基于激光波前变化的水中动态目标尾迹探测系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于激光波前变化的水中动态目标尾迹探测系统及方法。该探测系统包括：激光器、哈特曼波前传感器和信号处理系统。本方法是将探测系统置于水中，激光器产生高斯光束，哈特曼波前传感器接收并检测激光束通过待测水域后的波前信息，信号处理系统实时处理波前信息并输出波前畸变量，实现对水中动目标尾迹的检测。其探测过程为：在实验室条件下多次测量激光束波前的畸变量，给出目标尾迹存在的判断标准；在实际水域中实时测量激光束波前的畸变量并与判断标准比较，如果波前畸变量大于判断标准，则判定目标尾迹存在，否则判定目标尾迹不存在。本发明专利技术具有探测精度高和探测距离远的优点，可用于对水面舰船和水下航行器的远距离精确探测。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于激光技术应用领域，涉及动态目标尾迹的探测，具体是一种对水中动态目标尾迹的探测系统及方法，可用于水面舰船跟踪、水下动态目标探测、水中兵器自导及水下航行器的设计。
技术介绍
随着各国对海洋资源的开发和海防意识的日益增加，对海水中动态目标的探测和跟踪成为一个重要的研究课题。水下探测方法除传统的声学探测方法外，还出现了光学探测方法、红外探测方法和电磁探测方法等。声学探测，是依据探测装置是否发射声信号分为主动声探测和被动声探测，依据探测客体是否为探测目标本身分为直接探测和尾迹探测。主动声探测是发射声信号，并接收探测目标或探测目标尾迹反射声信号的变化来探测目标。被动声探测方法，在直接探测时通过接收探测目标的各种噪声信号确定探测目标的距离和方位；直接探测是接收目标的各种噪声信号确定目标是否存在；声尾迹探测是通过测量海水声阻抗的变换确定目标尾迹是否存在。由于声探测装置体积庞大及主动声探测回波信号存在时间延迟，因而不能满足水中动态目标探测和水中兵器自导的要求。红外探测，是利用探测目标发出的红外辐射特性不同于周围水域，经红外探测设备接收和光电转换成为可识别的图像来探测目标。红外探测依据探测目标处于水中的位置分为水面目标探测和水中目标探测。其中水面目标探测是通过对探测目标的运动造成的水表面红外辐射特性变化的检测来探测目标；水中目标探测是通过对探测目标的热尾迹的检测来探测目标。红外探测具有环境适应性好、隐蔽性好、抗干扰能力强、且设备体积小、重量轻、功耗低等优点，但这种技术目前还是在假设的理想条件下能适用，要建立更接近于实际情况的计算模型还需要继续研究。电磁探测，是探测目标造成带电荷的海水流动形成磁场，这种磁场能量较小，但衰减较慢，通过检测磁场的存在来探测目标。电磁探测提出的较早，但是由于探测使用的电磁波在水中衰减较大，无法进行远距离探测，同时复杂的海洋环境会产生一定的干扰，因此电磁探测尚未得到实际应用。4光学探测，是通过检测激光在目标尾迹中传输时激光光学特性的变化来达到对动态 目标的探测与跟踪。光学探测依据目标尾迹对激光传输特性的影响分为激光强度探测、 激光散射特性探测和激光散射空间频谱探测。其中激光强度探测，是激光在目标尾迹中 传输时，通过检测光强的变化来探测目标；激光散射探测，是激光在目标尾迹中传输时， 通过检测在不同散射角下散射光强的变化来探测目标；激光散射空间频谱探测，是激光 在目标尾迹中传输时，通过对激光散射空间频谱的变化的检测来探测目标，参见邓仲 芳，刘继芳，李增荣，"利用后向散射光空间谱强度分布探测尾迹气泡的实验研究"，光 子学报，2006。光学探测具有光波波长远小于声波波长，激光速度高、方向性好、灵敏 度高、抗干扰能力强，探测距离比声学探测的距离远等特点而备受关注。但是由于受到 水中气泡、杂质等对激光的吸收和散射，激光强度的波动较大，因此利用光强变化探测 目标的方法精度较差，尚不能实用化。而利用光的散射特性探测目标的方法又会出现当 目标尾迹中存在较少气泡或只存在紊流的情况下，无法对光散射空间频谱检测的问题， 不能满足对探测目标的远距离探测。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述已有光学探测方法的不足，提供一种基于激光波前变化 的水中动态目标尾迹探测系统及方法，可以在水中只有气泡或只有紊流或同时存在气泡 和紊流的情况下对水面远距离目标和水下目标的精确探测。本专利技术是这样实现的1.技术原理水面舰船和水下航行器等动态目标只要运动，都会在水面或水中留下航迹。这些航 迹是目标在水中运动对水的扰动和其推进器螺旋桨叶对水扰动产生的尾迹。尾迹相对周 围无扰动的水介质来说，存在气泡和紊流两种形态。由于紊流存在的时间比气泡要长， 因而利用紊流对激光束特性的影响进行探测，能够获得更高的探测精度和更远的探测距 离，因此本专利技术针对水中的气泡和紊流，通过检测激光在水中传输时波前的变化实现对 水中动态目标尾迹的探测。水中动态目标尾迹是一个包含气泡和紊流的动态系统，由于气泡的运动使大气泡不 断浮出水面、小气泡溶解以及紊流随时间的演化，水中目标尾迹的折射率空间分布这一 光学特性与无扰动的静水不同，因此光束在其中传输时其光波前形状会随之变化。 一方 面，随着动态目标的大小和运动速度不同，其产生尾迹的宽度和深度各不相同；另一方面，随着距目标的远近不同，尾迹中气泡的大小、数量和紊流的强度也不同。因此检测 激光束在目标尾迹中传输时光波前形状的变化可以进行动态目标的探测和跟踪。光束在介质中传输，介质对光束的影响分为强度衰减影响和波前扰动影响。以波前 形状为平面的光束为例，其在不同介质中传输时发生的波前畸变如图1所示。当光束通 过均匀介质时，垂直光传播方向的平面上的各点相位延迟相同，波前形状不变，如图1 (a)所示；当光束通过非均匀介质和含有气泡的介质时，折射率的不同导致光束沿不同 方向的光程不同，因此波前形状出现畸变，如图1 (b)和图1 (C)所示。已知光波场可以描述为=^0V)exp (1)其中^(F力为振幅，『(fV)为光波前，A:为波矢大小，0(,，/) = ^^,/)为相位分布。假设在z-0处，波前相位分布为0(;c，力。由于扰动的存在导致折射率改变，引起的 相位畸变是从z = 0到r的累加畸变。将空间折射率的变化写成如下形式= "。+△"。 (2)式中W。是介质本身的折射率；A"(F)是由于扰动的存在导致的折射率变化量；『和折射率的关系为『=C。 J"(F)d/ = C。 J["。 + A"(F)〗d/ =『。+ C。 jA"(F)(》dz (3)由真空光速的定义C。一1相应的相位畸变为式(4)和式(5)反映出，由于介质折射率空间分布的变化导致激光束波前相位的 变化；反之，测量激光束波前相位的变化，可以得到介质折射率的变化起伏。本专利技术基 于激光波前变化的水中动态目标探测系统和方法，正是通过测量实际水域中激光束波前 的畸变量，来间接测量水中气泡和紊流扰动因素的强弱，从而判断目标尾迹的存在。激光束波前的变化用哈特曼波前传感器进行测量。哈特曼波前传感器的原理如图2 所示，微透镜阵列将入射孔径分割成许多子孔径，并聚焦到CCD探测器上，形成一个光 斑阵列。当一束标准平行光入射时，如图2(a)所示，入射到每个子孔径上的波前相互平:，，可得则光波前变化为:A『(;c，y)= f Aw(JC，y，z)dz (4) A0二&A^-ifcfA"(;c，j;，z)dz (5)6成等间距均匀排列的光斑阵列，如图2(b)所示，标定此时各个光 斑的原始位置，并予以保存。当波前发生畸变的光束入射时，如图2(c)所示，入射到每 个子孔径上的波前倾斜将造成该子孔径光斑位置的移动，如图2(d)所示，移动量正比于 波前斜率和微透镜的焦距，通过CCD测量光斑在两个垂直方向上相对于事先标定的原始 位置的位移量就可以测量出该子孔径内波前在两个方向的斜率，最后利用波前复原算法 通过波前斜率重构出波前相位，进而得到波前相位的P-V值、rms值及泽尼克系数等波 前信息参数。 2.技术方案本专利技术提供的基于激光波前的水中动态目标尾迹探测系统，包括 激光器，用于在水中产生单一方向的高斯光束；哈特曼波前传感器，安放在激光器的光束传播方向，用于获取激光光斑，对高斯激 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于激光波前变化的水中动态目标尾迹探测系统，包括：　激光器，用于在水中产生单一方向的高斯光束；　哈特曼波前传感器，安放在激光器的光束传播方向，用于获取激光光斑，对高斯激光束的传输相位进行准确实时的测量，通过对点阵列波前斜率的 计算重构出激光波前，并将波前信息输入给信号处理系统；　信号处理系统，用于对激光波前信息进行实时处理，并与实验室得到的目标尾迹存在的判断标准相比较，判断目标尾迹是否存在，并将目标尾迹的信号输入给后续部件。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：冀邦杰，刘继芳，马琳，石顺祥，孙艳玲，张斌，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：87[中国|西安]