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。     

一种舰船尾流探测系统设计

探测舰船尾流是间接探测舰船及水下航行器的一种新方法,有着广阔的应用前景.设计实现一种利用激光照射尾流气泡,通过测量气泡后向散射光空间频谱强度来探测尾流气泡的舰船尾流实时探测系统.系统设计方案采用线阵CCD光信号采集,A/D模数转换,DSP数据处理,USB接口输出四级流水线方式工作.该探测系统稳定性好,探测精度高,结果准确,有一定的先进性.     

舰船尾流后向散射光信号特征的判识方法

为了自适应获得舰船尾流的有无信息以及距探测器的距离信息,基于海上采用激光探测目标船尾流所获得后向散射光信号的曲线特征,运用极小值筛选法对去噪平滑后的舰船尾流后向散射光信号进行了处理,准确获得了舰船尾流的有无信息以及距探测器的距离信息。同时,研究讨论了海上所测得的信号去噪后,与水体后向散射光信号按照最小均方误差准则进行拟合相减获得的纯尾流后向散射光信号,构造了纯尾流后向散射光信号的简单模型,并通过对其进一步的处理获得了尾流厚度相关信息。这一结果对尾流信息的判识是有帮助的。     

舰船尾流激光探测跟踪方法与试验

舰船尾流激光探测跟踪是水下航行器对舰船进行探测、识别、跟踪的新手段。论文基于舰船尾流分布特性、气泡目标特性,采用蒙特卡洛仿真方法,实现了多尺度、宽数密度、大厚度舰船尾流气泡群的后向散射回波信号特性仿真,得到了水下航行器载激光探测系统在搜索、跟踪阶段信号的变化趋势,以及不同目标舰船的激光后向回波信号变化强度,可有效模拟激光探测系统对舰船尾流目标特性的真实跟踪状态。对于大型船只,当激光探测系统位于尾流之下时,航行器距舰船目标越近,尾流气泡激光回波越强,脉冲宽度展宽幅度越大;当激光探测系统位于尾流之中时,航行器距舰船目标越近,尾流气泡激光回波越弱,脉冲宽度变窄幅度越大。探测系统位于尾流之下时与探测系统位于尾流之中时,信号变化相反。小型船只信号变化趋势基本与大型船只保持一致,但尾流激光探测回波强度变低。开展了湖泊环境下船舶尾流激光探测跟踪试验,当探测系统在尾流之下时,大型船只尾流激光回波信号信噪比高,小型船只尾流激光难以检测。探测系统位于尾流之中时,大小船只尾流激光探测系统都可实现有效探测。论文可为舰船尾流探测实际工程应用提供支撑。     

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。     

鱼雷激光尾流自导方法的研究

提出了基于尾流的光学效应的鱼雷激光尾流自导方法。舰船在航行过程中不可避免地会产生舰船尾流。舰船尾流的光学特性主要由尾流气泡的光散射效应所决定。普通海水中存在着许多作布朗运动的微粒(包括海水中的杂质分子、悬浮粒子、有机及无机溶解质、微生物和气泡等)，它们会对光波产生散射效应，但当光在存有大量气泡的尾流中传输时，光的散射效应就会大大增强。根据气泡的光散     

尾流气泡群的激光多普勒检测方法

提出了一种基于气泡群后向散射光多普勒频移谱特性的舰船尾流检测方法。利用蒙特卡罗(Monte Carlo)方法对尾流区运动气泡群后向散射激光多普勒频移谱进行了理论模拟,分析了气泡数密度和速率分布对后向散射光信号多普勒频移谱特性的影响。在此基础上,利用差动型激光多普勒探测方法,实验研究了模拟尾流气泡群后向散射光多普勒频移谱特性,实验结果与理论模拟基本符合。研究表明,随着尾流中气泡数密度和速率分布范围的增大,后向散射光信号的多普勒频移谱的幅度、截止频移也随之增大。这证明了激光后向散射多普勒频移谱特性分析法可作为一种有效的尾流检测方法。     

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.     

舰船尾流的激光散射特性

根据Mie 散射理论,在认为气泡不相干的情况下,计算了气泡在不同散射方向的散射强度,得出舰船尾流某个横截面上气泡群的光散射特性;计算结果表明气泡群的后向散射增强非常明显;舰船尾流横截面上尾流中心气泡的散射强度远大于尾流边缘处的散射强度,说明利用舰船尾流中气泡与背景海洋中的气泡对光散射的差异来作为鱼雷自导的一种手段是可行的。     

舰船尾流激光制导方法的研究

为了研究鱼雷的激光尾流制导方法,分析了舰船航行时所产生尾流的几何特征和光学性质,讨论了舰船尾流中不易在短时间内消失的微气泡对激光的散射特性,提出了利用激光在尾流区域内、外传输时,其前向或后向散射激光在时域、频域和空域中光学参数的变化来快速、准确地判别鱼雷是否进入、穿出尾流,从而导引鱼雷沿目标舰船的航迹靠近目标的新型鱼雷制导方法。讨论了实现鱼雷激光尾流制导的几种不同途径,得出了上视激光尾流制导是一种既不会破坏鱼雷雷体的流线性结构,又可以通过激光扫描来确定尾流边界的先进的鱼雷制导方法的结论。     

混沌脉冲激光雷达水下目标探测

海水对光波的吸收和散射,严重制约了激光雷达水下目标探测的性能。通过对激光在海水传输过程中产生后向散射的定量分析,说明了激光回波信号被海水后向散射影响的严重性。分析比较了距离选通技术和强度调制技术抑制海水后向散射的能力,提出了使用自身具有高频强度调制特性的混沌脉冲激光进行水下目标探测,设计了基于相关法测距的混沌脉冲激光雷达水下目标探测方案。通过对后向散射光以及带有不同后向散射强度的回波信号光的时域和频域特性的研究,使用互相关噪声水平算法判定混沌脉冲激光雷达抑制海水后向散射的能力。理论仿真分析表明,当后向散射光强度是混沌脉冲激光强度36倍时,仍能提取出目标信号。     

布尔混沌调制激光雷达水下目标成像实验研究

在激光雷达的水下目标探测中,浑浊水体中悬浮颗粒对激光的吸收和散射作用,使得激光在水中的传输严重衰减。尤其是后向散射所造成的噪声会降低目标对比度甚至淹没信号回波。载波调制技术可以有效抑制后向散射,提高目标回波信号的信噪比。文章将布尔混沌信号作为载波调制信号,基于其内禀高频强度调制特性,构建了布尔混沌调制激光雷达水下成像系统,并在实验室水箱环境下,对衰减系数不同的浑浊水体中的目标物体进行了三维成像实验研究,对比了不同水质中的目标物体三维成像效果。     

空气中自导光丝超连续辐射后向散射增强特性

由自导成丝效应产生的超连续辐射具有超宽带光谱、后向散射增强等一系列新特征,为激光雷达大气探测开辟了新的领域.通过测量飞秒激光脉冲自导光丝超连续辐射散射的角度分布,对不同条件空气中自导光丝产生的超连续辐射后向散射特性进行了实验研究.结果表明,在洁净空气和含气溶胶的空气中,自导光丝的超连续辐射都呈现出明显的后向散射增强特性.同时对超连续辐射后向散射的测量值进行拟合,拟合结果表明超连续辐射后向散射角分布满足洛伦兹(Lorentz)函数,在洁净空气中其角宽度为6.4°,后向180°时归一化散射强度是瑞利散射的3.2倍.超连续辐射沿光丝前向呈锥形辐射,其前向散射具有明显的波长依赖关系;而后向散射无明显的波长依赖关系.     

水下脉冲激光探测后向散射噪声自适应滤波算法

在信号处理中抑制水体传输中带来的后向散射噪声,是水下脉冲激光探测的关键技术之一。基于同一水域相邻2次探测后向散射的相关性,提出一种改进的归一化最小均方（NLMS）自适应滤波算法。根据后向散射的强度和滤波后目标信号大小控制步长因子,使其对不同距离、不同强度的目标信号均能取得良好的滤波效果。通过计算机仿真和水池实验对算法进行验证,结果表明,对不同距离、不同反射强度的目标,该滤波器算法均能以较低的阶数有效滤除后向散射噪声,保留目标回波信号。与现有的自适应滤波方法相比,大大减少了滤波所需的计算资源,在水下脉冲激光探测系统上具有一定的应用价值。     

舰船气泡尾流散射光斯托克斯特征研究

针对当前探测器距离尾流较近时目标回波信号淹没在水体散射信号中,以及对低密度、微小气泡群较难探测的问题,通过对尾流散射光的斯托克斯参量特征进行研究,可全面反映光经过尾流散射后的完全偏振光、部分偏振光全非偏振的特征。仿真计算了尾流中微小气泡在不同半径、不同散射角条件下斯托克斯散射矩阵的变化,并对比了水分子的散射特征,研究分析发现:（1）不同大小尾流微气泡的斯托克斯散射特征既有相似之处,也有一定的差异;（2）微气泡的散射参量,与水分子相对应参量比较,差异更加明显,水分子的散射参量不存在震荡现象且散射特征稳定。利用斯托克斯参量进行光尾流特征分析,信息量较全面,光散射特征差异明显,证实了其用于尾流信号分析、探测的可行性。     

基于循环相关变换的多径调频信号参数估计方法

基于循环相关变换方法，提出了一种结合循环频率域的信号分离技术的多径条件下LFM信号参数估计方法。该方法首先利用信号循环频率域上的多径信号特征，估计出最强多径分量的特征参数，然后结合发射信号的先验知识重构该径信号，最后将其从观测信号中减去。这样逐次分离出各径信号，从而有效地抑制了强多径信号分量对弱多径信号分量的影响。文章最后进行了计算机仿真实验。     

舰船气泡尾流激光雷达的关键技术

针对舰船气泡尾流激光雷达研发中的三项关键技术———复合散射理论研究、激光断层和偏振检测技术、后向散射抑制技术展开综述,总结了相关领域研究成果并提出新的技术方案。对复杂海洋环境下的激光复合散射理论进行了系统的分析,有针对性地给出了相关研究方法及研究关键点。提出利用激光断层和偏振检测技术对舰船尾流进行检测的新方法。基于Monte Carlo模型分析了尾流激光雷达近场后向散射光的大动态衰减规律,提出一种新的基于雪崩光电二极管的大动态范围信号接收技术。在国内首次成功研发尾流激光雷达样机并首次获得大量详实的海试数据。海试结果表明,该样机对8节航行下的千吨级民用船舶尾流探测距离大于3.7 km。