信號(hào)功率即可得到水的衰減系數(shù).

Mg(OH)2粉末難溶于水, 通過在水中添加Mg(OH)2粉末可以改變水的衰減系數(shù), 從而可以在不同的水體中測(cè)量目標(biāo)的距離.把水箱入射窗口的內(nèi)表面作為距離零點(diǎn), 不同水的衰減系數(shù)測(cè)量結(jié)果如表1 所示.由于實(shí)驗(yàn)室的自來水使用頻率不高, 在水箱中呈黃綠色, 樣本1 為實(shí)驗(yàn)室的自來水靜置24 h 以上的水體.采用源恒通(WGZ-400AS)濁度計(jì), 量程0—400 NTU, 精度0.1 NTU, 靜置前測(cè)量三次的平均濁度為11.3 NTU, 靜置后測(cè)量三次的平均濁度為11.2 NTU, 水體比較穩(wěn)定.在樣本1 水體中分別測(cè)量0, 0.5, 1.0 和1.5 m 處回波激光的功率, 以0 m 處為基準(zhǔn)計(jì)算不同距離水的衰減系數(shù)分別為0.98, 0.99 和1.00 m—1, 平均衰減系數(shù)為0.99 m—1.

在樣本1 中添加Mg(OH)2粉末, 打開水箱中的循環(huán)泵, 使Mg(OH)2粉末在水中充分?jǐn)U散, 再次測(cè)量不同距離處水的衰減系數(shù).當(dāng)添加Mg(OH)2顆粒較多, 水的衰減系數(shù)較大時(shí), 目標(biāo)距離較遠(yuǎn)的回波信號(hào)功率較低, 測(cè)量誤差較大, 因此在較近的距離內(nèi)測(cè)量回波激光的功率.由于水箱中循環(huán)水泵的作用, 水中懸浮的Mg(OH)2顆粒充分均勻, 認(rèn)為水箱中各處的衰減系數(shù)一致.4 個(gè)水體樣本的平均衰減系數(shù)分別為0.99, 1.72, 2.97 和4.03 m—1,單位衰減長度對(duì)應(yīng)的距離分別為1.01, 0.58, 0.34和0.25 m.

表1 不同水體的衰減系數(shù)Table 1.Attenuation coefficient of different water.

4.2 相位法水下目標(biāo)距離測(cè)量

采用示波器采集調(diào)制信號(hào)和回波信號(hào)的波形,同時(shí)對(duì)兩個(gè)通道進(jìn)行數(shù)據(jù)采集.把水箱入射窗口的內(nèi)表面作為距離零點(diǎn), 水的衰減系數(shù)為0.99 m—1,激光的調(diào)制頻率為50 MHz 時(shí), 回波信號(hào)和參考信號(hào)的波形如圖2(a)所示, 將回波信號(hào)和參考信號(hào)做相關(guān)運(yùn)算, 結(jié)果如圖2(b)所示, 峰值對(duì)應(yīng)時(shí)間為—0.48 ns.把目標(biāo)移動(dòng)到水中0.5 m 的位置, 回波信號(hào)和參考信號(hào)的波形如圖2(c)所示, 將回波信號(hào)和參考信號(hào)做相關(guān)運(yùn)算, 結(jié)果如圖2(d)所示, 峰值對(duì)應(yīng)時(shí)間為4.158 ns.水的折射率為1.333@532 nm,調(diào)制頻率為50 MHz, 在水中的測(cè)尺長度為2.251 m.0.5 m 的距離在一個(gè)測(cè)尺之內(nèi), 則兩個(gè)位置之間的延時(shí)時(shí)間為4.638 ns, 距離為0.522 m, 測(cè)距誤差為2.2 cm.目標(biāo)距離的標(biāo)定為固定在水箱上精度為1 mm 卷尺的測(cè)量結(jié)果, 因此測(cè)量誤差為激光測(cè)距和卷尺測(cè)距之間的差值.

圖2 回波信號(hào)和參考信號(hào)的波形及相關(guān)運(yùn)算結(jié)果 (a), (c) 0 和0.5 m 處的波形; (b), (d) 0 和0.5 m 處的相關(guān)結(jié)果Fig.2.Waveform of echo signal and reference signal, results of correlation calculation: (a), (c) Waveform at 0 and 0.5 m;(b), (d) results of correlation calculation at 0 and 0.5 m.

水的衰減系數(shù)為0.99 m—1, 分別把目標(biāo)放置在0.5, 1.0, 1.5, 2.0 和2.5 m 的位置, 采用相位法測(cè)距, 每個(gè)位置采集五組數(shù)據(jù), 不同調(diào)制頻率下的測(cè)距結(jié)果如圖3 所示.調(diào)制頻率分別為50, 100, 200,300, 400 和500 MHz, 在水中對(duì)應(yīng)的測(cè)尺長度約為2.251, 1.125, 0.563, 0.375, 0.281 和0.225 m.調(diào)制頻率為50 MHz 的測(cè)尺基本可以覆蓋水箱中的測(cè)量距離, 2.5 m 位置處的測(cè)量結(jié)果需要補(bǔ)全一個(gè)測(cè)尺長度.調(diào)制頻率增大, 測(cè)尺減小, 測(cè)尺長度小于測(cè)量長度時(shí)可以根據(jù)調(diào)制頻率為50 MHz 的測(cè)距結(jié)果補(bǔ)全相應(yīng)倍數(shù)的測(cè)尺長度.圖3(f)為不同距離不同調(diào)制頻率的測(cè)距誤差, 隨著測(cè)量距離的增大, 測(cè)量誤差增大, 最高達(dá)到了7.45 cm.同一距離, 調(diào)制頻率越高, 測(cè)距誤差越小.

水的衰減系數(shù)為1.72 m—1, 調(diào)制頻率分別為50, 100, 200, 300, 400 和500 MHz, 采用相位法測(cè)量不同位置的距離, 測(cè)距結(jié)果如圖4(a)—(e)所示.當(dāng)測(cè)量距離較近時(shí)同一調(diào)制頻率同一目標(biāo)的多次測(cè)量結(jié)果一致性較好.如圖4(e)所示, 多次測(cè)量結(jié)果比較分散, 與圖3(e)相比, 水的渾濁度提高, 測(cè)距結(jié)果波動(dòng)增大; 與圖4(a)—(d)相比, 測(cè)量距離增大, 測(cè)距結(jié)果波動(dòng)增大.圖4(f)表明了不同距離不同調(diào)制頻率的測(cè)距結(jié)果, 隨著測(cè)量距離的增大,測(cè)量誤差也增大, 最高達(dá)到了約12 cm.由于水的渾濁度增加, 測(cè)距誤差整體增大.目標(biāo)距離為2.5 m 時(shí), 調(diào)制頻率為500 MHz 的測(cè)距誤差明顯小于低頻調(diào)制時(shí)的測(cè)距誤差, 調(diào)制頻率越高, 測(cè)距精度越高.

圖3 不同距離的測(cè)距結(jié)果及誤差(c = 0.99 m—1) (a) 0.5 m; (b) 1.0 m; (c) 1.5 m; (d) 2.0 m; (e) 2.5 m; (f) 測(cè)距誤差Fig.3.Ranging results and errors at different distances (c = 0.99 m—1): (a) 0.5 m; (b) 1.0 m; (c) 1.5 m; (d) 2.0 m; (e) 2.5 m; (f) ranging error.

圖4 不同距離的測(cè)距結(jié)果及誤差 (c = 1.72 m—1) (a) 0.5 m; (b) 1.0 m; (c) 1.5 m; (d) 2.0 m; (e) 2.5 m; (f) 測(cè)距誤差Fig.4.Ranging results and errors at different distances (c = 1.72 m—1): (a) 0.5 m; (b) 1.0 m; (c) 1.5 m; (d) 2.0 m; (e) 2.5 m; (f) ranging error.

相位測(cè)距的整體測(cè)量結(jié)果如圖5 所示, 目標(biāo)最大距離為4.3 個(gè)衰減長度 (a.l.)時(shí), 測(cè)距結(jié)果約為4.5 個(gè)衰減長度.隨著測(cè)量距離的增加, 測(cè)距誤差增大, 測(cè)量結(jié)果向遠(yuǎn)處偏移.水的渾濁度增加, 探測(cè)距離增大, 探測(cè)系統(tǒng)接收到的噪聲信號(hào)越多, 信噪比降低, 從而導(dǎo)致了測(cè)距誤差增大.通過在接收端加一個(gè)以調(diào)制頻率為中心的窄帶濾波器可以進(jìn)一步分離散射信號(hào), 提高信噪比.探測(cè)源的調(diào)制頻率為10.0 MHz—2.1 GHz, 因此通過繼續(xù)提高探測(cè)激光的調(diào)制頻率可以進(jìn)一步提高測(cè)量精度, 實(shí)現(xiàn)近距離內(nèi)高精度的測(cè)量.

圖5 相位法測(cè)距結(jié)果Fig.5.Ranging results based on phase.

5 結(jié) 論

載波調(diào)制激光雷達(dá)可以有效抑制散射和湍流的影響, 本文采用自行研制的532 nm 強(qiáng)度調(diào)制激光源在3 m 長的水箱中搭建激光水下探測(cè)系統(tǒng),測(cè)量了添加不同Mg(OH)2水體的衰減系數(shù).采用相位測(cè)距的方法, 分別在50, 100, 200, 300, 400和500 MHz 的調(diào)制頻率對(duì)不同距離的目標(biāo)測(cè)距.利用相關(guān)運(yùn)算獲得相位延時(shí)時(shí)間, 實(shí)現(xiàn)了4.3 個(gè)衰減長度目標(biāo)的測(cè)量, 測(cè)距誤差約12 cm.探測(cè)距離越遠(yuǎn), 誤差越大, 調(diào)制頻率越高, 測(cè)距精度越高.水的衰減系數(shù)大, 目標(biāo)的探測(cè)距離較遠(yuǎn)時(shí), 回波信號(hào)的功率微弱, 會(huì)被淹沒在噪聲中.采用PMT 作為接收器, 可以實(shí)現(xiàn)微弱信號(hào)的探測(cè), 提高測(cè)量距離.采用高頻的數(shù)據(jù)采集卡采集數(shù)據(jù), 提高探測(cè)信號(hào)的調(diào)制頻率, 可以進(jìn)一步提高測(cè)量精度.