深海目标探测中载波调制激光雷达技术的仿真分析

在深海目标探测中,蓝绿激光雷达发出的激光受到水体的后向散射,回波信号对比度下降严重,无法满足水下目标探测应用的要求.载波调制激光雷达水下目标探测技术能够有效抑制海水后向散射,提高目标对比度.利用计算机仿真载波调制激光雷达水下目标探测系统,通过仿真系统模拟回波信号,然后对比回波信号中激光信号和微波信号的目标对比度,并分析...     

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。     

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。     

面向车载应用的混沌激光成像雷达抑制交叉干扰实验研究

激光雷达已经成为无人智能车必备的环境感知设备.现有基于脉冲测距体制的车载激光雷达极易受到其他车载激光雷达的交叉干扰,导致雷达虚警和误判,引发交通事故.文章利用布尔混沌信号调制激光器产生的混沌激光作为雷达探测信号,结合扫描成像技术,构建混沌激光成像雷达系统,实验实现了 目标物体的三维成像,并对其抑制交叉干扰的能力进行了实验测试.实验结果表明,在不采取任何抑制干扰措施的前提下,基于布尔混沌雷达波形的正交性,仍可在高强度干扰下实现探测目标的三维重构,有效抑制交叉干扰的影响.     

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.     

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。     

脉冲调制激光雷达水下成像系统

针对水下目标探测应用场景,给出了相应的532 nm波长激光雷达系统参数,结合条纹管激光雷达和载波调制激光雷达的优点,设计研制了一套水下三维成像增程激光雷达原理样机。相对于常见的微波调制激光产生高频脉冲的方案,该原理样机采取调Q技术压缩激光脉冲,再结合F-P腔的特性产生高频激光脉冲,具有峰值功率高和输出能量高的优点。实验结果表明,该原理样机在清水环境中成像距离优于20 m,能够捕捉到13 m处直径9 mm的目标细节;在浊水环境中的信号处理增程能力达到81.4%,相对距离分辨误差为0.01 m。所获得的实验结果为进一步提升水下激光雷达的成像距离和分辨率进而发展水下成像装备奠定了基础。     

载波调制激光雷达滤波带宽的半实物仿真平台

将脉冲激光调制成更窄脉宽的脉冲串,并作为激光雷达信源信号用于水下探测,在接收端采用窄带滤波器的方案被证明可以有效抑制海水后向散射对水下探测的影响。在实际应用中,在调制频率一定的情况下,接收端滤波器带宽设计直接决定系统对海水后向散射抑制能力。在研究海水水质参数与脉冲激光频率展宽的基础上,构建海洋载波调制脉冲激光雷达半实物平台进行仿真实验研究。半实物仿真表明,随着滤波带宽增大,对比度提升呈现出了先增大后缓慢下降的趋势。最后通过实验结果的对比分析给出了一种滤波器带宽设计方法。     

目标散射特性对激光雷达回波特性的影响分析

研究目标散射特性对其激光雷达回波特性的影响是进行目标激光雷达主动成像、跟踪以及目标识别的基础。首先推导了考虑探测激光时空分布的目标激光雷达回波公式,通过3DS MAX软件建立了三种典型目标的三维模型,采用单站激光雷达BRDF模型仿真得到了理想漫反射、近似镜面反射以及粗糙表面三种情况下不同目标多角度回波峰值序列,基于此分析了目标散射特性对其激光雷达回波特性的影响,可为目标激光雷达主动探测及成像提供理论参考。     

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。     

基于脉冲宽度调制技术的激光引信抗干扰方法

针对激光引信易受云烟雾干扰的问题,提出了一种基于脉冲宽度调制技术的激光引信抗干扰方法。计算了不同脉冲宽度条件下的云烟雾后向散射回波功率,并给出了云烟雾后向散射回波功率随发射脉冲宽度的变化规律。分析了不同云烟雾条件下使用不同发射脉冲宽度探测时所得到的回波功率比。实验结果表明,在使用不同脉冲宽度激光探测条件下,云烟雾激光后向散射功率比大于3,使用该方法可有效提升激光引信抗干扰性能。     

距离选通技术在三维成像激光雷达中的应用研究

距离选通技术在三维成像激光雷达中有着重要应用,是一种解决水下微光成像和抑制后向散射问题的简单有效方法之一。文中概述了距离选通技术的原理和应用范围,根据实时成像的需求,提出了一种实时距离选通成像系统的设计方案,该方案只需要一次成像就可以完成距离选通成像并求解出目标距离。根据质心法求解距离的原理,详细推导了成像系统的距离像和距离精度,并用仿真软件仿真分析了该系统距离像的距离精度和目标距离、时间切片数量、信噪比之间的关系。仿真结果表明:距离精度受系统信噪比的影响很大,当信噪比大于2 000时,测距精度优于0.2 m。     

距离选通水下成像中基于等水体后向散射光能量的目标搜索方法

研究了距离选通水下成像系统中基于等水体后向散射光能量的目标搜索方法,建立了ICCD接收水体后向散射光能量计算模型,给出了单次成像时ICCD 接收水体后向散射光能量的计算公式。通过控制系统成像时的开门时刻和选通门宽,使得系统每次成像时接收到的水体后向散射光能量相等,确定了基于等水体后向散射光目标搜索方法的搜索策略,并给出了搜索策略的仿真计算结果。利用在某次成像中,目标存在会导致系统接收信号光能量增大的特点,给出了目标存在的判别准则,仿真计算结果验证了所提出的判别准则的正确性。