条纹管激光成像雷达海面小尺度波探测探潜技术研究

发布时间：2019-03-13 15:57

【摘要】：海表面波浪（简称海面波）是海洋学研究领域的一项重要领域。尤其近年来海面波在海洋物理学研究中越发受到国内外关注。由于其承载着丰富的海洋信息，对其探测成为了近年来国际众多科研部门争相关注的焦点。人们通过对海浪波的探测，可以从中提取信息包括海洋海流，海底地貌，海面风场，尤其是水下潜体移动产生的扰动信息的发现和提取，无疑是一种新兴的间接的遥感探测潜艇的有效途径。由于潜艇具有高度的隐蔽性和强大的打击力，特别是潜伏藏匿在近海浅海内的潜艇，对于重要的港口的海防以及海洋战场环境保障构成极大的威胁。针对这种背景，能够有效地，准确地对近海浅海内的潜隐的潜艇进行侦察和探测，，已经是我国海防的迫切需求。本文从理论和实验研究提出了一种针对海面波探测反潜的新方法。首先论文对于各种探潜方式进行了分析和比较后，提出了利用条纹管高距离分辨率、高灵敏四维像成像（三维立体像+一维强度像）探测能力的激光成像雷达，对海平面小尺度波成像探测，探测潜艇尾流造成的海平面微尺度波扰动的变化，间接探测到潜艇尾流，从而探测到潜艇。该方法可配合SAR大面积搜索提供的可疑区域，进一步精细探测潜艇。其次，论文介绍了高距离分辨率、高灵敏四维像成像系统条纹管激光成像雷达的成像原理。并且针对海面小尺度波浪探测探潜的三方面机理进行了研究，即：（1）水下潜艇运动，由于水动力学作用，对于海平面的影响。（2）海平面对于激光的散射作用，即海表面小尺度波浪的成像机理过程。（3）激光从雷达运载平台经过海面大气，发射到海表面，然后发生反射，反射光由单狭缝条纹管四维像探测器接收。以上三部分完成，使得应用单狭缝条纹管高分辨率激光成像雷达在已有的研究基础上，探测海表面小尺度波浪从而探潜就成为了可行。针对上述三方面机理，首先本论文基于水动力学原理，以国内外数据为基础，对于水下潜艇航行引起的海面波浪变化进行机理研究和计算仿真。对潜艇进行三维建模，并利用流体力学计算软件Fluent，对潜艇尾流流场进行模拟分析。利用P-M海浪谱，单独建立海面模型，最后将这种水下潜艇尾流引起的海面波表象模拟出，并讨论在潜艇自身参数以及特定海况环境对潜艇尾流海面小尺度映波的影响。此过程的模拟是应用此方法探潜的基础。为复杂的海洋环境中探测出潜艇产生的尾流扰动建立一个理论基础。其次，在本文中，为了实现最终采用机载平台的探测系统的目标，建立了机载模型，讨论本系统在水平二维空间方向上可达到的分辨率以及竖直方向上的距离分辨率。搭建了单狭缝条纹管激光成像雷达海上实验装置，并对本装置的灵敏度和距离分辨率进行实验测试，证实本套系统具有探测海平面小尺度波浪的能力。并且从激光雷达方程出发，通过推导条纹管激光成像雷达对于海洋表面探测成像的回波能量，从理论上得出本探潜方案是可行的。以上述仿真和理论计算为基础，应用条纹管激光成像雷达系统实验装置，在黄海、渤海、南海等地进行多次了小尺度波浪实测实验，并获得高距离分辨率波高为20cm左右小尺度波浪的条纹像，验证了二尺度波模型等海浪基本理论。通过对不同条件下船舶尾迹的探测成像与水动力学模拟潜艇引起海面波动的变化相对比，证明应用单狭缝条纹管激光成像雷达，在机载平台上对潜艇尾流的海表面表象探测的可行性。最后综合以上的理论计算，模拟仿真以及实验结果，提出了相应的海表面距离像和强度像提取及图像的处理方法，具有提高距离像（波高）与强度像准确度等优点。同时，提出了利用频域滤波方法提取海面复杂背景下，潜艇内波尾流海面映波尾迹的图像处理方法，从而获得到清晰的潜艇内波尾流海面映波波高和尾迹图像。并讨论海面其他综合因素对本系统海表面小尺度波浪探测探潜的影响。从而得出利用单狭缝条纹管激光成像雷达小尺度波浪探测探潜适用条件。
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【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TN958.98

【参考文献】