強度調制532 nm 激光水下測距*

李坤 楊蘇輝 廖英琦 林學彤王欣 張金英 李卓

1) (北京理工大學光電學院, 北京 100081)

2) (精密光電測試儀器及技術北京市重點實驗室, 北京 100081)

3) (昆明物理研究所, 昆明 650223)

1 引 言

水下激光雷達具有空間分辨率高、速度快、效率高和體積小等優點, 可以應用于艦載、機載, 在海洋資源勘探、近海地形測繪、水下目標搜尋等領域具有突出的優勢[1-4].水對激光的吸收和散射是水下激光雷達面臨的重要挑戰[5].吸收會引起探測信號的衰減, 限制探測距離; 散射除了引起信號衰減外, 還會導致強烈的噪聲, 甚至淹沒目標信號.藍綠光波段是水體的透光窗口[6], 選擇藍綠光作為工作波長可以有效地減少水對探測光的吸收.載波調制技術是抑制水體后向散射的一種重要方法[7-9].載波調制激光雷達是將激光雷達和微波雷達相結合, 以射頻強度調制激光為探測波, 具有較高的空間分辨率和抗湍流干擾能力.載波調制激光雷達適用于近距離高精度的探測, 采用調制信號作為探測波, 通過提高調制信號的帶寬可以獲得更高的距離分辨率.將發射波光強進行高頻調制, 目標反射的光子可以保持其強度調制信息, 而在發射源與目標之間由不同距離處水體散射的光子之間會產生干涉相消, 導致高頻調制信號消失[10].

2011 年, 電子科技大學張洪敏等[11]對載波調制激光雷達水下目標探測系統進行了仿真, 仿真表明載波調制激光雷達技術對深海目標探測結果有明顯改善, 海水參數和調制參數對探測性能有較大影響.2014 年, Illig 等[12]采用直接調制的方式, 獲得了50 mW 的442 nm 調制激光, 調制頻率50—550 MHz.采用該激光源搭建水下目標探測系統,采用光電倍增管作為探測器, 利用頻域反射法獲得了10.2 個衰減長度的精確測量, 然后利用盲信號分離技術, 將探測距離提高到了14.7 個衰減長度.2016 年, 太原理工大學張明濤等[13]采用混沌調制激光雷達進行水下測距, 在1.5 m 長的水箱中實現了最大1.36 m 的探測距離, 平均測距誤差為2.3 cm.2020 年, 北京空間機電研究所的沈振民等對混沌脈沖激光雷達和相干雙頻脈沖激光雷達進行了理論分析, 分別在清水和濁水中測量了水箱中51 cm 位置處的反射鏡距離, 測距結果分別為54.5 和59.0 cm[14].強度調制綠光激光是水下載波調制激光雷達的光源, 目前用于激光水下探測的啁啾強度調制光源多為幾十毫瓦量級, 功率較低.由于水對激光的衰減, 激光水下探測回波信號十分微弱, 給信號的采集和處理帶來了難度.

本文采用馬赫曾德爾電光調制器對單頻1064 nm 激光進行強度調制, 經過光纖功率放大器后倍頻, 獲得了2.56 W 的強度調制綠光, 調制范圍10 MHz—2.1 GHz.調制頻率為100 MHz 時,調制深度為0.91, 調制頻率為300 MHz 時頻率誤差約為1.2 Hz@5 min.利用設計的激光器作為探測源, 高速硅探測器作為接收器, 搭建水下目標探測系統.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, 采用PIN探測器實現了距離為4.3 個衰減長度目標的探測,測距誤差約12 cm.由激光雷達方程知, 傳輸距離的平方與回波信號的功率成反比, PIN 探測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器探測距離可以提高45 倍.

2 實驗原理

2.1 相位測距原理

相位法測距是將調制信號加載到激光上, 通過測量發射激光的調制信號和回波激光的調制信號之間的相位差來獲得測量目標的距離信息[15].

發射激光的調制信號為

式中,I1表示發射激光的調制信號強度;A1表示發射激光的調制信號幅值;f為調制信號頻率;t1,φ1分別表示發射激光調制信號的初始時間和相位.

接收到的回波激光的調制信號為

式中,I2表示回波激光的調制信號強度;A2表示回波激光的調制信號幅值;t2,φ2分別表示回波激光調制信號的時間和相位.

接收端和發射端之間的相位偏移為

激光接收端和發射端之間的時間差為

目標的距離為

式中,v為發射激光在水中的傳播速度;N表示回波信號和發射信號之間相差的完整的波長數.回波信號和發射信號之間的相位差只能計算出來單個周期的相位差.λ/(2n) 為相位測距法的測尺長度;λ為調制信號波長;n為發射激光在水中的折射率.當測量距離大于測尺長度的時候, 測距結果需要加上完整的波長個數N.

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

2.2 相關運算原理

載波調制激光雷達技術是利用目標及水體散射對調制信號不同的響應將信號與散射噪聲分離,提高信噪比.強度調制激光在水中傳輸時, 由目標直接反射的光子可以保持其強度調制信息, 而散射光子由于傳輸路徑復雜, 不同距離的散射光相互疊加導致高頻調制信號的消失.通過測量回波信號的相位延時可以得到目標的距離, 而相位測量的精度直接決定測距精度.相關運算法是利用相關函數進行數據分析的方法.發射激光和接收激光的調制頻率相同而具有相關性, 從而可以利用相關運算實現相位差的測量.由于噪聲信號與接收信號頻率不同不具有相關性, 相關運算可以消除系統的隨機噪聲而提高信噪比[20].

發射信號和接收信號的相關函數可以定義為[21]

式中,x(t) 表示發射信號;y(t-τ) 表示回波信號;Rxy(τ)為互相關函數.由于發射信號和回波信號的頻率相同, 只有一個固定的相位差, 則Rxy(τ) 函數會有一個峰值出現.利用互相關函數檢測信號通常在信號已知的條件下進行, 將已知的波形和采集的波形在固定長度內進行相關運 算, 當τ=τ0時,x(t) 和y(t) 中 的 信 號 部 分 重 合,Rxy(τ) 有 最 大 值,此時τ0即為兩個信號之間的時間差, 進而可以得到探測距離:

3 實驗系統

實驗系統如圖1 所示, 532 nm 強度調制激光經過準直后入射到3 m 長的水箱中, 準直光束直徑約1 mm, 發散角約0.5 mrad.水中目標為反射率約0.8 的玻璃板, 反射信號被直徑1 in (1 in=2.54 cm)、焦距50 mm 的透鏡接收后聚焦到高速PIN 探測器上.探測器接收的回波信號和射頻源發射的參考信號輸入到示波器中.

圖1 激光水下探測系統Fig.1.Experimental setup of underwater ranging.

將回波信號和參考信號做相關運算, 可以得到回波信號的延時時間, 進而得到目標的距離.發射系統和接收系統是分離的, 間距約為6 cm, 而且視場重疊較小, 因此接收系統接收到的回波信號中后向散射信號較少, 目標信號的信噪比較高, 容易實現渾濁水體中目標的探測.

4 實驗結果與分析

4.1 水的衰減系數測量

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

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

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

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, 從而可以在不同的水體中測量目標的距離.把水箱入射窗口的內表面作為距離零點, 不同水的衰減系數測量結果如表1 所示.由于實驗室的自來水使用頻率不高, 在水箱中呈黃綠色, 樣本1 為實驗室的自來水靜置24 h 以上的水體.采用源恒通(WGZ-400AS)濁度計, 量程0—400 NTU, 精度0.1 NTU, 靜置前測量三次的平均濁度為11.3 NTU, 靜置后測量三次的平均濁度為11.2 NTU, 水體比較穩定.在樣本1 水體中分別測量0, 0.5, 1.0 和1.5 m 處回波激光的功率, 以0 m 處為基準計算不同距離水的衰減系數分別為0.98, 0.99 和1.00 m—1, 平均衰減系數為0.99 m—1.

在樣本1 中添加Mg(OH)2粉末, 打開水箱中的循環泵, 使Mg(OH)2粉末在水中充分擴散, 再次測量不同距離處水的衰減系數.當添加Mg(OH)2顆粒較多, 水的衰減系數較大時, 目標距離較遠的回波信號功率較低, 測量誤差較大, 因此在較近的距離內測量回波激光的功率.由于水箱中循環水泵的作用, 水中懸浮的Mg(OH)2顆粒充分均勻, 認為水箱中各處的衰減系數一致.4 個水體樣本的平均衰減系數分別為0.99, 1.72, 2.97 和4.03 m—1,單位衰減長度對應的距離分別為1.01, 0.58, 0.34和0.25 m.

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

4.2 相位法水下目標距離測量

采用示波器采集調制信號和回波信號的波形,同時對兩個通道進行數據采集.把水箱入射窗口的內表面作為距離零點, 水的衰減系數為0.99 m—1,激光的調制頻率為50 MHz 時, 回波信號和參考信號的波形如圖2(a)所示, 將回波信號和參考信號做相關運算, 結果如圖2(b)所示, 峰值對應時間為—0.48 ns.把目標移動到水中0.5 m 的位置, 回波信號和參考信號的波形如圖2(c)所示, 將回波信號和參考信號做相關運算, 結果如圖2(d)所示, 峰值對應時間為4.158 ns.水的折射率為1.333@532 nm,調制頻率為50 MHz, 在水中的測尺長度為2.251 m.0.5 m 的距離在一個測尺之內, 則兩個位置之間的延時時間為4.638 ns, 距離為0.522 m, 測距誤差為2.2 cm.目標距離的標定為固定在水箱上精度為1 mm 卷尺的測量結果, 因此測量誤差為激光測距和卷尺測距之間的差值.

圖2 回波信號和參考信號的波形及相關運算結果 (a), (c) 0 和0.5 m 處的波形; (b), (d) 0 和0.5 m 處的相關結果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.

水的衰減系數為0.99 m—1, 分別把目標放置在0.5, 1.0, 1.5, 2.0 和2.5 m 的位置, 采用相位法測距, 每個位置采集五組數據, 不同調制頻率下的測距結果如圖3 所示.調制頻率分別為50, 100, 200,300, 400 和500 MHz, 在水中對應的測尺長度約為2.251, 1.125, 0.563, 0.375, 0.281 和0.225 m.調制頻率為50 MHz 的測尺基本可以覆蓋水箱中的測量距離, 2.5 m 位置處的測量結果需要補全一個測尺長度.調制頻率增大, 測尺減小, 測尺長度小于測量長度時可以根據調制頻率為50 MHz 的測距結果補全相應倍數的測尺長度.圖3(f)為不同距離不同調制頻率的測距誤差, 隨著測量距離的增大, 測量誤差增大, 最高達到了7.45 cm.同一距離, 調制頻率越高, 測距誤差越小.

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

圖3 不同距離的測距結果及誤差(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 不同距離的測距結果及誤差 (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.

相位測距的整體測量結果如圖5 所示, 目標最大距離為4.3 個衰減長度 (a.l.)時, 測距結果約為4.5 個衰減長度.隨著測量距離的增加, 測距誤差增大, 測量結果向遠處偏移.水的渾濁度增加, 探測距離增大, 探測系統接收到的噪聲信號越多, 信噪比降低, 從而導致了測距誤差增大.通過在接收端加一個以調制頻率為中心的窄帶濾波器可以進一步分離散射信號, 提高信噪比.探測源的調制頻率為10.0 MHz—2.1 GHz, 因此通過繼續提高探測激光的調制頻率可以進一步提高測量精度, 實現近距離內高精度的測量.

圖5 相位法測距結果Fig.5.Ranging results based on phase.

5 結 論

載波調制激光雷達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 強度調制激光源在3 m 長的水箱中搭建激光水下探測系統,測量了添加不同Mg(OH)2水體的衰減系數.采用相位測距的方法, 分別在50, 100, 200, 300, 400和500 MHz 的調制頻率對不同距離的目標測距.利用相關運算獲得相位延時時間, 實現了4.3 個衰減長度目標的測量, 測距誤差約12 cm.探測距離越遠, 誤差越大, 調制頻率越高, 測距精度越高.水的衰減系數大, 目標的探測距離較遠時, 回波信號的功率微弱, 會被淹沒在噪聲中.采用PMT 作為接收器, 可以實現微弱信號的探測, 提高測量距離.采用高頻的數據采集卡采集數據, 提高探測信號的調制頻率, 可以進一步提高測量精度.