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专利名称：水下金属物探测方法及其装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及物理探测金属物技术，特别涉及一种探测水下金属物的方法及装置。
背景技术：
现有的用于水下物体的探测方法包括声纳、红外等都难以实施空中对水下金属物的探测，而目前军事上使用的反潜飞机主要是利用“电子鼻”技术对海底的潜艇的废气进行探测，其精度和适用范围有限。当用光辐照某种物体时，由于它对光的吸收会使其内部的温度改变，从而引起其局部区域的机械参数变化；当采用脉冲光源或调制光源时，物体内局部温度的起伏会引起其体积的伸缩，因而向外辐射超声波，这种现象称为光致超声场效应(简称光声效应)；由于光致超声场(光声场)的存在，会对光折射率进行调制，产生对应的调制光场，也就是使该光场强度带上光致超声(光声)的特性，特别是频率特性，通过频谱技术可对探测到的该光场信号进行分析。运用以上原理，可以开发一种探测水下金属物的技术。

发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种操作简单、容易实现、精确度高的水下金属物探测方法。
本发明的另一目的在于提供一种实现上述方法的水下金属物探测装置。
本发明的目的通过下述方案实现本水下金属物探测方法主要包括下述操作步骤——(1)将脉冲激光入射水中，产生光致超声；(2)由水下金属物反射的光致超声对入射的连续散射激光进行调制；(3)利用光收集器收集来自调制区域的散射光信号，通过光电转换，将被调制的光信号转化为电信号，并由示波器进行实时观测；(4)对电信号进行频谱分离，提取调制信号；(5)利用计算机通过调制信号延时来进行定位。
所述脉冲激光波长范围为500～1500nm；所述连续散射激光波长范围为1μm～15μm。
用于产生脉冲激光的光源优选Nd:YAG脉冲激光器，波长为1064nm，脉宽为6ns，重复频率为20Hz，该波长水吸收较强，可产生较强的光致超声；用于产生连续散射激光的光源优选产生连续的10.2μm探测激光的激光器。
所述脉冲激光或连续散射激光由激光器发出后耦合进光纤再入射水中。
所述激光入射与激光信号收集呈反射式几何布局。
所述步骤(4)中采用实时快速傅里叶变换对电信号进行频谱变换，光致超声频域的调制信号识别，并同时完成信号滤波降噪处理，反傅里叶变换回时域，利用时域信息对水下金属物深度进行定位。
实现上述方法的水下金属物探测装置包括激光器、光收集器、光电转换组件、示波器和内置的实时快速傅里叶变换模块、计算机，所述激光器与光收集器相对于探测对象同侧设置，光收集器与光电转换组件通过光耦合连接，光电转换组件、示波器与内置的实时快速傅里叶变换模块、计算机依次电连接。
所述激光器包括脉冲激光器和连续散射激光器，所述脉冲激光器和连续散射激光器同时与激光控制器相连接，所述脉冲激光器与示波器及实时快速傅里叶变换模块相连接。
所述激光器连接有激光输送光纤，所述激光输送光纤出光端口位于水面或伸入水中；所述激光输送光纤出光端口和光收集器的收集端口处于探测对象同一侧。
所述光电转换组件包括光电倍增管、电信号放大器。
本水下金属物探测装置还可包括有三维移动平台，所述激光输送光纤出光端口和光收集器的收集端口与三维移动平台固定连接，可由三维移动平台带动作上下、左右、前后三个方向的自由移动，所述三维移动平台与计算机连接，由计算机对其进行控制。
本发明的作用过程是当脉冲激光入射于水面，水吸收后将产生光致声场信号，该光致超声场将对入射水面的散射激光进行调制，同时继续向下传播，当无水下金属物时光致声场信号将继续向水下扩散，直至消失；如果存在水下金属异物时，光致超声场将会被水下金属物反射回水面，在水面对入射水面的散射激光再次进行调制；与此相反，如果水下无金属物，也就无返回声场，所以散射光信号不被调制，收集的散射光信号只有海浪引起的噪声，此背景噪声的频谱很宽，且没有区域特征，可用对比法排除。这样当水下有金属物时，光致声场将产生两组调制信号，在时域上有延时，可以清楚区分，并可以利用延时准确计算水下金属物深度，即延时的一半乘上超声传播速度可得出水下金属物的深度。
本发明相对于现有技术具有以下优点1、本发明采用声、光相结合的物理原理与技术提供一种新颖的水下金属异物的探测方法，操作简单，容易实现，可军民两用。
2、本发明结合了超声在水中强穿透、低衰减以及光学探测的灵敏、快速优点，可实现快速探测。
3、本发明采用快速傅里叶变换模块处理信号，可将时域信号转变为频域信号，从而既可以实施滤波降噪又可以提取相应频域信号，便于对有用信号进行捕捉。
4、本发明装置结构简单，可集成化制造生产；操作容易，便于大规模推广应用。


图1是本发明水下金属物探测装置的结构示意图。
图2是图1所示水下金属物探测装置的激光入射与信号收集的示意图。
图3是利用图1所示水下金属物探测装置探测到的信号图。
图4是利用图1所示水下金属物探测装置进行探测的光信号的频谱图。
具体实施例方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1本发明的具体结构如图1所示，由图1可见，本水下金属物探测装置包括光源组件1，光收集与光电转换处理组件2，金属样品3、样品池4，计算机数据采集和控制系统5，三维电动移动平台6组成；光源组件1由连续散射激光器1-1、脉冲激光器1-2、激光输送光纤1-a连接构成；所述激光输送光纤1-a出光端口和光收集器2-a的收集端口处于探测对象同一侧，呈反射式设置，具体如图2所示；光收集与光电转换处理组件2由光收集器2-a、光电倍增管2-1、电信号放大器2-2、带有内置的实时傅里叶变换模块组件的示波器2-3依次连接而成；计算机数据采集和控制系统5包括计算机、通用接口总线卡(PCI-GPIB，National Instruments Co.)，所述计算机通过通用接口总线卡与示波器2-3相连接，同时计算机通过数字输出输入接口卡(7270，Advatech Co.)与三维电动移动平台6相连接。前述各构件的具体选型如下连续散射激光器1-1选用美国相干(coherent，Ltd.)公司钛宝石环形激光器，可发出波长为630nm～1100nm的单模红色激光和红外激光；脉冲激光器1-2选用先锋公司的Nd:YAG脉冲激光器，激光光源波长为1064nm，脉宽为6ns，重复频率为20Hz；光电倍增管2-1选用雪崩光电二极管模块(C5469，APD，Hamamatsu)；电信号放大器2-2一般商用型(AD522，Analog Devices Inc.)；示波器2-3为Tektronix公司生产的TDS3032型，其内置的实时快速傅里叶变换模块选用Tektronix公司的TDS3FFT型；计算机采用IBM686型以上机型；三维电动移动平台6通过步进电机运转来控制实现前后、左右、上下方向的精确定位，其中步进电机的运转由电脑通过数字输出输入接口卡(7270，Advatech Co.)接电机控制盒来实现。样品池4是用有机玻璃材料制成的长方形水槽，槽内盛有带散射介质(Intralipid，HuaruiCompany，20％)的水，该散射介质可对入射激光进行散射；金属样品3为金属船模，它可以反射光致超声信号。
由前述装置实现的水下金属物探测方法具体过程如下(1)连续激光器1-1发出波长为700nm的连续激光并耦合进激光输送光纤照射到金属样品上。
(2)脉冲激光器1-2发出波长为1064nm，脉宽为6ns，重复频率为20Hz的脉冲激光并被耦合进激光输送光纤，当水吸收该波长的脉冲激光后产生光致超声信号，由脉冲激光器1-2产生的光致超声信号将调制由连续散射激光器1-1产生的连续激光(声光调制)，被散射光的频带谱将带有光声的频谱信息(见图4)。另外，脉冲激光器1-2本身产生的与光脉冲同步的电脉冲信号外触发示波器，完成电信号的同步显示和采集。
(3)大口径(直径1cm)的光收集器2-a收集端口收集被调制的激光信号(见图2)，并输入由光电倍增管2-1完成光电转换，相应的电信号送入电信号放大器2-2中进行放大。
(4)被放大的电信号送入示波器2-3，由其内置的实时傅里叶变换模块将时域信号转变为频域信号，由于金属样品存在，将反射光致超声信号，该超声信号反射回水面后也将对水面散射光信号产生调制，这样在示波器显示时可看到两个时间间隔的调制信号，以此可以判断水下金属物存在；而且利用信号的延时(T)可准确计算其深度H，H＝V*T/2，其中V为超声在水中的传播速度，从而其对金属物定位(见图3，该图反映出由于金属物对水平面生成并向下传播的光致超声信号进行反射，这样同一光致超声信号将对入射水面的散射光信号调制两次，而且存在延时T)；所述频域信号可以由和示波器连接的GPIB卡采集进入计算机贮存并演示，同时计算机通过数字IO卡控制三维电动移动平台6移动扫描不同位置。
权利要求
1.一种水下金属物探测方法，其特征在于包括下述操作步骤(1)将脉冲激光入射水中，产生光致超声；(2)由水下金属物反射的光致超声对入射的连续散射激光进行调制；(3)利用光收集器收集来自调制区域的散射光信号，通过光电转换，将被调制的光信号转化为电信号，并由示波器进行实时观测；(4)对电信号进行信号频谱分离，提取调制信号；(5)利用计算机通过调制信号延时来进行定位。
2.根据权利要求1所述的水下金属物探测方法，其特征在于所述脉冲激光波长范围为500～1500nm；所述连续散射激光波长范围为1μm～15μm。
3.根据权利要求1所述的水下金属物探测方法，其特征在于用于产生脉冲激光的光源为Nd:YAG脉冲激光器，波长为1064nm，脉宽为6ns，重复频率为20Hz；用于产生连续散射激光的光源为产生连续的10.2μm探测激光的激光器。
4.根据权利要求1所述的水下金属物探测方法，其特征在于所述脉冲激光或连续散射激光由激光器发出后耦合进光纤再入射水中。
5.根据权利要求1所述的水下金属物探测方法，其特征在于所述激光入射与激光信号收集呈反射式几何布局。
6.根据权利要求1所述的水下金属物探测方法，其特征在于步骤(4)中采用实时快速傅里叶变换对信号进行频谱变换，提取对应光致超声频域的调制信号识别，并同时完成信号滤波降噪处理，反傅里叶变换回时域，利用时域信息对水下金属物深度进行定位。
7.实现权利要求1～6所述方法的水下金属物探测装置，其特征在于包括激光器、光收集器、光电转换组件、示波器和内置的实时快速傅里叶变换模块、计算机，所述激光器与光收集器相对于探测对象同侧设置，光收集器与光电转换组件通过光耦合连接，光电转换组件、示波器与内置的实时快速傅里叶变换模块、计算机依次电连接。
8.根据权利要求7所述的水下金属物探测装置，其特征在于所述激光器包括脉冲激光器和连续散射激光器，所述脉冲激光器和连续散射激光器同时与激光控制器相连接，所述脉冲激光器与示波器及实时快速傅里叶变换模块相连接。
9.根据权利要求7所述的水下金属物探测装置，其特征在于所述激光器连接有激光输送光纤，所述激光输送光纤出光端口位于水面或伸入水中；所述激光输送光纤出光端口和光收集器的收集端口处于探测对象同一侧。
10.根据权利要求7所述的水下金属物探测装置，其特征在于包括三维移动平台，所述激光输送光纤出光端口和光收集器的收集端口与三维移动平台固定连接，所述三维移动平台与计算机连接。
全文摘要
本发明提供一种水下金属物探测方法，包括下述步骤将脉冲激光入射水中，产生光致超声；由水下金属物反射的光致超声对入射的连续散射激光进行调制；利用光收集器收集来自调制区域的激光信号，通过光电转换，将激光信号转化为电信号；对电信号进行信号频谱分离，提取调制信号；利用计算机通过调制信号延时来进行定位。一种水下金属物探测装置，包括激光器、光收集器、光电转换组件、示波器和内置的实时快速傅里叶变换模块、计算机，所述激光器与光收集器相对于探测对象同侧设置，光收集器与光电转换组件通过光耦合连接，光电转换组件、示波器与内置的实时快速傅里叶变换模块、计算机依次电连接。本发明操作简单，精确度高，可准确探测水下金属物。
文档编号G01N21/49GK1632531SQ20041007723
公开日2005年6月29日 申请日期2004年12月10日 优先权日2004年12月10日
发明者邢达, 傅洪波, 许文海 申请人:华南师范大学, 大连海事大学