[发明专利]一种基于门控单光子相机的激光水下目标探测系统

说明书

本发明专利提供了一种基于门控单光子相机的激光水下目标探测系统，主要包括高重频纳秒脉冲激光器、激光扩束器、带通滤光片、成像镜头、单光子相机、计算机等。本发明采用高重频脉冲激光作为主动照明光源，具有激光方向性好、空间分辨率高、定位精度高、响应快速的优势；采用具有单光子探测能力的单光子相机采集信号，具有探测灵敏度高、“零噪声”、采集信号信噪比高的优势；采用高重频脉冲激光和多脉冲叠加的距离选通模式，目标成像噪声低；且系统体积小、功耗低、重量轻。因此，可应用于海底矿石勘测、水下目标搜寻等，亦可在水下目标预警、水下侦查等军事应用中发挥重要作用。

技术领域

本发明专利涉及水下目标探测技术领域，尤其涉及一种基于门控单光子相机的激光水下目标探测系统。

背景技术

海洋富含海洋生物、海底矿产、海水化学等资源，是人类赖以发展的资源宝库。水下信息的获取是水下资源勘测、水下空间战争胜利的关键。因此水下目标探测系统的重要性可想而知。但是，现在常规的水下目标探测系统在应用上都存在一定缺陷：声纳探测系统，水声信号干扰大、损耗高、不稳定，分辨率较低难以识别水雷、渔网等小目标，且对近距离目标探测存在一定盲区；而微波探测技术，受海流和风速影响较大。

自上世纪60年代，科学家发现海水中存在470-580nm的大气透过窗口后，激光水下探测技术快速发展。目前激光水下探测技术，大多基于距离选通原理，照明光源采用高能量低重频纳秒脉冲激光器，探测器采用门控型ICCD。但高能量低重频纳秒脉冲激光器的体积大、功耗大、质量重，严重限制了机载、星载以及便携性式应用；ICCD的探测灵敏度一般在十几个光子，但读出噪声较大，对弱信号成像的信噪比差。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出了一种基于门控单光子相机的激光水下目标探测系统，其基于高重频脉冲激光和具有单光子探测能力的单光子相机，采用高重频脉冲激光和多脉冲叠加的距离选通模式，具有目标成像噪声低，系统体积小、功耗低、重量轻的优势。

本发明所述的一种基于门控单光子相机的激光水下目标探测系统，主要包括高重频纳秒脉冲激光器、激光扩束器、带通滤光片、成像镜头、单光子相机、计算机等。

其中，所述的高重频纳秒脉冲激光器，作为待测水下目标的主动照明光源；所述的激光扩束器，用于对激光扩束，形成均匀照明光源；所述的带通滤光片，用于规避环境背景光干扰；所述的成像镜头，用于对待测水下目标信号收集、成像；所述的门控单光子相机，用于回波信号的增益放大及选通控制，并对信号进行有效探测。

本发明所述的一种基于门控单光子相机的激光水下目标探测系统，具有如下有益效果：采用高重频脉冲激光具有激光主动照明探测，激光方向性好、空间分辨率高、定位精度高、响应快速的优势，采用具有单光子探测能力的单光子相机，具有探测灵敏度高、“零噪声”、采集信号信噪比高的优势；采用高重频脉冲激光和多脉冲叠加的距离选通模式，目标成像噪声低；高重频脉冲激光器可实现器件小型化，水下探测系统体积小、功耗低、重量轻。

附图说明

图1是一种基于门控单光子相机的激光水下目标探测系统的整体结构图。

附图标记如下：101-高重频纳秒脉冲激光器，102-激光扩束器，103-水下目标，104-带通滤光片，105-成像镜头，106-门控单光子相机，107-计算机。其中门控单光子相机106主要由光阴极、双层MCP、荧光屏、中继镜头、探测器、门控模块、增益模块、时序模块等组成。

图2是一种基于门控单光子相机的激光水下目标探测系统的多脉冲累加距离选通时序原理图。其中，高重频纳秒脉冲激光信号、目标反射回波信号、单脉冲信号选通工作频率(即门控模块工作频率)相同，带宽分别为ΔT₂、ΔT₂、ΔT₃；探测器工作频率小于单脉冲信号选通工作频率，ΔT₄>ΔT₃，故探测器单帧曝光情况下会累加多个单脉冲选通信号。