一种异步控制消除水下距离选通激光雷达盲区方法

摘要

本发明公开了一种异步控制消除水下距离选通激光雷达盲区方法,包括如下步骤:第一步:测定给定水下距离选通激光雷达系统固有时间延迟；第二步：选定所述水下距离选通激光雷达系统需探测盲区内的目标距离；第三步：计算控制器需设定的延迟时间。本发明可实现对现有水下距离选通激光雷达系统近距离探测盲区内目标的探测，提高了雷达探测性能。

说明书

技术领域

本发明涉及水下光电探测领域，具体地指一种异步控制消除水下距离选通激光雷达盲区方法。

背景技术

在海洋开发技术研究的整个体系中，水下目标探测是不可缺少的一个环节。水下距离选通技术是一种有效的水下光电探测技术，它采用时间标记的方法将目标反射的激光回波从传输介质的后向散射中区分出来，使带有目标信息的激光脉冲回波恰好在选通相机的选通门开启时间内到达相机并被探测。目前，水下距离选通激光雷达通常都采用同步控制方式：由激光脉冲触发信号控制选通相机开门时间，接收带有目标信息的当前激光脉冲回波。由文献《距离选通水下成像系统成像范围的分析与计算》(葛卫龙，华良洪，韩宏伟.《光学与光电技术》，2013年第11卷,第5期，页数41-43)公开的技术可知，由于控制器、选通相机、线缆对于选通门控信号传播的固有延迟以及系统结构上的约束，激光雷达在近距离处存在探测盲区，一般在在10m以内，但通常不会小于5m。对于水下距离选通激光雷达，特别是成像雷达，探测距离通常小于100m，在水质较差时甚至小于20m，而且在实际应用中近距离(小于10m)范围内目标的探测十分重要，因此消除盲区对于水下激光雷达来说格外重要。

发明内容

本发明的目的就是要解决上述背景技术的不足，提供一种异步控制消除水下距离选通激光雷达盲区方法，可实现对现有水下距离选通激光雷达系统近距离探测盲区内目标的探测，提高雷达探测性能。

本发明的技术方案为：一种异步控制消除水下距离选通激光雷达盲区方法,包括如下步骤:

第一步:测定给定水下距离选通激光雷达系统固有时间延迟t₀,即触发脉冲6传输至选通相机4之间的系统固有延迟时间、控制器3信号处理延迟时间、选通相机4快门开启固有延迟时间的总和；

第二步：选定所述水下距离选通激光雷达系统需探测的距离l_A，l_A∈(0,l₀)，其中(0,l₀)为水下距离选通激光雷达系统的探测盲区；

第三步：计算控制器3需设定的延迟时间t_set，

t_set＝T-t₀+t_A，

其中，T为所述触发脉冲6的周期，t_A为处在距离l_A的目标回波返回接收镜头5的延迟时间，可表示为

$t_A=\frac{2n·l_A}{c},$

其中，n为水体折射率，c为光在真空中的传播速度。

本发明的有益效果:与目前基于同步脉冲控制选通相机快门的开启时刻的水下距离选通激光雷达系统相比，采用本发明后，通过采用异步脉冲控制水选通相机快门的开启时刻，可有效克服当前水下距离选通激光雷达系统存在探测盲区问题，提升了水下距离选通激光雷达系统的探测性能。

附图说明

图1为本发明一种水下距离选通激光雷达系统的结构示意图；

图2为本发明一种水下距离选通激光雷达系统一个实施例中水下距离选通成像原理示意图；

图3为本发明一种水下距离选通激光雷达系统一个实施例中同步控制示意图；

图4为本发明一种水下距离选通激光雷达系统一个实施例中异步控制示意图；

图5为本发明一种水下距离选通激光雷达系统一个实施例中目标探测示意图；

图中：1-脉冲激光器，2-发射系统，3-控制器，4-选通相机，5-接收镜头，6-触发信号，7-选通门控制信号，8-激光脉冲，9-目标激光回波信号，10-水下距离选通成像雷达，11-在距离l₁处的反射回波，12-选通成像区域(或称选通切片)，13-在距离l₂处的反射回波，t₁-激光脉冲在距离l₁处的反射回波11到达水下距离选通成像雷达10的时刻，t₂-激光脉冲在距离l₂处的反射回波12到达水下距离选通成像雷达10的时刻,14-探测盲区,15-距离为l_A的选通切片,16-距离为l_B的选通切片。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

本实施例所公开一种异步控制消除水下距离选通激光雷达盲区方法，参考图1所示，所述水下距离选通激光雷达包括依次相连的发射系统2、脉冲激光器1、控制器3、选通相机4和接收镜头5。所述脉冲激光器1发射激光脉冲8经由所述发射系统2放大发射出去。所述控制器3以耦合所述脉冲激光器1产生的激光脉冲8作为触发信号6，并以其上升沿为基准，根据设定延迟时间向所述选通相机4发送选通门控信号7；所述接收镜头5用于接收目标激光回波信号9，并送给所述选通相机4，在所述选通门控信号7控制下所述选通相机完成成像过程。

请进一步参考图2，水下距离选通激光雷达成像原理示意图。由于水体的后向散射作用，所述激光脉冲8在传播过程中，不论是遇到水体还是遇到目标都会产生所述目标激光回波信号9。假设所述激光脉冲触发信号上升沿时刻为t＝0，发出脉冲在距离l₁处的反射回波11到达水下距离选通成像雷达10时t＝t₁，所述选通相机4在所述门控制信号7控制下开门；距离为l₂处的反射回波13达到水下距离选通成像雷达10时t＝t₂，所述选通相机4在所述门控制信号7控制下关门。通过所述选通相机4开关门时间的控制能够实现(l₁,l₂)区域的选通成像。

请进一步参考图3，为本发明一个实施例中同步控制示意图。脉冲触发信号6周期为T。由于线缆信号传输、控制器信号处理、选通相机4快门开门延迟等因素影响，脉冲触发信号6和选通相机4快门开门时刻之间存在固有延迟t₀。当系统采用同步控制方式时，由当前发射的激光脉冲8耦合而获得的脉冲触发信号6，通过控制器进行时间延迟来控制选通相机4快门开门时间，从而接收带有目标信息的当前激光脉冲回波9。假设脉冲触发信号6上升沿时刻为t＝0，固有延迟t₀，且选通相机开门时刻t_delay满足

t_delay＝t₀+t_set

式中，t_set为控制器设定的时间延迟。系统选通探测距离l_s满足

式中，c为光在真空中的传播速度，n为水体折射率，l₀为系统探测盲区。

同步控制模式下，距离选通激光雷达无法接收t₀之前返回的激光脉冲回波9，也就是说在探测(0,l₀)范围内，距离为l＝l_A附近选通切片15内的目标系统无法正常探测，即雷达系统存在探测盲区14。当目标处于探测盲区范围外l＝l_B附近选通切片16时，可通过控制器设定延迟为

$t_{set}=\frac{2n(l_B-l_0)}{c}$

则通过由当前发射的激光脉冲8耦合而获得的脉冲触发信号6，按照控制器延迟t_set时间，产生选通门控制信号7，即在t_B时刻选通相机4开启快门成像，雷达系统即可对距离l_s＝l_B目标完成成像，从而实现对目标的探测。

请进一步参考图4，为本发明一个实施例中异步控制示意图。当采用异步控制方式时，由所述脉冲激光器1当前发射的激光脉冲8耦合获得的触发信号6，通过所述控制器3进行合适的时间延迟，使得产生的选通门控制信号7开启所述选通相机4的快门，可实现对由所述脉冲激光器1发射的下一脉冲周期的激光脉冲8经目标反射后产生的目标激光回波信号的接收，从而可实现对雷达探测盲区14内选通切片15中目标的探测。为了探测盲区14范围内l＝l_A附近选通切片15中的目标，可以将控制器设定延迟设定为

$t_{set}=T-t_0+\frac{2{\mathrm{nl}}_A}{c}=T-t_0+t_A$

激光器脉冲频率稳定度误差将导致不同激光脉冲之间的时域抖动，选通相机开门时刻t_delay为

t_delay＝t₀+t_set＝T+Δt+t_A

式中，Δt为激光脉冲时域抖动误差。系统选通探测距离为

$l_s=\frac{c(T+\Delta t+t_A)}{2n}=l_T+\Delta l+l_A=\Delta l+l_A$

式中，Δl是由激光脉冲抖动Δt造成的探测距离误差，由于当前激光脉冲8的目标激光回波信号在下一个周期的激光脉冲8发射之前，已经由选通相机4接收完毕，因此l_T＝0。因此，当激光脉冲时域抖动误差很小时，即便当目标处于探测盲区14范围内l＝l_A附近选通切片15时，在水下距离选通体制下，采用异步控制方式仍可通过延迟时间为T+t_A的选通门控制信号7实现对选通相机4的选通快门开启控制，实现对探测盲区内目标的探测。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。