基于多元分析的水下气泡幕激光后向探测

分别采用光在水下的传输理论以及Mie光散射理论对水体和气泡幕的后向光散射特性进行分析,发现它们在空间分布上存在不同。水体的后向光散射在空间分布上是单调递减的平滑曲线,而气泡幕的则呈现复杂的变化。据此提出了一种新的水下气泡幕激光后向探测方法。该方法通过多元探测器对后向散射光信号进行接收,通过空间分析实现对气泡幕的探测。实验结果表明,该方法可实现对水下气泡幕尤其是远距离气泡幕的有效探测。     

水下气泡幕激光后向探测中的背景噪声抑制

水下气泡幕的激光后向探测中,背景噪声尤其是水体的后向散射光信号对信号的接收和处理造成了严重的干扰.对该问题进行分析,并进行了实验研究,调整发射器和接收器之间的距离,对后向散射光信号功率进行实测,对数据进行了比较分析.结果表明,适当增大接收器和发射器之间的距离,有利于水体后向光散射信号的抑制,可提高有无气泡幕信号之间的差异,从而提高水下气泡幕激光后向探测的能力.     

水下气泡幕消光特性研究

为了研究水下气泡幕对激光传输特性的影响,采用米氏散射理论对水下气泡的消光截面和消光系数进行了计算,并在此基础上采用朗伯特-比尔定律对水下气泡幕的消光特性进行了理论分析和实验验证,取得了不同密度、不同厚度以及处于不同位置处气泡幕的透射光功率数据。结果表明,透过气泡幕的光功率随气泡密度以及气泡幕厚度呈指数衰减,而与气泡幕所处的位置没有密切关系。这一结论对舰船气泡尾流的光学探测是有帮助的。     

舰船尾流模拟气泡的脉冲激光后向散射特性研究

在Mie散射理论的基础上分析了尾流气泡的光散射特性，并用脉冲激光对尾流模拟气泡幕的后向散射光信号进行了实验研究，对气泡幕位置、接收发射轴夹角和多次散射等影响因素进行了详细讨论。实验发现：气泡幕存在条件下后向散射光信号得到明显增强，且信号的峰值强度随气泡幕位置等参量的变化而改变：当气泡幕位置较近时，多次散射光信号将对接收信号产生明显的作用，是影响接收信号强度的一个重要因素。     

激光探测舰船尾流气泡样机初步实验研究

基于激光水下探测原理,采用自主研发的激光探测舰船尾流气泡样机,同时用气泡幕模拟舰船尾流,通过比较无气泡和有气泡两种条件下的样机接收信号,验证了样机的探测性能;并对气泡幕置于不同位置处的样机接收信号进行了分析和比较,研究了不同条件下回波信号的波形特点;最后对下一步的实验提出了几点建议。     

尾流气泡幕的光后向散射幅度谱特性分析

在实验的基础上提出了一种用激光后向散射信号的幅度谱进行探测和识别气泡的新 途径。通过对后向散射光信号的幅度谱分析,根据静水与气泡幕的散射信号谱线的不同,可较好地识别气泡,对气泡后向散射较弱的信号该方法也同样适用。     

水下气泡幕激光后向探测中的信号起伏和干扰抑制

水下气泡幕的激光后向探测实验中发现,由于气泡幕的存在,信号有时得到增强,有时会减弱。对该问题进行分析,将探测区域分为三个组成部分,对三部分信号进行比较分析,从而找出影响信号强度的因素,并通过实验进行验证。结果表明,信号的强度是增强还是减弱,主要取决于气泡幕本身的信号强度,它与气泡幕的距离以及气泡密度等因素有关。对同一距离上相同密度的气泡幕进行探测,适当增大探测器和发射器之间的距离,可以提高有无气泡时的差异,从而提高系统探测性能。     

不同扩束倍数条件下水中气泡的光探测效果

基于米氏散射理论,近似计算了扩束装置对水下气泡幕后向光散射功率的影响,并对距离求导,分析其变化规律;接着在不扩束,3倍扩柬和8倍扩束的条件下进行实验,从实验结果中可以看到,采用3倍扩束装置时探测器的接收功率最大,而且对气泡幕距离变化非常敏感,能够增强水下气泡光探测效果．     

多尺度复杂水质尾流气泡的激光探测仿真与实验

舰船尾流气泡具有尺度范围大、稀疏、离散等特征。利用蓝绿激光的海水穿透性能以及气泡对激光的后向散射特性，可以实现舰船尾流气泡的远场检测。舰船尾流的稀疏、离散特征导致气泡的激光散射回波信噪比极低，对光学接收处理系统及尾流信号处理方法带来了困难与挑战。建立了舰船尾流气泡的激光后向散射模型，通过蒙特卡罗仿真验证了不同水质、不同气泡距离和不同尺度气泡的激光后向散射特性，设计了可抑制近场水体强散射干扰的水下气泡激光测试分析系统，实现了激光能量与雪崩光电二极管接收增益间的匹配调节。针对室内和湖泊环境，开展了不同水质和光电探测参数下的尾流气泡检测性能测试，通过对数据进行统计处理分析得到了舰船尾流气泡的激光探测特征规律。设计的水下气泡激光测试分析系统可以实现对舰船尾流气泡的有效探测，为舰船尾流探测系统在不同水质环境下的工程应用提供了理论及数据支撑。     

海水及模拟尾流气泡的激光背向散射特性实验研究

尾流光的背向散射特性是水下航行体跟踪、识别和定位目标的重要参数。开展海水及模拟尾流气泡的激光背向散射特性实验研究,对确定感知舰船尾流的光学参量,从散射信息中分离出光尾流特征信息,验证尾流光散射特性模型有重要意义。讨论了海水及气泡群的激光背向散射特性实验研究,给出了实验结论。     

尾流气泡对脉冲激光时间展宽的研究

为了研究气泡对激光的时间展宽问题,采用米氏光散射理论,对气泡的光散射特性以及多次散射效应进行了理论分析,并开展了实验研究,得到了气泡在不同距离时后向光散射信号波形。结果表明,气泡对激光脉冲的传输有明显的影响,导致了脉冲激光在时间上的展宽,信号展宽的宽度随距离近似呈二次曲线变化。     

海水及模拟尾流气泡的激光背向散射特性实验研究

尾流光的背向散射特性是水下航行体跟踪、识别和定位目标的重要参数。开展海水及模拟尾流气泡的激光背向散射特性实验研究，对确定感知舰船尾流的光学参量，从散射信息中分离出光尾流特征信息，验证尾流光散射特性模型有重要意义。讨论了海水及气泡群的激光背向散射特性实验研究，给出了实验结论。     

激光水下通讯误码率的影响

蓝绿激光水下通信技术是水下激光引信探测技术的研究基础。对蓝绿激光加载数字脉冲信号后在水下的通讯效果进行了研究,分析了引起蓝绿激光水下传输衰减的因素,设计了蓝绿激光水下信号传输实验系统,测试了光发射接收组件在不同水质和不同距离下的通信误码率。实验结果显示信号传输误码率在纯水和空气中的变化并不明显,但水中杂质浓度的增加使得信号传输误码率发生急剧变化。实验证明:悬浮粒子散射是引起激光水下通讯误码的主要原因;通过使用连续型蓝绿激光通信,可以提高通信速率和灵敏度,降低误码率。     

激光布里渊散射水下目标探测原理及实验研究

介绍了激光布里渊散射探测水下目标的原理,采用基于新型ICCD的布里渊散射激光雷达系统,进行了水下目标探测的相关实验。实验结果表明,激光布里渊散射探测水下目标在探测深度上具有很大优势,同时具有探测隐身目标的能力。     

基于蒙特卡罗的气泡后向散射信号的视场分析

为了研究气泡后向散射信号强度与气泡位置及接收发射视场之间的关系,采用蒙特卡罗方法对存在水槽边界条件下的水中气泡幕后向光散射回波信号进行了系统仿真,并结合实际的水槽实验,对不同气泡幕位置及接收发射轴夹角情况下的后向散射信号进行了理论分析和实验验证,取得了相应的气泡幕后向散射信号强度的实验与仿真数据。结果表明,对不同的接收发射轴夹角,存在一个回波峰值,且该峰值对应的接收发射轴线的夹角与气泡幕位置存在一一对应的关系,这一结果对实际海况下的舰船尾流气泡后向散射光探测试验是有帮助的。     

基于蒙特卡罗的气泡后向散射信号的视场分析

为了研究气泡后向散射信号强度与气泡位置及接收发射视场之间的关系,采用蒙特卡罗方法对存在水槽边界条件下的水中气泡幕后向光散射回波信号进行了系统仿真,并结合实际的水槽实验,对不同气泡幕位置及接收发射轴夹角情况下的后向散射信号进行了理论分析和实验验证,取得了相应的气泡幕后向散射信号强度的实验与仿真数据.结果表明,对不同的接收发射轴夹角,存在一个回波峰值,且该峰值对应的接收发射轴线的夹角与气泡幕位置存在一一对应的关系,这一结果对实际海况下的舰船尾流气泡后向散射光探测试验是有帮助的.     

浑浊水体激光后向散射特性仿真与实验研究

由于水体的吸收和散射作用,光束能量在传播的过程中会产生衰减,激光脉冲会被展宽,制约着水下激光雷达的探测范围和探测精度。文中以浑浊水体环境下水下弱小目标探测为应用背景,建立了水下光子传播的蒙特卡洛仿真模型,模拟了不同衰减系数和散射率的水体后向散射回波信号,并对相应的水体后向散射回波信号变化趋势进行了分析。仿真结果表明：随水体衰减系数的增加,近场水体激光回波信号接收光子数逐渐增多;随水体散射率的增加,回波信号光子消亡速度逐渐降低。开展了不同浊度下的激光雷达回波信号的测试实验,实验结果表明：随水体衰减系数的增加,水体激光后向散射回波幅度逐渐增高,脉冲宽度逐渐展宽。在进行浑浊水体水下弱小目标探测时,随水体衰减系数的增加,应通过逐渐减小激光器能量或接收系统增益来增强水体回波与目标回波之间的差异,以此提高浑浊水体水下弱小目标探测的信噪比。实验验证了理论与仿真结果,为浑浊水体环境下水下弱小目标激光探测系统在不同水质下的激光能量选取、接收系统增益设计等提供理论支撑。     

一种基于退偏效应的激光尾流信号检测方法

针对激光探测尾流时尾流信号受水体散射干扰不易 检测的问题,提出利用线偏振激光通过无气泡水 体与其通过尾流气泡群区域退偏特性差异性,区分水体散射光与尾流散射光的信号。采用本 文的退偏探测方 法,对在不同探测位置和不同探测角度下、不同尺度气泡群体散射光信号的尾流进行测量。 实验表明,当尾流中气泡的尺度在10～150μm范围内时,本文方法 对前向或后向探测信号均行 之有效;随着气泡尺度的增大,退偏效应仅在前向散射光信号探测时呈现;水体散射光与 舰船尾流散 射光的信号在本文方法测试下呈现了明显的区别,并具有稳定的信号特征,可大幅度提高激 光探测尾流的能力。     

载波调制激光雷达技术在海洋探测中的应用

介绍了一种水下探测技术,以激光脉冲信号为载波,将微波信号加载到激光脉冲上进行调制编码,调制编码信息由光信号携带进入水下.在接收端,通过频率滤波实现对编码信号的提取,由编码信号的信号处理实现激光雷达水下目标探测.将该技术与多种抑制海水后向散射的方法进行比较,对载波调制激光雷达在海洋探测应用的特点和研究现状进行了综述.     

尾流气泡激光散射的测量

采用收发分置的光学结构实现了尾流气泡对532 nm激光在散射角5°～175°内的散射测量,同时测量了水的激光散射。散射角度的改变是通过发射系统不动而转动接收系统来实现的。解决了散射信号大动态范围的压缩问题,讨论了接收视场内散射体积随散射角的变化。分析了气泡散射的信号特征,并提出了气泡散射信号的功率谱密度处理法。将实验结果与米氏理论结果进行了对比,发现尾流气泡的激光散射强度及其随散射角的变化趋势与米氏理论结果吻合得很好,与水的散射相差近一个数量级。研究结果表明利用激光可以将气泡和水的散射区别开,即利用激光探测尾流气泡的存在具有可行性。