LD基频/倍频多波长激光复合探测/测距系统

LD基频/倍频多波长激光复合探测/测距系统

技术领域

本发明LD基频/倍频多波长激光复合探测/测距系统属于半导体激光技术应用领域，是一种适用于机载/水下的双通道激光探测/测距复合系统。

背景技术

水下无人航行器与深潜器是当今执行水下探测、目标侦察和工程施工的主要平台，而水上无人机则是替代有人机实施海面大区域普查，浅海水下状态勘察及海上救援监控的主力，鉴于上述平台的特点均为载体小、自重轻、供电能力有限，所以需要结构紧凑、耗电功率低和特别符合水下应用波段的激光探测/测距系统。

本发明是在分析了此前国内外水面/水下激光测距/探测技术存在的下述弱点基础上提出的，如

1、目前国内外适合水下工作的532nm激光，多为由1064nm的固体脉冲激光器二倍频而得到的，因电光转换效率低、激光器规模难压缩，故较难适合小载荷平台；

2、传统机载激光系统通常以单波束对水面进行激光扫描，较难兼顾扫描范围、搜索速度与测距距离三者需求，若通过增加激光扫描的通道数量，则会增加载机负担；

3、根据对现有海底几种典型材质的光波反射率调研结果可知，对水下泥、砂或植被实施激光探测的最佳波长为460nm和560nm，虽最佳的激光器应为半导体激光器，但该波段的激光器功率不高，价格却很高。

本发明就是为解决上述问题与难题而提出的。

发明内容

本发明的目的是为获得在460-560nm水下透射波段的大功率、高效率、轻巧型激光器，利用915nm和1120nm半导体激光器通过KDP等非线性晶体的二倍频而获得，实现一种适用于机载/水下应用的LD基频/倍频多波长激光复合探测/测距系统。

本发明LD基频/倍频多波长激光复合探测/测距系统是按下述方案实现的。本发明利用对目前技术成熟和功率较高的915nm和1120nm半导体激光器，通过KDP等非线性晶体倍频实现460nm和560nm激光波长的输出；当用于水面机动平台的水下目标激光测距时，令915nm/460nm和1120nm/560nm两对激光分别从两个方向测距，扩大覆盖的水域范围；当用于水下机动平台对海底探测时，令460nm和560nm两支激光波长输出，探测海底介质的属性，为机动平台寻合适着陆点，是一种机载/水下两用的双通道四波长激光探测/测距复合系统。

LD基频/倍频多波长激光复合探测/测距系统由LD915nm激光器、LD1120nm激光器、915nm倍频晶体、1120nm倍频晶体、光学发射系统、激光接收系统和数据综合处理器组成。其中，LD915nm激光器和LD1120nm激光器为半导体脉冲激光器；LD915nm激光器和915nm倍频晶体组成双波长激光输出通道(简称通道1)；LD1120nm激光器和1120nm倍频晶体组 1120nm/560nm双波长激光输出通道(简称通道2)；光学发射系统由对应通道1和通道2的激光发射光学组件、合束/分束扫描器组成；激光接收系统由宽波段接收光学组件和四个高灵敏激光探测器组成，可同时接收通道1、2发射的激光回波信号，并分别由四个带有不同波长滤光片的激光探测器；数据综合处理器跟据所获信息计算给出测距距离、目标反射率及海底材质类型。

当LD基频/倍频多波长激光复合探测/测距系统用于机载水面/水下目标测距时，同时发射915nm/465nm和1120nm/560nm两通道激光。其中，915nm和1120nm两支长波长激光实现载机到水面的测距；465nm和560nm两支水下透射波长实现载机到水下目标的测距。光学发射系统中的合束/分束扫描器将其分别投射到垂直于机载飞行的两个侧面，根据激光发散角和载机的飞行高度，控制两通道激光的扫描范围与速度。

当LD基频/倍频多波长激光复合探测/测距系统用于水下机动平台对水下目标或海底介质进行探测时，同时发射460nm和560nm双波长，由光学发射系统中的合束/分束扫描器将其合束并进行扫描；激光接收系统接收水下反射的460nm和560nm激光回波，与预存在数据综合处理器中的海底砂石、泥土和植物等的激光反射率数据进行比照，给出对海底介质类型的基本判断。

合束/分束扫描器由两个独立微型反射镜片、驱动电路和扫描机构组成，两个独立微型反射镜片在摆动驱动电路的控制下，通过扫描机构分别改变两个镜面各自的倾斜度、摆角范围与摆动速度。两镜片法线方向一致时，通道1与通道2的激光发射方向一致；两镜片法线方向不同时，两通道的激光发射方向与扫描速度各异。合束/分束扫描器控制灵活、实用性好。

附图说明

图1 LD基频/倍频多波长激光复合探测/测距系统总体框图

图2合束/分束扫描器示意图

图3三种典型的水下介质光谱反射率曲线

具体实施方案

本发明LD基频/倍频多波长激光复合探测/测距系统的具体实施方案可分为机载激光测距与水下激光探测两种应用进行描述。LD基频/倍频多波长激光复合探测/测距系统由 LD915nm激光器1、LD1120nm激光器2、915nm倍频晶体3、1120nm倍频晶体4、光学发射系统5、激光接收系统6和数据综合处理器7组成。

其中，LD915nm激光器1和LD1120nm激光器2为半导体脉冲激光器；LD915nm激光器1和915nm倍频晶体3组成双波长激光输出通道(简称通道1)；LD1120nm激光器2和1120nm 倍频晶体4组成1120nm/560nm双波长激光输出通道(简称通道2)；光学发射系统5由对应通道1和通道2的激光发射光学组件、合束/分束扫描器组成；激光接收系统6由宽波段接收光学组件和四个高灵敏激光探测器组成，可同时接收通道1、2发射的激光回波信号，并分别由四个带有不同波长滤光片的激光探测器；数据综合处理器7跟据所获信息计算给出测距距离、目标反射率及海底材质类型。

当LD基频/倍频多波长激光复合探测/测距系统用于机载水面/水下目标测距时，同时发射915nm/465nm和1120nm/560nm两通道激光。其中，915nm和1120nm两支长波长激光实现载机到水面的测距；465nm和560nm两支水下透射波长实现载机到水下目标的测距。光学发射系统5中的合束/分束扫描器将其分别投射到垂直于机载飞行的两个侧面，根据激光发散角和载机的飞行高度，控制两通道激光的扫描范围与速度。

当LD基频/倍频多波长激光复合探测/测距系统用于水下机动平台对水下目标或海底介质进行探测时，同时发射460nm和560nm双波长，由光学发射系统5中的合束/分束扫描器将其合束并进行扫描；激光接收系统6接收水下反射的460nm和560nm激光回波，与预存在数据综合处理器7中的海底砂石、泥土和植物等的激光反射率数据进行比照，给出对海底介质类型的基本判断。

本发明LD基频/倍频多波长激光复合探测/测距系统的优点是：

1、利用现有商品化大功率长波915/1120nmLD激光器作为基础，通过常规二倍频技术，就可直接获得大功率、结构紧凑，且价格适中的460nm和560nm激光输出，为解决水下急需的两波长激光输出到一条有效的解决途径。

2、利用460nm和560nm两波长激光同时对海底介质进行探测，并与数据库中的数据进行综合比较，可大幅提高对水下材质的识别概率。

3、所采用的由两个独立微型反射镜片、驱动电路和扫描机构组成的合束/分束扫描器，可以很方便地改变激光的扫描路数、角度范围与扫描速度，不仅具有路数可扩展性，且扫描机构灵活、实用性强。