基於雷射波前變化的水中動態目標尾跡探測系統及方法
2023-09-16 09:54:35 4
專利名稱：基於雷射波前變化的水中動態目標尾跡探測系統及方法
技術領域：
本發明屬於雷射技術應用領域，涉及動態目標尾跡的探測，具體是一種對水中動態目標尾跡的探測系統及方法，可用於水面艦船跟蹤、水下動態目標探測、水中兵器自導及水下航行器的設計。
背景技術：
隨著各國對海洋資源的開發和海防意識的日益增加，對海水中動態目標的探測和跟蹤成為一個重要的研究課題。水下探測方法除傳統的聲學探測方法外，還出現了光學探測方法、紅外探測方法和電磁探測方法等。
聲學探測，是依據探測裝置是否發射聲信號分為主動聲探測和被動聲探測，依據探測客體是否為探測目標本身分為直接探測和尾跡探測。主動聲探測是發射聲信號，並接收探測目標或探測目標尾跡反射聲信號的變化來探測目標。被動聲探測方法，在直接探測時通過接收探測目標的各種噪聲信號確定探測目標的距離和方位；直接探測是接收目標的各種噪聲信號確定目標是否存在；聲尾跡探測是通過測量海水聲阻抗的變換確定目標尾跡是否存在。由於聲探測裝置體積龐大及主動聲探測回波信號存在時間延遲，因而不能滿足水中動態目標探測和水中兵器自導的要求。
紅外探測，是利用探測目標發出的紅外輻射特性不同於周圍水域，經紅外探測設備接收和光電轉換成為可識別的圖像來探測目標。紅外探測依據探測目標處於水中的位置分為水面目標探測和水中目標探測。其中水面目標探測是通過對探測目標的運動造成的水表面紅外輻射特性變化的檢測來探測目標；水中目標探測是通過對探測目標的熱尾跡的檢測來探測目標。紅外探測具有環境適應性好、隱蔽性好、抗幹擾能力強、且設備體積小、重量輕、功耗低等優點，但這種技術目前還是在假設的理想條件下能適用，要建立更接近於實際情況的計算模型還需要繼續研究。
電磁探測，是探測目標造成帶電荷的海水流動形成磁場，這種磁場能量較小，但衰減較慢，通過檢測磁場的存在來探測目標。電磁探測提出的較早，但是由於探測使用的電磁波在水中衰減較大，無法進行遠距離探測，同時複雜的海洋環境會產生一定的幹擾，因此電磁探測尚未得到實際應用。
4光學探測，是通過檢測雷射在目標尾跡中傳輸時雷射光學特性的變化來達到對動態 目標的探測與跟蹤。光學探測依據目標尾跡對雷射傳輸特性的影響分為雷射強度探測、 雷射散射特性探測和雷射散射空間頻譜探測。其中雷射強度探測，是雷射在目標尾跡中 傳輸時，通過檢測光強的變化來探測目標；雷射散射探測，是雷射在目標尾跡中傳輸時， 通過檢測在不同散射角下散射光強的變化來探測目標；雷射散射空間頻譜探測，是雷射 在目標尾跡中傳輸時，通過對雷射散射空間頻譜的變化的檢測來探測目標，參見鄧仲 芳，劉繼芳，李增榮，"利用後向散射光空間譜強度分布探測尾跡氣泡的實驗研究"，光 子學報，2006。光學探測具有光波波長遠小於聲波波長，雷射速度高、方向性好、靈敏 度高、抗幹擾能力強，探測距離比聲學探測的距離遠等特點而備受關注。但是由於受到 水中氣泡、雜質等對雷射的吸收和散射，雷射強度的波動較大，因此利用光強變化探測 目標的方法精度較差，尚不能實用化。而利用光的散射特性探測目標的方法又會出現當 目標尾跡中存在較少氣泡或只存在紊流的情況下，無法對光散射空間頻譜檢測的問題， 不能滿足對探測目標的遠距離探測。
發明內容
本發明的目的在於克服上述已有光學探測方法的不足，提供一種基於雷射波前變化 的水中動態目標尾跡探測系統及方法，可以在水中只有氣泡或只有紊流或同時存在氣泡 和紊流的情況下對水面遠距離目標和水下目標的精確探測。
本發明是這樣實現的
1.技術原理
水面艦船和水下航行器等動態目標只要運動，都會在水面或水中留下航跡。這些航 跡是目標在水中運動對水的擾動和其推進器螺旋槳葉對水擾動產生的尾跡。尾跡相對周 圍無擾動的水介質來說，存在氣泡和紊流兩種形態。由於紊流存在的時間比氣泡要長， 因而利用紊流對雷射束特性的影響進行探測，能夠獲得更高的探測精度和更遠的探測距 離，因此本發明針對水中的氣泡和紊流，通過檢測雷射在水中傳輸時波前的變化實現對 水中動態目標尾跡的探測。
水中動態目標尾跡是一個包含氣泡和紊流的動態系統，由於氣泡的運動使大氣泡不 斷浮出水面、小氣泡溶解以及紊流隨時間的演化，水中目標尾跡的折射率空間分布這一 光學特性與無擾動的靜水不同，因此光束在其中傳輸時其光波前形狀會隨之變化。 一方 面，隨著動態目標的大小和運動速度不同，其產生尾跡的寬度和深度各不相同；另一方面，隨著距目標的遠近不同，尾跡中氣泡的大小、數量和紊流的強度也不同。因此檢測 雷射束在目標尾跡中傳輸時光波前形狀的變化可以進行動態目標的探測和跟蹤。
光束在介質中傳輸，介質對光束的影響分為強度衰減影響和波前擾動影響。以波前 形狀為平面的光束為例，其在不同介質中傳輸時發生的波前畸變如圖1所示。當光束通 過均勻介質時，垂直光傳播方向的平面上的各點相位延遲相同，波前形狀不變，如圖1 (a)所示；當光束通過非均勻介質和含有氣泡的介質時，折射率的不同導致光束沿不同 方向的光程不同，因此波前形狀出現畸變，如圖1 (b)和圖1 (C)所示。
已知光波場可以描述為
=^0V)exp[iA:『0V)] (1)
其中^(F力為振幅，『(fV)為光波前，A:為波矢大小，0(,，/) = ^^,/)為相位分布。
假設在z-0處，波前相位分布為0(;c，力。由於擾動的存在導致折射率改變，引起的 相位畸變是從z = 0到r的累加畸變。將空間折射率的變化寫成如下形式
= "。+△"。 (2)
式中W。是介質本身的折射率；A"(F)是由於擾動的存在導致的折射率變化量；『和折射
率的關係為
『=C。 J"(F)d/ = C。 J["。 + A"(F)〗d/ =『。+ C。 jA"(F)(》dz (3)
由真空光速的定義C。一1
相應的相位畸變為
式(4)和式(5)反映出，由於介質折射率空間分布的變化導致雷射束波前相位的 變化；反之，測量雷射束波前相位的變化，可以得到介質折射率的變化起伏。本發明基 於雷射波前變化的水中動態目標探測系統和方法，正是通過測量實際水域中雷射束波前 的畸變量，來間接測量水中氣泡和紊流擾動因素的強弱，從而判斷目標尾跡的存在。
雷射束波前的變化用哈特曼波前傳感器進行測量。哈特曼波前傳感器的原理如圖2 所示，微透鏡陣列將入射孔徑分割成許多子孔徑，並聚焦到CCD探測器上，形成一個光 斑陣列。當一束標準平行光入射時，如圖2(a)所示，入射到每個子孔徑上的波前相互平
:，，可得則光波前變化為:
A『(;c，y)= f Aw(JC，y，z)dz (4) A0二&A^-ifcfA"(;c，j;，z)dz (5)
6成等間距均勻排列的光斑陣列，如圖2(b)所示，標定此時各個光 斑的原始位置，並予以保存。當波前發生畸變的光束入射時，如圖2(c)所示，入射到每 個子孔徑上的波前傾斜將造成該子孔徑光斑位置的移動，如圖2(d)所示，移動量正比於 波前斜率和微透鏡的焦距，通過CCD測量光斑在兩個垂直方向上相對於事先標定的原始 位置的位移量就可以測量出該子孔徑內波前在兩個方向的斜率，最後利用波前復原算法 通過波前斜率重構出波前相位，進而得到波前相位的P-V值、rms值及澤尼克係數等波 前信息參數。 2.技術方案
本發明提供的基於雷射波前的水中動態目標尾跡探測系統，包括 雷射器，用於在水中產生單一方向的高斯光束；
哈特曼波前傳感器，安放在雷射器的光束傳播方向，用於獲取雷射光斑，對高斯激 光束的傳輸相位進行準確實時的測量，通過對點陣列波前斜率的計算重構出雷射波前， 並將波前信息輸入給信號處理系統；
信號處理系統，用於對雷射波前信息進行實時處理，並與實驗室得到的目標尾跡存 在的判斷標準相比較，判斷目標尾跡是否存在，並將目標尾跡的信號輸入給後續部件。
上述水中動態目標尾跡探測系統，其中所述的信號處理系統包括CPLD時序產生 器和DSP， CPLD時序產生器產生哈特曼波前傳感器和DSP所需的時鐘信號，DSP實時
處理雷射束波前的相位信息、計算波前畸變量，判斷水中動態目標尾跡的存在。
本發明提供的基於雷射波前的水中動態目標尾跡探測方法，首先在實驗室環境對水
中有不同擾動情況下的光波前相位進行檢測，得到水中動態目標尾跡存在與否的判斷標
準；然後對實際水域中的光波前相位進行檢測，將實際水域中的光波前相位與實驗室得
到的判斷標準進行比較，判斷水中動態目標尾跡的存在。具體步驟如下
步驟l,在實驗室環境中，通過哈特曼波前傳感器分別採集雷射器發出的光在靜水、
水中有氣泡、水中有紊流和水中同時有氣泡與紊流情況傳輸後的光束波前；
步驟2，分別在靜水、水中有氣泡、水中有紊流和水中同時有氣泡與紊流的情況下，
通過信號處理系統實時處理哈特曼波前傳感器輸出的雷射波前信息，給出目標尾跡存在
的判斷標準;
步驟3，在實際水域中，通過哈特曼波前傳感器採集雷射器發出的光在實際水域中傳 輸後的光束波前；
步驟4，在實際水域中，通過信號處理系統實時處理哈特曼波前傳感器輸出的雷射波
7前信息，得到實際水域中雷射束波前的畸變量；
步驟5，將實際水域中測量的雷射束波前的畸變量與實驗室得到的目標尾跡存在與否 的判斷標準進行比較，如果波前的畸變量大於判斷標準，則判定目標尾跡存在，否則判 定目標尾跡不存在。
所述的信號處理系統實時處理哈特曼波前傳感器輸出的雷射波前信息、給出目標尾 跡存在的判斷標準，按如下步驟進行
a) 在靜水、水中有氣泡、水中有紊流和水中同時有氣泡與紊流的情況下，分別將激 光波前RGB格式轉換成灰度格式；
b) 將水中有氣泡、水中有紊流和水中同時有氣泡與紊流情況下的波前灰度分布與靜
水條件下得到的波前灰度分布相減，得到非零點的百分比作為雷射束波前的畸變量；
C)比較不同條件下波前畸變量的大小，將紊流情況下得到的波前畸變量確定為目標
尾跡存在的判斷標準。
所述的信號處理系統實時處理哈特曼波前傳感器輸出的雷射波前信息，是先將雷射
波前RGB格式轉換成灰度格式；再將實際水域中每一時刻獲得的雷射波前與靜水條件下
得到的雷射波前相減，得到非零點的百分比作為實際水域中的雷射波前畸變量。
本發明利用雷射束波前的變化探測目標尾跡與現有的利用雷射光強和散射譜的變化
探測目標尾跡的方法比較，具有如下優點
1. 探測精度高。本發明利用雷射光波前變化探測目標的尾跡時，由於水中的任何擾
動不論是氣泡還是紊流都會使光波前等相位面發生明顯的形變，而現有利用光強和散射 譜變化探測目標尾跡時，其擾動特徵中只有氣泡的存在才對光強和散射譜強度產生影響， 紊流的存在對光強和散射譜強度基本不產生影響，因而本發明的探測精度高。
2. 探測距離遠、抗幹擾能力強。由於遠距離目標或水下目標其尾跡中的氣泡很少， 但紊流總是存在，因此利用雷射波前變化探測目標尾跡的距離遠，且抗幹擾能力強；
3. 可滿足實時檢測的應用要求。本發明由於探測系統採用哈特曼波前傳感器對雷射 束波前變化的信息進行實時接收，並通過信號處理系統保證信號的快速處理，使信號處 理速度達到10ms量級，能夠滿足實時檢測的應用要求。
圖1是光束在不同介質中傳輸時的波前畸變示意圖； 圖2是哈特曼波前傳感器的原理圖； 圖3是本發明的探測系統示意圖；圖4是本發明的探測方法流程圖； 圖5是本發明的實驗系統示意圖； 圖6是本發明探測目標尾跡實驗過程圖7是本發明在靜水條件下測得的雷射束的標準波前分布圖； 圖8是本發明靜水條件下測得的雷射束波前畸變圖； 圖9是本發明在水中有少量氣泡情況下測得的雷射束波前畸變圖； 圖10是本發明在水中有大量氣泡情況下測得的雷射束波前畸變圖； 圖11是本發明在水中有紊流情況下測得的雷射束波前畸變圖； 圖12是本發明在水中同時有氣泡和紊流情況下測得的雷射束波前畸變圖。
具體實施例方式
參照圖3，本發明的測量系統由雷射器、哈特曼波前傳感器和信號處理系統等三部分 組成。其中
雷射器，採用光束髮散角小、光束質量好的TEM(K)模的連續雷射器，以滿足光斑位 置的判斷和應用中實時探測的要求。該雷射器主要用於產生波長為632.8nm的高斯光束， 光束的波前形狀為球面。
哈特曼波前傳感器，主要用於對高斯雷射束的波前信息進行實時測量；該器件放置 在雷射器正前方，與雷射器相距20cm lm,雷射器發射的高斯光束通過待測水域後用哈 特曼波前傳感器接收，該傳感器通過測量波前在兩個相互垂直方向的斜率重構出雷射波
■ 、/ 刖。
信號處理系統，包括DSP處理器和CPLD時序產生器，用於對哈特曼波前傳感器輸 出的波前信息進行實時處理。為保證時序的匹配和信號的嚴格同步，系統各部分均運行 在一個統一的基本時鐘下，由一外接晶振作為整個系統統一的輸入時鐘送入CPLD，經 CPLD產生哈特曼波前傳感器的驅動時鐘信號和DSP的時鐘信號以及CPLD和DSP通信 的信號。哈特曼波前傳感器的輸出信號送入系統的控制單元DSP進行處理，DSP處理後 把數字形式的波前畸變量輸出。
參照圖4，本發明的探測方法包括如下步驟
步驟一，搭建實驗系統。
參照圖5，本發明的實驗系統由He-Ne雷射器、哈特曼波前傳感器、尾跡模擬器和 信號處理系統組成。
He-Ne雷射器發出波長為632.8nm的高斯光束，並射向尾跡模擬器。尾跡模擬器由水槽、水、微孔陶瓷管陣列、氣泵和水泵組成，用於模擬目標艦船產 生的尾跡。其中微孔陶瓷管陣列與氣泵相連，用於產生實驗所需的氣泡，微孔陶瓷管陣 列產生氣泡的大小和多少由與氣壓表相連的調節閥控制。微孔陶瓷管陣列的微孔孔徑為 1 10prn;氣泵的功率為138W,最大風壓為13kgf/cm2;氣壓表的量程為0 0.16MPa， 最小精度為0.005MPa;水泵用於產生實驗所需的紊流，水泵的功率為45W，揚程為2m， 最大供水量為3000 L/h。
為了避免哈特曼波前傳感器接收的光強飽和，在尾跡模擬器和哈特曼波前傳感器之 間放置光衰減片，用於衰減多餘的光強。
哈特曼波前傳感器實時接收尾跡模擬器傳輸後的雷射束並測量其波前信息。
信號處理系統接收哈特曼傳感器輸出的波前信息並計算波前畸變量。
步驟二，設置實驗條件。
依據雷射束經尾際模擬器傳輸後功率衰減情況，設置雷射器的工作電流大小，使其 產生一定功率的高斯光束；
通過水泵和氣泵的開啟或關閉，使尾跡模擬器產生靜水、水中有氣泡、水中有紊流、 水中同時有氣泡和紊流的不同實驗條件。
步驟三，實時測量實驗條件下雷射束的波前畸變。
通過哈特曼波前傳感器對雷射束的傳輸相位進行實時測量，並將測得的波前信息輸 入給信號處理系統；
信號處理系統每隔10ms接收哈特曼波前傳感器輸出的波前信息，並將該波前RGB 格式轉換成灰度格式；
以靜水情況下的波前分布為標準分布，分別將水中有氣泡、紊流或同時有氣泡和紊 流情況下測得的雷射波前分布與標準分布相減，得到非零點的百分比作為雷射束波前的 畸變量。
步驟四，將靜水、水中有氣泡、水中有紊流和水中同時有氣泡與紊流的情況下得到 的波前畸變量進行比較，將水中有紊流情況下的波前畸變量確定為目標尾跡存在的判斷 標準。
歩驟五，實時測量實際水域中雷射束的波前畸變。
將探測系統置於實際水域中，設置雷射器的工作電流為13mA，使其輸出功率為 20mW的高斯光束；
哈特曼波前傳感器對高斯光束的傳輸相位進行實時測量，並將測得的波前信息輸入給信號處理系統；
信號處理系統每隔10ms接收哈特曼波前傳感器輸出的波前信息，並將該波前RGB 格式轉換成灰度格式；
以靜水情況下的波前分布為標準分布，將實際水域測得的雷射波前分布與標準分布 相減，得到非零點的百分比作為實際水域雷射束波前的畸變量。
步驟六，將實際水域中雷射束波前的畸變量與步驟四得到的目標尾跡存在的判斷標 準相比較，如果波前畸變量大於判斷標準，則判定目標尾跡存在，否則判定目標尾跡不 存在。
本發明的可行性可以通過以下實驗實例進行驗證
一、 實驗系統
參照圖5，本發明的實驗系統由He-Ne雷射器、哈特曼波前傳感器、尾跡模擬器和 信號處理系統組成。雷射器發射的雷射束經尾跡模擬器中傳輸後，經衰減片到達哈特曼 波前傳感器，傳感器實時測量雷射束的波前信息，信號處理系統對波前信息進行實時處. 理，並判斷目標尾跡是否存在。尾跡模擬器由水槽、水、微孔陶瓷管陣列、氣泵和水泵 組成，用於模擬目標艦船產生的尾跡，其中微孔陶瓷管陣列與氣泵相連，用於產生實驗 所需的氣泡，微孔陶瓷管陣列產生氣泡的大小和多少由與氣壓表相連的調節閥控制。微 孔陶瓷管陣列的微孔孔徑為1 1(Hrni;氣泵的功率為138W，最大風壓為13kgf/cm2;氣 壓表的量程為0 0.16MPa，最小精度為0.005M&;水泵用於產生實驗所需的紊流，水泵 的功率為45W，揚程為2m，最大供水量為3000 L/h。
二、 實驗過程
參照圖6，本實驗利用所述實驗系統進行模擬目標尾跡探測的過程如下 (一)確定水中目標尾跡存在的判斷標準
1、 將系統置於實驗室環境中，在水槽中分別設置不同的實驗條件靜水、水中有氣 泡、水中有紊流、水中同時有氣泡和紊流；
2、 設置雷射器的工作電流為13mA,使其產生功率為20mW的高斯光束，對系統光 路進行準直調節；
3、 利用哈特曼波前傳感器測量雷射束通過水槽後的波前信息，當光強較強使傳感器 飽和時，採用衰減片對光強進行衰減；
4、 信號處理系統上電，每隔lOms接收哈特曼波前傳感器輸出的波前信息，並將該 波前RGB格式轉換成灰度格式；
115、 以靜水情況下的雷射波前灰度分布為標準分布，如圖7所示。分別將水中有氣泡、 紊流或同時有氣泡和紊流情況下測得的雷射波前灰度分布與標準分布相減，得到非零點 的百分比作為上述不同情況下雷射束波前畸變量；
6、 分別在靜水、水中有氣泡、水中有紊流和水中同時有氣泡與紊流的情況下多次測
量雷射束波前畸變量，並任意抽取10組測量值列入表1中。
表1 水中存在不同擾動時測得的雷射束波前畸變量
\ l 組N^靜水水中有氣泡水中有紊流水中同時有較 少氣泡和紊流
氣泡數目較少氣泡數目較多i21.823.764.531.045.6
219.119.951.729.838.9
319.320.563.430.131.3
415.923.561.833.734.3
517.226.157.835.233.5
620.632.971.930.535.8
721.129.470.331.436.9
818.431.567.930.838.2
920.637.268.337.137.3
1020.933.672.531.135.1
由表l可以看出在靜水情況下，光波前畸變量很小，其值小於22% ，這主要來自 系統自身的不穩定性；在水中有氣泡的情況下，光波前畸變量的變化範圍很大20~70%, 氣泡的多少直接影響光波前畸變程度，氣泡數量越多光波前畸變程度越大；在水中有紊 流的情況下，光波前畸變量大於30%，說明紊流對雷射束波前的影響較大；在水中同時 有氣泡和紊流的情況下，光波前畸變量大於30%，而且該值比水中只有紊流時的光波前 畸變量要大；綜合上述測量結果，將水中有紊流情況下的最小波前畸變量30%作為目 標尾跡存在的判斷標準。
(二)實時測量雷射束波前相位分布，判斷水中模擬目標尾跡的存在
A.水中只有氣泡的情況，其測量和判斷過程如下
1、 設置雷射器的工作電流為13mA,使其產生功率為20mW的高斯光束，對系統光 路進行準直調節；
2、 開啟氣泵，使水槽產生氣泡，調節與氣泵相連的調節閥，使氣壓表的讀數保持在 0.005MPa左右；
3、 利用哈特曼波前傳感器測量雷射束通過水槽後的波前信息，當光強較強使傳感器
12飽和時，採用衰減片對光強進行衰減；
4、 信號處理系統上電，每隔lOms接收哈特曼波前傳感器輸出的波前信息，並將該 波前RGB格式轉換成灰度格式；
5、 以靜水情況下的波前灰度分布為標準分布，將水中有氣泡時測得的雷射波前灰度 分布與標準分布相減，得到非零點的百分比作為當前雷射束波前的畸變量；
6、 水中有少量氣泡時測量的波前灰度分布與標準分布相減後的效果如圖8所示，其
所對應的波前畸變量為23.7%,該值小於目標尾跡存在的標準，因此判定目標尾跡不存 在；水中有大量氣泡時測量的波前灰度分布與標準分布相減後的效果如圖9所示，其所 對應的波前畸變量為68.8%，該值大於目標尾跡存在的標準，因此判定目標尾跡存在。
B. 水中只存在紊流的情況，其測量和判斷過程如下
1、 設置雷射器的工作電流為13mA,使其產生功率為20mW的高斯光束，對系統光 路進行準直調節；
2、 開啟水泵，使水中產生明顯的紊流；
3、 利用哈特曼波前傳感器測量雷射束通過水槽後的波前信息，當光強較強使傳感器 飽和時，採用衰減片對光強進行衰減；
4、 信號處理系統上電，每隔lOms接收哈特曼波前傳感器輸出的波前信息，並將該 波前RGB格式轉換成灰度格式；
5、 以靜水情況下的波前灰度分布為標準分布，將水中有紊流時測得的雷射波前灰度 分布與標準分布相減，得到非零點的百分比作為當前雷射束波前的畸變量；
6、 水中有紊流時測量的波前灰度分布與標準分布相減後的效果如圖10所示，其所 對應的波前畸變量為31%，該值大於目標尾跡存在的標準，因此判定目標尾跡存在。
C. 水中同時存在氣泡和紊流的情況，其測量和判斷過程如下
1、 設置雷射器的工作電流為13mA，使其產生功率為20mW的高斯光束，對系統光 路進行準直調節；
2、 開啟氣泵，調節與氣泵相連的調節閥，使氣壓表的讀數保持在0.005MPa左右； 同時啟動水泵開關，這時水中同時存在氣泡和紊流；
3、 利用哈特曼波前傳感器測量雷射束通過水槽後的波前信息，當光強較強使傳感器 飽和時，採用衰減片對光強進行衰減；
4、 信號處理系統上電，每隔10ms接收哈特曼波前傳感器輸出的波前信息，並將該 波前RGB格式轉換成灰度格式；5、 以靜水情況下的波前灰度分布為標準分布，將水中同時有氣泡和紊流時測得的激
光波前灰度分布與標準分布相減，得到非零點的百分比作為當前雷射束波前的畸變量；
6、 水中同時有氣泡和紊流時的波前灰度分布與標準分布相減後的效果如圖11所示，
其所對應的波前畸變量為45.6%,該值大於目標尾跡存在的標準，因此判定目標尾跡存 在。
上述不同情況下的測量結果表明當水中有氣泡、紊流或同時有氣泡與紊流等影響 因素時，雷射束波前均發生明顯的畸變；氣泡的多少直接影響波前的畸變量的大小；水 中同時有氣泡與紊流比水中只有氣泡或只有紊流對雷射束波前的影響要大。
上述實驗結果證明，用本發明的方法不但能夠針對水中動目標尾跡的氣泡特徵進行 有效探測，而且能夠針對目標尾跡中的紊流特徵進行探測，根據目標尾跡中氣泡的多少 和紊流的強弱可辨別目標距離的遠近和探測水下目標產生較少氣泡的尾跡，提高了光尾 跡探測的精度、擴展了探測範圍。
1權利要求
1. 一種基於雷射波前變化的水中動態目標尾跡探測系統，包括雷射器，用於在水中產生單一方向的高斯光束；哈特曼波前傳感器，安放在雷射器的光束傳播方向，用於獲取雷射光斑，對高斯雷射束的傳輸相位進行準確實時的測量，通過對點陣列波前斜率的計算重構出雷射波前，並將波前信息輸入給信號處理系統；信號處理系統，用於對雷射波前信息進行實時處理，並與實驗室得到的目標尾跡存在的判斷標準相比較，判斷目標尾跡是否存在，並將目標尾跡的信號輸入給後續部件。
2. 根據權利要求l所述的水中動態目標尾跡探測系統，其特徵在於，信號處理系統 包括CPLD時序產生器和DSP， CPLD時序產生器產生哈特曼波前傳感器和DSP所需 的時鐘信號，DSP實時處理雷射束波前的相位信息、計算波前畸變量，判斷水中動態目 標尾跡的存在。
3. —種基於雷射波前變化的水中動態目標尾跡探測方法，包括步驟l，在實驗室環境中，通過哈特曼波前傳感器分別釆集雷射器發出的光在靜水、 水中有氣泡、水中有紊流和水中同時有氣泡與紊流情況傳輸後的光束波前；步驟2，分別在靜水、水中有氣泡、水中有紊流和水中同時有氣泡與紊流的情況下， 通過信號處理系統實時處理哈特曼波前傳感器輸出的雷射波前信息，給出目標尾跡存在的判斷標準；步驟3，在實際水域中，通過哈特曼波前傳感器採集雷射器發出的光在實際水域中 傳輸後的光束波前；步驟4，在實際水域中，通過信號處理系統實時處理哈特曼波前傳感器輸出的雷射 波前信息，得到實際水域中雷射束波前的畸變量；步驟5，將實際水域中測量的雷射束波前的畸變量與實驗室得到的目標尾跡存在與 否的判斷標準迸行比較，如果波前的畸變量大於判斷標準，則判定目標尾跡存在，否則 判定目標尾跡不存在。
4. 根據權利要求3所述的方法，其中步驟2中所述的信號處理系統實時處理哈特曼 波前傳感器輸出的雷射波前信息，給出目標尾跡存在的判斷標準，按如下步驟進行(4a)在靜水、水中有氣泡、水中有紊流和水中同時有氣泡與紊流的情況下，分別 將雷射波前RGB格式轉換成灰度格式；(4b)將水中有氣泡、水中有紊流和水中同時有氣泡與紊流情況下的波前灰度分布與靜水條件下得到的波前灰度分布相減，得到非零點的百分比作為雷射束波前的畸變量；(4c)比較不同條件下波前畸變量的大小，將紊流情況下得到的波前畸變量確定為 目標尾跡存在的判斷標準。
5.根據權利要求3所述的方法，其中步驟4中所述的信號處理系統實時處理哈特曼 波前傳感器輸出的雷射波前信息，是先將雷射波前RGB格式轉換成灰度格式；再將實 際水域中每一時刻獲得的雷射波前與靜水條件下得到的雷射波前相減，得到非零點的百分比作為實際水域中的雷射波前畸變量。
全文摘要
本發明公開了一種基於雷射波前變化的水中動態目標尾跡探測系統及方法。該探測系統包括雷射器、哈特曼波前傳感器和信號處理系統。本方法是將探測系統置於水中，雷射器產生高斯光束，哈特曼波前傳感器接收並檢測雷射束通過待測水域後的波前信息，信號處理系統實時處理波前信息並輸出波前畸變量，實現對水中動目標尾跡的檢測。其探測過程為在實驗室條件下多次測量雷射束波前的畸變量，給出目標尾跡存在的判斷標準；在實際水域中實時測量雷射束波前的畸變量並與判斷標準比較，如果波前畸變量大於判斷標準，則判定目標尾跡存在，否則判定目標尾跡不存在。本發明具有探測精度高和探測距離遠的優點，可用於對水面艦船和水下航行器的遠距離精確探測。
文檔編號G01V8/10GK101464522SQ20091002085
公開日2009年6月24日 申請日期2009年1月8日 優先權日2009年1月8日
發明者冀邦傑, 劉繼芳, 孫豔玲, 斌 張, 石順祥, 琳 馬 申請人:西安電子科技大學