水下脉冲激光近程周向扫描探测技术研究

摘要

随着海水中蓝绿透光“窗口”的发现，水下激光通信、激光成像以及海洋激光雷达等技术得到了深入地研究。水下蓝绿激光探测具有方向性好、精度高、抗干扰能力强等优点，应用在水下近程目标探测中能取得比水声探测更优的成像和定位精度。开展水下脉冲激光近程周向扫描探测技术研究，实现对水下近程目标的距离解算和方位识别，为鱼雷定向起爆战斗部提供目标距离和方位信息，精确控制战斗部起爆方向和时刻，以充分利用战斗部爆炸威力。该研究对提高鱼雷战斗部毁伤效能，实现引信与水下定向起爆战斗部的引战配合有重要意义。
　　本文以水下激光近炸引信为研究对象，设计了适用于海水环境和鱼雷载体的水下脉冲激光近程周向扫描探测方案。提出了含有目标表面光子反射过程的水下激光回波蒙特卡洛仿真方法，基于系统最优信噪比模型优化了非同轴光学系统光路，设计了提取目标回波信号的水下激光回波自适应滤波算法，分析了海水中脉冲激光测距精度，设计了扫描探测目标方位识别方案，研究了系统脉冲频率和扫描频率对系统捕获率的影响，设计了水下激光近程周向扫描探测系统原理样机，进行了实验室水池和海水环境中样机测试实验。
　　提出了基于海水光学特性、目标反射特性以及水下激光近程探测的目标回波蒙特卡洛仿真方法。根据海水中各组分的固有光学特性，计算了海水对532nm绿激光的吸收和散射系数。分析了海水中悬浮粒子的Mie散射相函数和各类拟合相函数同实验数据的误差，选择HG函数作为散射相函数。结合目标反射特性和水下激光近程探测模型，提出了基于双向反射函数(BRDF)的光子反射方向抽样方法。编写仿真程序，仿真了海水光学性质和探测系统参数对水下激光后向散射和目标回波信号的影响。
　　建立了基于探测区域分布和系统信噪比的水下激光非同轴扫描探测系统光路优化模型。推导了系统盲区距离公式、水中目标回波和后向散射功率方程，分析了系统探测区域和信噪比同光路参数的关系。在不同水质下，采用粒子群算法(PSO)对系统参数进行了优化计算，得到满足探测区域要求的系统最佳信噪比及其对应的光路参数，设计了非同轴激光探测视场模拟装置实验验证理论模型的正确性。分析了光学整流罩对系统光路的影响，设计了针对不同扫描角度需求的光学整流罩。
　　设计了基于VSS-LMS自适应滤波的海水后向散射噪声消除算法，并分析了海水中脉冲激光测距精度。通过自适应滤波器的设计与调整，对输入信号中的海水后向散射信号进行对消，从而提取目标信号。基于海水信道和目标反射的冲击响应函数推导了目标回波时域波形计算方法。结合目标回波时域波形和回波时刻鉴别方法，提出了水下激光测距距离分布仿真方法。仿真了定比延时鉴别和峰值检测回波时刻鉴别条件下，水下激光测距精度，以及发射脉宽、海水光学性质和目标特性对激光测距精度的影响。
　　建立了水下激光扫描探测系统目标捕获率仿真模型。设计了水下目标方位角识别方案，根据探测系统与目标交会条件，计算了系统扫描到目标最低的激光脉冲频率和扫描频率。在此基础上建立了系统探测水下小尺度运动目标的捕获率数学模型，得到了系统在不同水质下探测不同距离处目标最大捕获率及相应的最优激光扫描频率和脉冲频率。
　　设计了水下脉冲激光近程周向扫描探测原理样机，并在实验室水池和海水中测试原理样机性能。实验结果验证了本文提出的蒙特卡洛目标回波仿真方法、海水后向散射滤除算法、水下激光测距距离分布仿真方法等理论模型和方法的正确性。原理样机在海水中的探测距离约为4个衰减长度，测距精度优于±0.3m，目标方位角识别精度优于±5°。

目录

声明

摘要

图目录

表目录

1 绪论

1．1 选题背景及意义

1．2 水下蓝绿激光探测技术国内外发展现状

1．2．1 海洋激光雷达技术

1．2．2 水下激光成像技术

1．3 相关理论与技术研究现状

1．3．1 水下激光传输特性研究进展

1．3．2 海水后向散射滤除技术研究进展

1．3．3 激光周向探测近炸引信技术研究进展

1．4 本文研究内容及行文安排

1．4．1 本文主要研究内容

1．4．2 行文安排

2 水下脉冲蓝绿激光传输与回波特性研究

2．1 蓝绿激光在海水中的传输特性研究

2．1．1 海水成分与光学性质

2．1．2 海水对蓝绿激光的吸收

2．1．3 海水对蓝绿激光的散射

2．2 基于蒙特卡洛法的水中脉冲激光传输仿真模型

2．2．1 海水中光传输蒙特卡洛模拟概述

2．2．2 海水散射相函数

2．2．3 水中光子传输模型

2．3 基于目标表面BRDF的光子反射方向抽样

2．3．1 目标表面反射特性

2．3．2 光子反射方向抽样方法

2．3．3 光子入射方向简化

2．4 仿真结果分析

2．4．1 目标距离的影响

2．4．2 海水水质的影响

2．4．3 激光发散角的影响

2．4．4 接收视场的影响

2．4．5 目标倾斜角的影响

2．5 水下激光周向扫描探测系统总体方案与工作原理

2．5．1 探测系统总体方案

2．5．2 系统工作原理

2．6 本章小结

3 水下非同轴激光扫描探测光路优化与设计

3．1 非同轴激光探测区域分布与系统探测性能分析

3．1．1 系统探测区域分布

3．1．2 目标回波与后向散射功率计算

3．1．3 系统信噪比模型

3．1．4 系统信噪比与光路参数的关系

3．2 系统光路参数优化

3．3 水池实验验证

3．3．1 实验装置设计

3．3．2 实验验证

3．4 多介质光学整流罩设计

3．4．1 光学整流罩对系统光路的影响

3．4．2 不同扫描倾角时光学整流罩设计

3．5 本章小结

4 水下激光目标回波信号提取与脉冲测距精度研究

4．1 基于自适应滤波的目标信号提取技术

4．1．1 水中激光接收信号分析

4．1．2 后向散射自适应滤波原理

4．1．3 基于LMS的后向散射滤除算法

4．2 后向散射滤波效果分析

4．2．1 自适应滤波前后信号对比

4．2．2 自适应滤波稳定性分析

4．3 水下激光测距技术与精度分析

4．3．1 水下激光目标回波展宽与延时分析

4．3．2 回波时刻鉴别方法与目标距离计算

4．3．3 水下激光测距精度仿真分析

4．4 本章小结

5 目标方位角识别方法与系统捕获率研究

5．1 目标方位角检测技术研究

5．1．1 目标方位角检测理论模型

5．1．2 目标方位角检测方案设计

5．1．3 方位角检测误差分析

5．2 系统最低脉冲频率与扫描频率

5．2．1 弹目交会坐标系描述

5．2．2 扫描探测系统最低扫描频率和脉冲频率

5．3 水下小尺度运动目标捕获率数学模型

5．3．1 水下小尺度圆柱目标回波功率方程

5．3．2 系统捕获率模型

5．3．3 捕获率仿真结果分析

5．4 本章小结

6 水下激光周向扫描探测系统原理样机设计及测试实验

6．1 原理样机总体设计

6．2 原理样机子系统设计

6．2．1 高功率脉冲蓝绿激光器

6．2．2 基于APD的微弱信号接收系统设计

6．2．3 发射接收同步扫描机构设计

6．2．4 方位角检测子系统设计与测试

6．2．5 样机控制系统设计

6．3 原理样机水池测试实验

6．3．1 水池实验环境和方法

6．3．2 目标回波测试与信号处理

6．3．3 目标距离与方位角测试结果分析

6．4 原理样机海水中测试实验

6．4．1 近海海水实验环境与实验方案设计

6．4．2 目标回波信号测试与处理

6．4．3 目标距离与方位角检测精度

6．4．4 原理样机海湾测试实验

6．5 本章小节

7 总结及展望

7．1 全文的工作总结

7．2 本文的创新点

7．3 后续工作展望

致谢

参考文献

附录