基于微气泡散射的水下无线光通信复合信道建模

海浪、船舶尾流以及海洋生物游动与呼吸等原因会导致海水中存在大量的气泡,气泡群带来的散射效应对光信号的水下传输具有重要影响,但典型的水下无线光通信信道模型一般不考虑气泡群带来的负面效应。为了进一步完善传统的水下无线光通信信道模型,本文利用Mie散射理论分析海水中的微气泡及微气泡群光散射特性,基于蒙特卡洛法建立包含气泡散射的复合海水信道模型,分析不同海水水质、气泡密度、链路距离等参数条件下接收端的光学特性和信号特性。结果表明:当链路距离为5m时,随着气泡密度的增大,接收端光斑的弥散程度加剧,其面积可增至初始大小的3～5倍,中心能量也显著降低,最多可降至最大值的05;当链路距离为10～40m时,气泡群的存在以及链路距离的增长会导致接收端第一次接收到光子的时间延长约10～200ns,且使脉冲展宽值增大;当链路距离为2～10m时,气泡群密度的增大最多可使归一化接收功率降低至初始值的0004,但随着水质的恶化,其他粒子含量提高,气泡群对接收功率的影响逐渐减小。该研究可以为水下无线光通信系统的设计和理论分析提供参考。     

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。     

水下气泡幕光探测验证性实验研究

依据光散射理论阐明了应用激光探测水下气泡的可能,然后设计并完成水下气泡幕光探测实验,从实验结果中提取特征量,比较无气泡和有气泡两种条件下的信号特点,说明能够依据探测光束的光散射信号判断水下气泡幕的存在,为激光探测舰艇尾流气泡研究提供了实验证明。     

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。     

水中气泡激光后向散射衰减特性研究

采用Lambert-Beer定律对水中气泡后向散射光功率进行理论分析,并采用激光功率计对位于不同距离以及不同密度的气泡幕后向散射光功率进行测量,对测量数据进行了统计和分析.结果表明,气泡的后向光散射信号相当微弱,但由于气泡幕的存在,后向散射光功率有所增强;气泡幕后向散射光功率随气泡幕与探测器之间的距离变化,其关系服从Lambert-Beer定律;后向散射光功率与气泡密度有关,气泡密度越大,后向散射光功率越大.     

布里渊散射在水下激光成像探测中的应用

水下光电成像探测是声纳技术的一种有效补充,然而水下激光成像的后向散射效应严重影响了水下光电成像探测的分辨能力与探测距离.基于激光水下传输的布里渊散射理论,分析了蓝绿激光及其布里渊散射水下传输特性,研究了基于光子晶体滤波器的布里渊散射频移检出技术,设计了同步扫描布里渊散射水下成像装置以及距离选通布里渊散射水下成像装置,以布里渊散射频移的空间分布替代场景反射光强度的空间分布进行水下成像探测,高效抑制水下激光成像后向散射噪声,提高成像探测的作用距离.布里渊散射水下激光成像探测机理的探索将为水下目标光电成像探测技术的发展开辟新的途径.     

激光水下成像发射光学系统的研究

水下远距离激光主动成像系统对扩束发射光学系统的扩束能力及其对距离的适应性提出了较高的要求。为了在不同的成像距离处都获得适当大小的光斑,论文对激光水下成像发射光学系统进行了研究,设计了一种变倍的发射光学系统,研究了激光光束通过该发射光学系统的变换规律,推导了目标距离与变倍光学系统动镜组的位置调整量的数学关系,提出了激光水下成像变倍发射光学系统的控制方案。     

气泡激光散射信号处理方法

提出了阈值检测、降噪处理和功率谱估计三种分析和处理水中气泡激光散射信号的方法.利用这三种方法分别对不同散射角时的测量信号进行了处理,得到了水中气泡激光散射强度随散射角的分布特性.并将实验结果与米氏(Mie)理论结果及水的散射强度进行了对比,比较和分析了三种方法的优劣.阈值检测法和降噪处理法分别以平均值和绝对偏差为中心来估计气泡散射强度,它们不能隔离直流分量.功率谱估计法处理得到的气泡角散射特性与Mie理论结果一致,能够区别开气泡散射和水的散射,两者相差近1个数量级.实验结果表明功率谱估计法是最合理的处理气泡激光散射信号的方法.     

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。     

准直蓝、绿激光光束的水下目标反射功率和水质参数研究

根据准直激光光束在海水中的传播原理 ,研究了准直蓝、绿激光光束的水下目标反射功率以及海水水质参数与后向散射功率之间的关系 ;证明用准直蓝、绿激光可以实时探测水下目标和海水水质参数     

距离选通在水下激光成像系统中的应用

介绍了距离选通水下激光成像技术的原理及其技术进展,并具体设计与实现了一种新型的水下激光成像系统。距离选通成像方式是一种减小水介质后向散射的有效方法,利用水介质对可见光光谱的低损耗窗口效应,采用蓝绿波长的脉冲激光器提供主动照明,CCD作为接收器,可在提高目标场景照度的同时,减小后向散射的影响,实现水下距离选通激光成像。实验证明,水下距离选通激光成像技术可以克服传统水下成像的缺点,具有成像清晰,对比度高,不受环境光源的影响等优点,已成为国内外重点研究的关键技术。     

Analysis of the polarization characteristics of scattered light of underwater suspended particles based on Mie theory

Aiming at the problem of underwater polarized laser scattering caused by underwater suspended particles, the equivalent spherical particle Mie scattering theory simulation method is used to study the polarization characteristics of underwater scattered light. The relationship between underwater suspended particle characteristics and optical characteristics is analyzed, and the effects of particle size, polarization characteristics of incident light, and angle of incidence on the degree of polarization of forward and backward scattering light are studied. The results show that:When the incident light is natural light, the degree of polarization of scattered light is very low at the forward-scattering angle, which increases with the increase of the scattering angle, but changes frequently with the increase of the particle size. When the incident light is linearly polarized, the degree of linear polarization of the scattered light is related to the azimuth Angle. The degree of circular polarization is largely unaffected by particle size.     

激光探测水下声信号的实验研究

在实验室条件下,对于不同频率、不同振动强度的水下声音信号展开激光相干探测研究,建立了基于该方法的实验系统。水表面在水下声音信号作用下产生波动时,用激光照射水表面,其产生的水表面散射光携带了声波信息并与参考光发生干涉,对干涉信号进行采集并处理可得到水下声信号的频率与强度信息。对不同条件下得到的实验结果进行对比分析。实验结果表明,激光相干探测技术可有效地探测水下声信号,并且随着声信号的频率提高、强度减弱,探测效果趋于变差。实验系统采用全光纤光路设计,取得了较好的效果。     

A reference-free underwater image quality assessment metric in frequency domain

Owing to the complexity of the underwater environment and the limitations of imaging devices, the quality of underwater images varies differently, which may affect the practical applications in modern military, scientific research, and other fields. Thus, achieving subjective quality assessment to distinguish different qualities of underwater images has an important guiding role for subsequent tasks. In this paper, considering the underwater image degradation effect and human visual perception scheme, an effective reference-free underwater image quality assessment metric is designed by combining the colorfulness, contrast, and sharpness cues. Specifically, inspired by the different sensibility of humans to high-frequency and low-frequency information, we design a more comprehensive color measurement in spatial domain and frequency domain. In addition, for the low contrast caused by the backward scattering, we propose a dark channel prior weighted contrast measure to enhance the discrimination ability of the original contrast measurement. The sharpness measurement is used to evaluate the blur effect caused by the forward scattering of the underwater image. Finally, these three measurements are combined by the weighted summation, where the weighed coefficients are obtained by multiple linear regression. Moreover, we collect a large dataset for underwater image quality assessment for testing and evaluating different methods. Experiments on this dataset demonstrate the superior performance both qualitatively and quantitatively.     

水体光学参数对水中气泡场激光雷达探测影响的研究

利用多层Monte Carlo模型模拟计算了不同水体光学参数条件下,激光雷达对水下气泡层探测得到的回波信号.通过对模拟得到回波信号的分析,讨论了不同光学参数对激光雷达水下气泡层探测的影响,结果表明:水体散射系数、吸收系数的增加都会引起回波信号信噪比的降低:水体散射系数和水体单次散射系数的增加会在一定程度上降低激光雷达探测系统必需的探测光功率;     

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。     

基于数学形态学的水下激光成像消噪法

水体对光的“吸收”和“散射”效应给水下激光成像带来大量的背景噪声。运用数学形态学运算方法对成像结果进行处理，能够消除背景光噪声，提取出目标信息。实验结果表明，该方法能够提高图像的分辨率和信噪比，改善图像质量。     

激光空中探测水下目标的新方法研究

为了实现在空中利用激光技术对水下目标进行探测的目的,基于迈克尔逊干涉仪的基本原理,提出了一种从水面散射激光中获取水下声源信息的新方法。设计并实现了一套空中探测水下声信号的实验装置。实验结果表明：频谱分析图中的峰值频率即为水下声源的发声频率,系统能够实时探测发声频率在1 kHz～14 kHz的水下声源,且测量标准偏差小于7 Hz。该方法为航空遥感水下目标提供了一条新的技术途径。