高散射抑制比激光雷达水下探测技术探析

浅海海水严重的后向散射是阻碍激光近海水下探测应用的关键问题,回波信号中的后向散射制约了水下目标探测深度、分辨率和对比度.针对该问题,研究了两种高散射抑制比海洋激光雷达——混沌脉冲激光雷达和相干双频脉冲激光雷达,这两种激光雷达信号具有内在的高频强度调制特性,而后向散射具有低频特性.因此,在目标信号光和后向散射光同量级条件下,可通过带通或高通滤波将海水后向散射滤除,从而提高系统信噪比.     

载波调制高斯脉冲激光水下传输特性的仿真分析

光在水中传输时的吸收和散射效应使得激光的水下传输特性变得复杂,尤其是后向散射会造成目标对比度降低,导致利用激光进行水下探测时面临挑战,而载波调制技术可以用来抑制水下激光雷达的后向散射。利用基于蒙特卡罗方法的计算机仿真技术建立余弦调制高斯脉冲激光水下传输模型,并讨论光载微波脉冲宽度、调制频率和调制深度等参数对探测结果的影响。结果表明:相比于传统脉冲激光雷达的仿真结果,载波调制相关检测技术可以有效提高水下目标对比度;脉冲宽度存在最佳值,调制频率对目标回波信号的信噪比和测距精度有影响,调制深度越大,目标回波信号的信噪比越高。     

基于独立元分析的水下激光雷达后向散射噪声去除方法

模拟了调制脉冲激光雷达在水下的探测信号,利用快速独立元分析方法(FastICA)的迭代算法将探测信号中的目标与后向散射信号分离,恢复出浑浊水域被强后向散射淹没的弱目标反射回波信号,极大地提升了信噪比.将解调信号设置为调制频率及三倍调制频率余弦函数之和,目标回波信号只需一次相干解调即可获得,其峰值位置与目标和探测器之间的...     

激光脉冲宽度对远距离尾流气泡后向检测的影响

为了分析激光脉冲宽度对远距离尾流气泡后向检测的影响,基于Fournier Forand体积散射函数,通过Monte Carlo方法建立了水中激光脉冲后向散射信号时域特征的分析模型.利用该模型研究了初始激光脉冲宽度不同时,水中远距离舰船尾流气泡的激光脉冲后向散射信号变化情况.结果表明:随着初始激光脉冲宽度的增加,后向散射信号中水体散射信号与尾流气泡回波信号的轮廓变得模糊|当脉冲宽度增大到一定程度时,无法从后向散射信号中辨别出回波信号|并且,随着尾流区气泡散射强度的减小以及气泡区与检测器之间距离的减短,这种变化趋势变得更加明显.基于仿真结果,提出一种基于逆卷积运算的尾流气泡回波信号提取方法.     

非球形灰霾的紫外脉冲回波特性

为了区分不同物理特性的非球形灰霾粒子,基于T矩阵理论和蒙特卡洛方法,建立了"日盲"紫外光后向散射探测灰霾模型,仿真了非球形灰霾条件下的紫外光后向散射过程,并分析了不同宽度的紫外脉冲后向散射回波的峰值功率和半高全宽等特征.研究结果表明,当灰霾浓度在500μg/m~3以内时,紫外脉冲后向散射回波峰值功率随着灰霾浓度的增大而增大,且不同浓度灰霾的脉冲回波峰值功率之间呈线性关系,脉冲回波半高全宽随着灰霾浓度的增大而减小.对于椭球形和圆柱形灰霾粒子,在相同浓度条件下,当粒子的形变量越小时,脉冲回波的峰值功率和半高全宽越大;对于切比雪夫形灰霾粒子,在相同浓度条件下,当形变参数和波纹参数越大时,脉冲回波的峰值功率和半高全宽越大.本文研究结果可为紫外光探测灰霾浓度以及区分非球形灰霾粒子提供依据.     

脉冲宽度对云雾回波的影响研究

云雾后向散射会产生引发激光引信虚警的回波信号.基于蒙特卡罗法,对云雾散射回波进行了模拟仿真,并定量给出了云雾散射回波的波形、波峰位置、脉宽和峰值功率随发射脉冲宽度的变化规律.研究结果表明,回波峰值功率随着发射脉宽的增大而增大,且当发射脉宽增大到50ns后趋于饱和,峰值功率将不随脉冲宽度的变化而变化;脉冲展宽的程度随发射脉宽的增大而减弱;发射脉宽对云雾散射回波波峰位置的影响较小.给出的回波信号模拟仿真结果可以为窄脉冲激光引信的目标识别以及探测阈值和脉冲宽度等参量的优化设计提供依据.     

脉冲宽度对云雾回波的影响研究

云雾后向散射会产生引发激光引信虚警的回波信号,基于蒙特卡罗法,对云雾散射回波进行了模拟仿真,并定量给出了云雾散射回波的波形、波峰位置、脉宽和峰值功率随发射脉冲宽度的变化规律.研究结果表明,回波峰值功率随着发射脉宽的增大而增大.且当发射脉宽增大到50ns后趋于饱和,峰值功率将不随脉冲宽度的变化而变化:脉冲展宽的程度随发射脉宽的增大而减弱;发射脉宽对云雾散射回波波峰位置的影响较小.给出的回渡信号模拟仿真结果可以为窄脉冲激光引信的目标识别以及探测阈值和脉冲宽度等参量的优化设计提供依据.     

一种激光雷达测量海洋光学参数的新方法

为了拓展海洋光学参数的激光遥感测量手段,借鉴高光谱分辨率多普勒激光雷达对大气散射信号的测量机制,提出了一种利用激光雷达水下后向散射信号测量海洋固有光学参数的新方法。在原理方面,描述了测量系统的组成和利用碘分子吸收滤波器实现水分子瑞利散射信号和悬浮物米散射信号的光谱分离测量方法, 在结论方面,给出了利用海水激光后向散射信号实现海水悬浮物后向散射系数和海水体消光系数的具体反演算法。     

海洋赤潮温度盐度双参数检测技术研究

针对海洋赤潮的实时监测和预报,提出了一种通过检测海水中布里渊散射回波信号,获取海洋赤潮水体温度和盐度分布信息的双参数检测技术。通过分析布里渊散射理论,建立基于机载蓝绿激光雷达的布里渊散射信号频移量和布里渊散射信号能量与海水温度和盐度的关系模型。通过仿真计算,可由海水中的蓝绿激光布里渊散射回波信号的频移量和能量,分别得出海表及海水50 m深度以内温度和盐度的分布情况,从而可以实现海水温度和盐度的双参数实时获取,为实时判断海洋赤潮的消长过程提供理论依据。     

检偏角对水中光脉冲后向散射特性的影响

水体自身对光脉冲有着较强的散射,这限制了水下目标探测的有效检测距离。利用偏振技术对近处水域散射信号进行抑制,有着极大的应用价值。实验探测和分析了探测系统检偏角不同时,水体对激光脉冲后向散射特性的影响。结果表明,检偏角不同时,光脉冲后向散射信号的前沿、后沿、脉宽、峰值、波形以及脉冲面积等特性都会发生变化;利用偏振技术可以有效地对近处水域的散射进行抑制。     

脉冲串互相关方法在远程激光测距中的应用

基于单脉冲激光测距在远程激光测距中的局限性,提出了一种基于发射脉冲串与回波脉冲串互相关的信号处理方法。该方法将多个激光发射脉冲和回波脉冲作为一次连续信号同时数字化,然后进行互相关处理。采用激光强度与发射间隔可调的激光系统来模拟不同反射强度、不同距离的测距回波信号;通过处理不同信噪比的回波信号,来探究本方法对于回波信号信噪比的提升能力以及对于尖峰噪声的抑制能力。实验结果表明,该方法能够有效提高回波信号的信噪比,信噪比为0.11的弱回波信号经过处理后信噪比被提升到5.92,从而扩展了激光测距系统的测程,有效降低了探测系统的探测虚警率,提高了远程激光测距系统的弱回波探测能力。     

相干激光雷达中最大似然离散谱峰值估计及Monte Carlo仿真

相干测风激光雷达中一个核心的问题是从微弱的气溶胶后向散射信号中估计出风速。基于零均值复高斯随机过程协方差矩阵统计模型的后向散射信号,首先讨论了最大似然(ML)离散谱峰值(DSP)风速估计算法的克拉美-罗下界(CRLB)与由Fisher信息矩阵论得到的精确CRLB之间的关系。其次,对于ML DSP估计应用于相干测风激光雷达中协方差矩阵统计模型的后向散射信号时,使用计算机Monte Carlo仿真的方法研究了风速估计的概率密度函数。分别讨论了信噪比、激光脉冲累积发数和发射激光脉冲宽度对ML DSP风速估计性能的影响。计算仿真结果表明:ML DSP风速估计的CRLB低于精确的CRLB;在信噪比为-20dB,100发激光脉冲累积和信噪比为-30dB,10 000发激光脉冲累积条件下,ML DSP风速估计中"坏"的估计值所占的比例都为0,"好"的估计值的标准差分别为0.62m/s和0.50m/s。     

转动拉曼激光雷达探测大气温度的系统设计及模拟计算

本文对转动拉曼散射激光雷达探测的大气后向散射回波进行了数值模拟计算,计算结果得到了现有的数据的验证,证明了这种设计是可行的。并就激光脉冲能量、发射的激光脉冲数、望远镜的直径和垂直分辨率对转动拉曼激光雷达回波信号信噪比的影响进行了较为详细的分析与讨论,简要分析了测温精度。     

载波调制激光雷达水下目标探测的仿真分析

激光雷达应用于水下目标探测,光信号受水体后向散射影响,导致目标对比度严重下降。一种以载波调制激光脉冲为探测信号的方法可实现对后向散射信号的抑制。利用基于蒙特卡罗的光子传输模型,模拟载波调制激光雷达水下目标探测的全过程。结果表明该方法对水下目标探测有明显改善,调制参数对探测性能有较大影响。     

机载多脉冲激光雷达目标信号模拟器的研究

研究多脉冲激光雷达目标信号模拟器,用以评估回波数字信号处理算法及其实现平台的性能。结合信号能量与波形关系指出由激光雷达方程建立回波信号波形模型是不充分的。对空中目标回波脉冲展宽进行建模及数值仿真,得到不同倾角、目标距离及目标尺寸下的波形展宽时间数据。根据展宽前后能量保持不变的性质,利用高斯脉冲函数特征参数求解建立回波波形数学模型。基于目标距离误差及目标回波噪声统计特性建立回波仿真模型,提出了依信噪比发生回波观测信号的方法。对比两种模拟器的信噪比误差、最小模拟信噪比、连续工作时间等性能指标,总结了新型模拟器的优势。     

基于Fournier Forand体积散射函数的水中激光脉冲后向散射特性分析模型

基于Fournier Forand体积散射函数,建立了一种水中激光脉冲后向散射仿真模型.运用该模型可用Monte Carlo方法模拟光子在水中的传播过程,并得到光波后向散射的冲击响应.将初始激光脉冲与冲击响应进行卷积并求其傅里叶谱,即可得到激光脉冲后向散射信号的时域和频域特征.利用该模型分析了入射为高斯型激光脉冲时,水中散射体的尺度分布、散射体与纯水的相对折射率以及水体衰减系数对激光脉冲后向散射特性的影响.结果表明：随着小尺度散射体相对数量的增多、散射体与纯水相对折射率的增加、水体衰减系数的增大,激光脉冲后向散射信号能量增强,宽度增加,低频分量显著增大.     

近距云雾回波蒙特卡罗模拟与实验测量

在激光引信中,云雾后向散射会产生引发虚警的回波信号。基于蒙特卡罗法对云雾回波信号进行了模拟仿真,并在云雾室内开展了测量实验,利用测量结果对理论模型进行了验证。研究结果表明:当发射脉冲宽度小于10 ns时,云雾散射回波展宽效应显著,且展宽效应主要是由多次散射产生的;激光回波的实验测量结果与理论计算结果吻合得较好,都近似为高斯波形,且其回波宽度的差别小于6%,回波功率差别小于30%。     

基于双向反射函数的水下激光引信回波仿真方法

针对鱼雷激光近炸引信探测水下近场目标的需求,开展了水下激光引信回波蒙特卡洛仿真方法研究.结合水下激光引信探测特点建立水下目标回波的蒙特卡洛仿真模型.为了提高水中非朗伯目标表面回波仿真的准确度,推导了基于双向反射函数的光子反射方向概率分布,根据概率分布随机抽样光子反射方向.仿真了不同距离和入射角度条件下的水中目标回波信号.仿真结果表明:目标回波幅度随目标距离和入射角度的增大迅速下降,目标距离在6~12m内变化时,信号峰值动态范围为11.5dB;目标距离为8m,激光入射角在0~45°内变化时,信号峰值动态范围为9.2dB.为验证仿真方法的正确性,在水池中进行水中目标蓝绿激光探测实验,实验结果和仿真结果一致.研究成果可为解决传统蒙特卡洛方法在水中非朗伯面目标回波仿真中的适用性问题及水下激光引信优化设计提供参考.     

海洋混合悬浮颗粒对蓝绿激光的散射特性研究

激光在水下的传输很大程度上会受到海水中悬浮颗粒物的影响,而目前对于海洋中悬浮颗粒物光散射的理论研究大多是针对单一成分的悬浮粒子而进行的,但是在真实海洋中悬浮颗粒物都是以多种成分混合的颗粒群形式而存在的,因此研究真实海洋中混合悬浮颗粒物对蓝绿激光的散射特性具有重要意义。该研究选取了对蓝绿激光传输产生较大影响的浮游藻类植物、悬浮泥沙、碎屑、悬浮气泡和矿物质这五种常见的悬浮颗粒物作为研究对象,充分考虑真实海况中这五种悬浮颗粒物的不同混合情况,构建了海水中混合球形悬浮颗粒物对蓝绿激光的散射特性模型。数值计算了海水中五种物质混合的球形悬浮颗粒物对532 nm蓝绿激光的统计平均光散射参量和平均散射相函数,分析不同混合悬浮颗粒物的混合比对平均散射、吸收和消光系数以及单次反照率随着粒子有效半径和粒子数浓度变化的影响,同时分析了不同粒子尺寸下的不同混合比对混合悬浮颗粒物的平均散射相函数随着角度变化的影响。数值结果表明,当悬浮泥沙在整个混合模型中占比越大时,平均散射系数越大,而当悬浮藻类粒子在整个混合模型中占比增大时,平均吸收系数增大,由此可知海洋中对光造成主要影响的五种常见悬浮颗粒物中,悬浮泥沙对光散射作用影响最大,悬浮藻类粒子对光吸收作用影响最大。随着悬浮颗粒物浓度的增大,混合粒子的单次反照率保持不变,由此可知混合悬浮颗粒物的平均光散射参量随着粒子浓度的增长速率是一致的。海洋中混合悬浮颗粒物的平均散射相函数随着粒子的有效半径的增大而增大,散射作用最大的混合比下的悬浮颗粒物其平均散射相函数最大,悬浮颗粒物的前向散射较强。该工作对蓝绿激光在海水中传输、信道建模,水下无线光通信的研究以及激光探测都具有重要的理论指导意义。     

舰船尾流气泡后向光学检测方法研究

为探索舰船尾流后向光学检测方法,研究了尾流气泡对水中激光脉冲后向散射特性的影响。首先基于Fournier Forand 体积散射函数,利用蒙特卡罗(Monte-Carlo)方法理论分析了近距离尾流气泡对激光脉冲后向散射特性的影响。然后,采用蓝绿激光脉冲作为光源,实验研究了模拟尾流气泡对激光脉冲后向散射信号的影响。研究表明,尾流气泡的存在会使得激光脉冲后向散射信号前沿位置在时域左移,后沿位置在时域右移,信号时域宽度增加,能量增强,峰值增大且位置在时域左移。最后根据研究结果提出了一种基于激光脉冲后向散射信号特征变化的舰船尾流气泡后向检测方法。