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.     

水体散射对气泡后向光散射特性的影响

采用Lambert-Beer定律对水中气泡幕前向、后向散射激光功率进行了理论推导,得出了接收信号信噪比的计算公式.采用光学遮挡的方法对近距离水体后向光散射信号进行屏蔽,采用激光功率计对后向光散射信号进行测量.结果表明,近距离水体后向光散射对气泡的后向光散射影响显著,对近距离水体的后向光散射信号进行抑制,可以显著提高接收信号的信噪比.     

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．     

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。     

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。     

舰船尾流气泡后向光散射特性研究

对水中气泡后向光散射特性进行了初步的定性研究。实验结果表明,由于气泡的存在,水的后向光散射特性有了明显的改善。水中气泡后向光散射强度与探测器类型、气泡距离以及气泡密度等因素有密切关系。采取一定的措施,尾流气泡后向光散射信号是可以探测到的。     

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.     

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。     

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。     

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。     

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.     

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。     

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。     

舰船远程尾流气泡群的前向光散射特性研究

利用Mie理论计算了舰船尾流气泡群的归一化体散射函数和散射能量分布函数,分析了尾流气泡群的前向光散射特性。计算和分析结果表明,气泡群的前向散射光强度远大于后向散射,前向散射能量占总散射能量的90%以上;散射能量分布函数在小于1°的前向小角度散射角范围内迅速增加到40%以上,然后随散射角的增加缓慢增加;气泡表面附着的有机膜会显著地增强气泡群的后向散射,但对前向散射的影响不大。     

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。     

舰船尾流气泡多重散射偏振特性研究

舰船尾流气泡的多次散射效应对光尾流探测领域的研究具有重要意义.针对水中气泡多次散射对后向散射光强以及偏振度的影响规律问题,基于矢量Monte Carlo方法,采用欧拉矢量法对光子在水中气泡后向散射偏振态进行跟踪,对比分析了线偏振、圆偏振激光入射情况下,不同散射次数回波信号在强度和偏振度特性上的差异性,验证了欧拉矢量法用于光尾流探测仿真领域的可行性.     

激光水下探测光尾流回波信号提取方法的研究

激光应用于水下目标探测时,受水体后向散射的影响,目标信号被强噪声信号所淹没。针对这一问题,采用基于RLS算法的自适应抵消法对水体后向散射回波信号进行抑制。并根据水下探测信号非平稳的特点,在传统RLS算法的基础上引入可变遗忘因子λ,改善对目标信号的快速跟踪能力。对实验数据进行分析表明,该方法可以有效抑制水体后向散射回波信号,并具有较快的收敛速度和跟踪速度,对水下激光探测的应用具有一定的实际意义。     

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。     

水下尾流相干探测的理论与实验研究

研究水下舰船尾流形成初期相干光探测干涉图像的特性及不同水体条件下干涉图像的变化情况,仿真不同退偏情况下的干涉图像。基于Monte Carlo方法建立了气泡群散射的仿真模型,分析气泡群多重散射的强度特性并模拟前向及后向接收屏的光强分布情况。搭建马赫-曾德尔干涉光路进行水下舰船尾流气泡的相干探测实验,验证了理论和模拟的准确性。结果表明,设计的光路可以测量该实验条件下尾流前向散射光的干涉图,不同水环境下干涉图的光强和对比度具有很大的差异,可以通过对干涉图的直接处理来进行水环境的区分。利用干涉法进行尾流区域判断,为尾流区域的探测提供了一个新的思路。