一种基于尾流区域激光复振幅测量的水下目标辨识方法技术

本发明专利技术提供一种基于尾流区域激光复振幅测量的水下目标辨识方法。本发明专利技术将尾流湍流作为新的检测参量，引入哈特曼

【技术实现步骤摘要】
一种基于尾流区域激光复振幅测量的水下目标辨识方法


[0001]本专利技术提供一种水下航行体光学探测新方法，具体涉及一种基于尾流区域激光复振幅测量的水下目标辨识方法，其采用的是基于水下航行体尾流中传输激光的复振幅参量来探测水下航行体。

技术介绍

[0002]随着声学降噪技术的发展，表面声波降噪技术已经可以做到让水下航行体的反射声波接近于海洋自身的背景噪声，给声纳探潜这种传统方式带来了巨大的困难，亟需新的探测手段。研究者们分析发现舰船在水中航行时，螺旋桨的旋转空化、海面波浪的破碎会导致船尾形成含有大量气泡和湍流的尾流。由于尾流不可避免且与周围海水存在明显不同的物理特性，所以基于尾流的水下航行体探测能使传统的声学干扰和隐身手段降效乃至失效，对于保障海洋安全有重大意义。虽然现在的尾流探测以声学探测为主导，但声波探测精度较低并且容易受声学干扰影响。相对于声波探测，光学探测具有波长短、传播速度快、方向性好、免疫声学干扰等优点，是一种更有潜力的水下航行体探测手段。
[0003]目前尾流光学检测方法主要归结为连续激光散射强度检测、脉冲回波检测和偏振检测三大类，三者都是以尾流中的气泡为检测目标，通过探测激光在尾流区域传播时的散射光强度来实现对尾流的探测。然而，依靠气泡散射光信号来实现尾流辨识，从而不可避免地面临诸多原理上的困难：首先，尾流中的气泡尺度大多为毫米量级，导致反射信号微弱、受水体噪声的干扰显著，严重影响了仪器的探测精度和探测距离；其次，对于水下航行体而言，如果潜深较深，气泡在水中存在、消散的时间会很短，所以水下航行体可以通过改变航速和航行深度等方式来消隐气泡，从而降低仪器准确发现水下航行体的概率；最后，因为气泡对入射光的散射特性与气泡的粒径大小、相对折射率有关，所以，以气泡幕为检测参量就需要深入研究气泡群的散射特性，然而这一问题涉及到大量不同尺度的气泡，十分复杂，目前尚未建立可靠的数理模型和完整的理论体系，造成尾流光学技术难有探索机制上的突破。因此，以气泡为检测目标导致目前光学尾流探测距离短、灵敏度低、信噪比低、难以真正应用，亟需要在探索机制上形成突破。
[0004]幸运的是，在密度分层的真实海水中，尾流特征除了汽泡幕，还存在湍流。真实海洋的密度、温度、盐度等热力学状态参数随深度存在显著差异，在铅直方向往往呈现出宏观层次结构。水下航行体的螺旋桨产生射流会破坏海水的层次结构从而引起内部海水振荡生成湍流。相比气泡幕，湍流具有以下优势，1)相比气泡，湍流尺度大。相关研究表面，大型水下潜航体运动时产生的湍流等扰动形成尾迹波高在艇后1km左右仍能高达12～55厘米,相比毫米级为主的气泡优势明显，以此为检测参量，有望提高尾流信号信噪比；2)相比于气泡，湍流尾迹持续时间长，传播距离远且难以消除。有资料报道，在3～4级海况下，潜艇湍流在海面可以持续存在1～1.5小时以上。这为尾迹探测提供了更大的时间窗口，有助于提高探测成功率。
[0005]我们分析发现，尾流中的湍流会改变水介质折射率导致激光在传输中发生改变，
产生不规则折射现象，使得激光在尾流内外传输后的波前特征发生变化，引起如图2所示各阶不同的波前像差。由惠更斯
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菲涅尔原理可知，波前函数唯一的决定光场，再现波前必将再现一切观测结果,所以，基于尾流区域中激光的波前特征可以重现激光传输过程中遇到的尾流湍流，实现对尾流的辨识。
[0006]波前特征描述了激光在湍流中传输时光场空间上的分布情况，可由复振幅参量来表示：
[0007][0008]其中，P代表点(x,y,z),a(P)反映振幅的空间分布,反映相位的空间分布。由式(1
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1)可知，尾流反射光信号所携带的完整信息包含了振幅与相位，然而传统气泡检测法仅使用了强度信号，未能实现振幅和相位的联合探测。因此，本专利技术提出使用传输激光的复振幅来实现尾流辨识，该参量的优越性体现在：复振幅把光场中两种不同性质的参量集于一身，是光信号强度和相位的天然耦合，本质上是一种多参量的目标特征，可以提供更多的信息和新的观测角度，对于提高尾流探测信噪比、探测精度、抗干扰性能具有重要意义。
[0009]哈特曼
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夏克波前传感技术(Hartmann
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Shack，HS)是一种简洁、高效的光束复振幅信息测量技术，其原理如图3所示。微透镜阵列对入射的待测光束进行子孔径分割，并分别会聚于光电探测器上形成光斑阵列图像。该图像被置于微透镜焦平面的光电探测器采集后，波前复原算法通过计算每个子光斑的质心位置偏移数据即可重构全口径内待测波前畸变的空间分布。
[0010]该技术已被广泛地应用于光学检测、激光光束净化、激光通信、天文观测等领域。因此，本专利技术选择HS技术来探测尾流中传输激光的复振幅，提取其空间频谱信息，并从空间频谱中提取波前随时间变化的时间频谱，从而把激光在尾流中传输后的强度信息和相位信息、空间特征和时间特征统一利用，实现激光尾流探测技术从传统“强度”辨识到更为精确的“复振幅”辨识的突破。

技术实现思路

[0011]本专利技术要解决的技术问题是：以气泡为检测目标导致目前光学尾流探测距离短、灵敏度低、信噪比低、难以真正应用，亟需要在探索机制上形成突破。
[0012]本专利技术要解决其技术问题所采用的技术方案是：本专利技术提出将尾流中选择哈特曼技术来探测尾流中传输激光的复振幅，提取其空间频谱信息，并从空间频谱中提取波前随时间变化的时间频谱，从而把激光在尾流中传输后的强度信息和相位信息、空间特征和时间特征统一利用，实现激光尾流探测技术从传统“强度”辨识到更为精确的“复振幅”辨识的突破。
[0013]具体技术方案如下：
[0014]一种基于尾流区域激光复振幅测量的水下目标辨识方法，如图1所示，所述方法包括以下步骤：
[0015]步骤(1)、激光雷达对海面发射激光；
[0016]步骤(2)、使用哈特曼
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夏克传感器接收海面反射的激光：反射光经微透镜阵列后由光电探测器接收形成光斑图像，基于该图像使用Zernike模式波前复原法获得波前信息
并推导出复振幅，从而得到激光在尾流区域传输后复振幅的空间频谱；
[0017]步骤(3)、分析激光在尾流区域传输后复振幅随时间的变化规律，总结得到时间频谱；
[0018]步骤(4)、通过建立传输激光复振幅时空特征与尾流分布近似对应关系，实现尾流辨识。
[0019]进一步的，利用哈特曼
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夏克传感器来探测尾流中传输激光的复振幅，可以提取传输激光的空间频谱信息，总结时间规律即可提取尾流中传输激光的复振幅随时间变化的时间频谱，从而实现同时获得尾流的时空特征。
[0020]进一步的，基于Zernike模式波前复原法复原激光波前后，通过每一阶的功率谱密度曲线来表示各阶像差时空特性变化情况，使用非线性最小二乘法对功率谱曲线进行拟合从而提取含有尾流中激光传输特性的每一阶功率谱曲线参数，达到掌握尾流湍流对传输激光的调制特征的目的，并以此作为辨识尾流的依据本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于尾流区域激光复振幅测量的水下目标辨识方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：步骤(1)、激光雷达对海面发射激光；步骤(2)、使用哈特曼
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夏克传感器接收海面反射的激光：反射光经微透镜阵列后由光电探测器接收形成光斑图像；基于该图像使用Zernike模式波前复原法获得波前信息从而推导出复振幅信息，得到激光在尾流区域传输后复振幅的空间频谱；步骤(3)、分析激光在尾流区域传输后复振幅随时间的变化规律，得到激光复振幅的时间频谱；步骤(4)、通过建立传输激光复振幅时间频谱和空间频谱与尾流分布的近似对应关系，实现尾流辨识。2.根据权利要求1所述的一...

【专利技术属性】
技术研发人员：金睿焱，王帅，杨平，
申请(专利权)人：中国科学院光电技术研究所，
类型：发明
国别省市：