本发明专利技术公开了一种基于激光光斑漂移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、ＣＣＤ器件和信号处理器，使用时系统置于水中，激光器产生单一方向的高斯光束；ＣＣＤ接收光斑信息；信号处理器对ＣＣＤ的输出进行实时处理，通过对激光光斑漂移量的检测，实现对水中动目标尾迹的检测。其过程为：１．在实验室环境多次测量激光光斑漂移量，并给出目标尾迹是否存在的判断标准和目标尾迹特征的判断范围；２．在实际水域中实时测量光斑漂移量，将若干次测量的光斑漂移量的样本均值和样本方差分别与判断标准和判断范围比较，判断出目标尾迹的存在和特征。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】
本专利技术涉及激光技术应用领域，具体地说是通过检测激光在水中传输时光学特性 的变化实现对水中动态目标尾迹的探测，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。声学被动探测方法，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；在声尾迹 探测时是通过测量尾迹区域海水声阻抗的变换确定尾迹是否存在。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。光学探测，是通过检测激光在探测目标尾迹中传输时激光光学特性的变化来达到 对探测目标的探测与跟踪。光学探测依据探测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，通过对接收光强衰减的检测来探测目标；激光散射探测，是 激光在目标尾迹中传输时，利用目标尾迹对激光的散射作用在不同散射角下散射光强 的变化来检测目标；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 比声学探测的距离要更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，使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气泡 较少或紊流的情况下，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技术的不足，提供一种基于激光光斑漂移的水中 动态目标尾迹探测系统及方法，以实现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传播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进行同时探测。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，且由于气泡的运动使 大气泡不断浮出水面、小气泡溶解以及紊流随时间的演化，光束在其中传输时其方向 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，随着产生尾迹的目标的距离不同，尾迹中气泡大小的组成和 数量和紊流的强度也不同。因此利用光束在尾迹中传输方向的变化与周围无扰动海水介质中的不同就可以进行动态目标的探测和跟踪。激光束传输方向的变化可以用光斑漂移量或光束的漂移角来表示。激光器本身工 作不稳定或内部发热等因素也会引起光束不稳定，由此产生的光斑漂移量很小，可以 忽略。当激光束在水或其它流体中传播时，介质的不均匀分布且随时间变化会导致折 射率的不均匀分布且随时间变化，从而造成光束的传输方向不稳定，光斑呈现明显的漂移。(1)气泡引起的光斑漂移根据Mie理论，当一束光线照射到单个气泡上时，会伴随着发生几种现象，如附图 l所示部分光线偏离原方向沿气泡的边缘发生衍射现象；部分光线在气泡的表面发生 反射现象；部分照射到气泡上的光线会折射进入气泡内部，其中一部分被吸收而转化 成其他形式的能量，如热能，其余的光线穿过气泡后出射。Mie氏理论给出光与各向同性的均匀球形气泡相互作用后散射光场的分布。其光强 按散射角度的分布为柳+ (1)式中P为散射角；/1(0和///(^)分别为 /丄的=<formula>formula see original document page 6</formula>(2)式和(3)式中 和6 分别由下式计算 w4^ (x) — y <formula>formula see original document page 6</formula>(4)式和(5)式中，m-为相对折射率，t为颗粒的折射率，w为介质的折射率; x = Jfcr=^, h竿，义为光的波长，/ 为颗粒半径；甲(p)^J》)，义 义# (P) = pH^(P), (H^0o)-J》)+ iYn(/ ), Ja(和Yn(p)分别为第一类和第二类贝塞尔函数，p为贝塞尔函数的自变量)。r为角函数，定义为<formula>formula see original document page 7</formula> (7)式中，P^(COS0为缔合勒让德多项式。由Mie理论的光强计算表达式可以看出，折射率是一个极其重要的量，它对散射光 场的分布有着极大的影响，随着散射角的改变，散射光光强在空间上的分布也发生变 化。同时考虑尾迹气泡的空间和大小分布以及气泡的运动，所以水中气泡的存在，导 致传播激光束指向性发生改变，而且气泡大小的空间分布不同、气泡密度不同，引起 光束指向性的改变量不同从而光斑的漂移量也不同。 (2)紊流引起的光斑漂移由紊流相关理论可知，尺度远小于光束宽度的紊流对漂移的贡献很小，因此，光 束的漂移主要由大尺度紊流决定。由常用的漂移角方差的表达式可知，当紊流外尺度 相当大时(Ko—0)，而且仅考虑弱起伏，有o>2 =1.709C 2z(2a0r1/3 (8)其中o为光源等效半径，z为传输距离，C为折射率结构常数，它是描述紊流强弱最 重要的物理量。折射率结构常数可用温度结构常数CT来描述C =^Cr (9) 如附图2所示本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于激光光斑漂移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； ＣＣＤ器件，用于采集高斯光束的光斑形状，并通过图像采集卡转换成空间灰度分布，输入信号处理器； 信号处理器，用于对光斑空间灰 度分布进行实时处理，计算光斑中心位置的漂移量，并与实验室得到的目标尾迹存在的判断标准和目标尾迹特征的判断范围相比较，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； 该ＣＣＤ器件与信号处理器电连接，安放在激光器的光束传播方向。
【技术特征摘要】
1. 一种基于激光光斑漂移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；CCD器件，用于采集高斯光束的光斑形状，并通过图像采集卡转换成空间灰度分布，输入信号处理器；信号处理器，用于对光斑空间灰度分布进行实时处理，计算光斑中心位置的漂移量，并与实验室得到的目标尾迹存在的判断标准和目标尾迹特征的判断范围相比较，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；该CCD器件与信号处理器电连接，安放在激光器的光束传播方向。2. 根据权利要求l所述的水中动态目标尾迹探测系统，其特征在于，信号处理器 包括CPLD时序产生器、A/D转换和DSP, CPLD时序产生器产生的时钟信号分别 输入给CCD、A/D转换和DSP， A/D转换和DSP采用主动的DMA方式进行数据传输， 外部输入的模拟信号经A/D转换后输入给DSP处理，DSP处理后分两路以12位的分 辨率输出光斑中心漂移量的样本均值和样本方差。3. —种基于激光光斑漂移的水中动态目标尾迹探测方法，包括如下步骤(1) 在实验室环境中，用CCD分别采集激光器发出的光在静水、水中有气泡、 水中有紊流和水中同时存在气泡与紊流的不同情况下传输后的光斑；(2) 信号处理器接收CCD输出的光斑空间灰度分布，并将光斑空间灰度分布的 最大值坐标确定为当前时刻光斑中心位置；以每一时刻与上一时刻的光斑中心位置之 差，作为当前时刻光斑中心位置的漂移量；(3) 重复步骤(1) ~ (2)，根据在静水情况下连续多次测量光斑中心位置的漂 移量，得到光斑中心位置漂移量的概率密度分布，确定该概率密度分布的置信区间， 并将该置信区间的置信上限确定为目标尾迹存在的判断标准-,(4) 重复步骤(1) ~ (2)，根据在静水、水中有气泡、水中有紊流和水中同时 有气泡与紊流的情况下多...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘继芳，孙艳玲，马琳，石顺祥，张斌，冯喆珺，
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]
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