基于独立成分分析的舰船气泡尾流后向散射光信号处理

光尾流自导鱼雷激光探测系统所获取的信号是水体和舰船气泡尾流共同产生的后向散射光信号,从该信号中提取出舰船气泡尾流的信息是光尾流自导鱼雷的关键技术。由于水体所产生的后向散射光信号强度大于舰船气泡尾流所产生的后向散射光信号,两个信号在时域和频域里的特征又十分接近,因此难以用传统滤波方法将其分离以提取有用的尾流信息。提出了采用盲源分离和独立成分分析的方法来处理激光探测系统所获取的信号,研究了盲源分离的算法,编制程序对课题组在激光探测舰船尾流海上试验所获取的数据进行了计算,结果表明:该方法可在不同探测条件下有效地将舰船气泡尾流场所产生的后向散射光信号从原始信号中提取出来,有利于系统正确判别舰船尾流及其特征。     

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。     

舰船尾流气泡激光回波偏振压缩探测技术研究

对舰船尾流气泡探测是对舰船进行跟踪的一种独特的方法,采用蓝绿激光对尾流气泡 探测是可行的。在分析蓝绿激光在海水介质中的衰减特性基础上,提出采用偏振压缩技术对大动态范围的激光回波信号进行压缩,提高对尾流气泡探测的精度和深度。     

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。     

差动激光多普勒尾流探测方法

利用差动激光多普勒探测法,研究了能够探测尾流中气泡和湍流分布的光学诊断方法。实验研究了模拟尾流场中运动气泡及湍流的后向散射光的多普勒频移谱特性。采用差动相干探测法获得了模拟尾流场的流速,测量值与实际流速误差小于1.5%。实验结果表明:相干光束夹角对散射光频移量具有明显影响,散射光多普勒频移量随两相干光夹角的增大而增大;气泡运动引起的频移主要集中在低频端,为一宽带谱;并且频移谱的宽度随气泡数密度的增大而增大。频谱的这一特征可作为舰船尾流识别的判据之一。     

复杂混合尾流气泡场的激光探测特性研究

在实际舰船尾流激光探测过程中,激光探测系统与目标气泡层之间会存在杂质(气泡群、悬浮粒子),导致气泡回波信号信噪比降低。为了提高实际舰船尾流探测的信噪比,采用蒙特卡洛方法,仿真模拟了不同气泡层特性遮挡的情况,通过改变遮挡气泡层的厚度、数密度来探究其对目标气泡回波特性的影响,仿真得到：当遮挡气泡层存在时,回波信号会明显降低,且降低趋势随着遮挡气泡层厚度和数密度的增加而更为剧烈。搭建了实验室条件下的模拟舰船尾流激光探测系统,对不同气泡层特性遮挡的情况进行了验证,得到了遮挡效应会随着气泡层的厚度、数密度增大而不断变强的变化规律。对测试数据进行归一化处理,实现了仿真与实验的相互验证,可为舰船尾流激光探测工程化提供支撑。     

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。     

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。     

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。     

国内尾流光学检测研究进展

以检测参量为主线,综述了国内尾流光学检测近15年的发展历程。归纳了已有的连续激光散射强度检测、成像检测、脉冲回波检测和偏振检测等四大类不同的尾流光学检测方法,介绍了不同检测方法的基本原理、发展以及存在的问题。结合检测的新方法、信号处理与抗干扰技术、建立尾流特性数据库和拓展相关应用对尾流光学检测的进一步研究进行了展望。     

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.     

远场微气泡尾流的后向散射线偏振度探测法

针对后向散射光强特性难以探测远场微气泡尾流的问题,利用矢量Monte Carlo方法对气泡尾流的多层多分散模型中线偏振光入射时后向散射的光强和线偏振度信号进行了仿真。验证了光强信号的"双尖峰"特性,同时发现了线偏振度信号的"双下降速率"特性,根据此特性提出了气泡尾流的线偏振度探测法。与常用的光强探测法相比,该方法的探测距离更远,气泡半径更小,是一种有效的远场微气泡尾流探测法。     

舰船尾流散射特性的研究

利用Mie理论计算了单个气泡和舰船尾流横截面内气泡群的体散射函数.计算结果表明尾流中心的后向散射高于尾流边缘的.舰船尾流横截面内气泡群的散射与气泡大小,气泡尺寸分布和尾流深度有关系;在散射角180°附近后向散射增强显著;在散射角60°～80°之间,气泡群的散射相对于相邻角度有所增强.     

基于激光多普勒效应的舰船尾流探测研究

为了改进鱼雷激光尾流制导方法,在激光多普勒效应的基础上,建立激光探测舰船尾流的理论模型,并设计出差动型光学系统,使探测器接收到的散射光信号产生多普勒频移,有效提高信噪比。仿真结果表明,通过锁相放大技术处理,能检出待测目标多普勒差频信号,并抑制噪声,在水中兵器领域有应用前景。     

舰船尾流中脏气泡光的散射特性

阐述了舰船尾流气泡的分布特性和气泡数密度的衰减特性。基于Mie散射理论,计算和分析了干净 气泡和脏气泡光的背向散射特性,群体干净气泡和脏气泡光的背向散射特性.     

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。     

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。     

基于后向散射的激光雷达系统研究与仿真

激光在大气中传输时，大气中的气体分子、气溶胶粒子、雾、雨等将对激光产生后向散射，以激光雷达系统利用大气的后向散射实现其气体分子、气溶胶粒子的测量为背景，给出了激光雷达系统设计的基本原理，并对系统的重要组成部件和各部分的功能进行了说明。结合实际的试验数据和器件的性能参数，分析了系统的信噪比随探测距离的变化，系统的激光发射机发射的能量与作用距离的关系，并对影响激光雷达探测性能的目标特性进行了研究，为具体的工程应用提供了依据。     

舰船尾流中气泡的主动声反射/散射模型

用声反射和折射定理分析气泡与水的分界面处入射声波的反射与折射作用,振动类比电路和气泡的多阶谐振公式分析气泡的声散射作用,建立尾流中气泡的主动声特性模型.通过分析尾流中气泡的主动声反射/散射模型,为后续的多个气泡及尾流的主动声反射/散射模型奠定基础.