自适应水体后向散射抑制的激光雷达水下微弱尾流探测
发布时间：2021-01-14 19:43
近年来,由于蓝绿激光雷达在光学尾流探测中具有诸多优点,逐渐受到国内外研究学者的追捧,但近场水体的后向散射强度在实际探测过程中往往高出尾流回波信号强度几个数量级,从而限制微弱尾流回波信号的提取和识别。因此,对于接收到的激光雷达回波信号进行水体后向散射抑制研究是非常有必要的,本文从数值仿真和实验研究出发,提出了一种针对激光雷达水下微弱尾流回波信号的自适应水体后向散射抑制算法。首先,论文介绍了水下光传输理论和Wa-Li D模型,提出并建立以距离层求和的激光雷达近场水体后向散射模型,理论分析回波时域展宽量的关系式,介绍后向散射比评价标准。仿真结果表明,轴间距的改变可以控制近场盲区的距离,实现对不同距离内的目标探测;夹角为10mrad比20mrad时的SBR提升18.2d B,小夹角在抑制近场水体回波信号的同时有效探测区域更大。实验表明,理论计算展宽量与实测误差0.35ns;相比于时间积分模型,本文模型与实测水体回波曲线更加吻合,RMSE值更小,与实测尾流数据反向叠加后得到的SBR均值提高8.66d B,满足水体回波模型高精度的需求。其次,论文介绍了单气泡Mie散射理论,通过对迭代次数n的优化,...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：68 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
舰船尾流示意图[1]
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-3-得到迭代次数n的经验表达式，如公式(1-1)，大大提高了Mie算法的速度，并给出了适用于小颗粒情况的更好的公式。图1-2气泡入射光的反射和折射131313410.0284.0518420042420020000xxxnxxxxxx(1-1)2001年，Bashkatova[6]等人利用Wiscombe得到的经验公式计算得出球形和圆柱形粒子的光散射特性的简单近似值。对于尺寸参数x在0-50和相对折射率m在1-1.5范围内的单球粒子近似求解，得到非吸收球Mie散射的效率因子，如图1-3所示。2012年，Wang[7]等人建立了基于Mie理论的群聚气泡光学后向散射模型，分析尾流气泡对光脉冲散射回波的影响。根据图1-4所示探测原理，得到气泡群回波信号。正曲线是无气泡的海水回波（未扰动海水的回波），虚线是尾波回波，第三条曲线是尾波回波减去的海水回波。可以看出，当激光束照射气泡时会产生强烈的散射。2016年，Sentis[8]等人在几何光学和物理光学近似的基础上，分析了模拟大气泡光散射特性的各种现象，其中包括高阶光线之间的干涉，Goos–Hnchen位移、隧道相位和与临界角相关的弱腐蚀性，允许检索洛伦兹-米理论预测的散射图的大部分特征，为气泡流光学特性提供新可能性。2017年，Liu[9]等人对高分辨率合成孔径雷达（SAR）成像中潜体激发的尾流进行了仿真研究，分别分析和讨论了船舶速度、形状参数和入射角对尾流散射强度分布的影响，提出了一种考虑波轨道运动引起的多普勒效应的双尺度模型物理光学相位校正方法，将尾流的合成孔径雷达（SAR）图像模拟为潜体的大孝速度和深度的函数，为利用合成孔径雷达传感器探测水下物体的尾迹提供了可行性的见解。
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-4-图1-3不同尺寸参数x和相对折射率m时的非吸收球Mie散射的效率因子图1-4激光在水中传输示意图及模拟回波1.2.2国内光学尾流检测研究现状相对于国外的尾流探测，国内起步较晚。随着国内对激光研究的深入，蓝绿激光以其在水中较小的衰减率成为光学尾流探测的首要选择。2007年，石晟玮[10]等人采用脉冲激光对尾流模拟气泡幕进行光学探测实验研究，采用雪崩二极管电路采集系统作为光电接收系统，系统其装置如图1-5a)所示。对最远距离为7m的气泡幕进行探测，图1-5b)、c)为无气泡产生和有气泡产生时接收到的回波信号。a)激光接收、发射位置与气泡幕b)无气泡产生c)有气泡产生图1-5脉冲激光尾流探测图2011年，韩彪[11]基于FournierForand体积散射函数和MonteCarlo算法，仿真分析激光初始脉宽的变化在对较远距离处的尾流进行探测时的回波影响。2012年，韦文涛[12]根据回波信号具有“双尖峰”特性，发现了线偏振度信号
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于改进RLS算法的时变幂函数负荷模型参数辨识[J]. 陈涵,郝瑞祥,刘颖英,王慧,王同勋,李大路. 高电压技术. 2020(07)
[2]水下气泡光学图像识别方法（英文）[J]. 张浩,李向春,杨倩,吴承璇,雷卓. 红外与激光工程. 2019(03)
[3]海洋激光雷达的自适应深度提取算法[J]. 刘梦庚,贺岩,陈卫标,王永星,朱霞,石先高,黄田程,张宇飞. 中国激光. 2018(10)
[4]基于可变遗忘因子RLS的Boost转换器在线多参数辨识[J]. 陈晨,程帅,陶诗飞,童乔凌. 微电子学与计算机. 2017(10)
[5]舰船尾流后向光学检测方法研究[J]. 彭晓雷,马傲玲,刘翼民. 舰船科学技术. 2016(22)
[6]同轴米散射激光雷达自准直系统设计[J]. 宋跃辉,鲁雷雷,华灯鑫,李仕春,辛文辉,闫庆. 中国激光. 2016(07)
[7]船舶尾流气泡幕探测技术进展与应用[J]. 郭露萍,翟雨生,王琦龙,齐志央. 舰船科学技术. 2016(07)
[8]水下尾流相干探测的理论与实验研究[J]. 张帆,王运鹰,姚金任,李桂娟,郭媛媛,张宇. 中国激光. 2015(06)
[9]舰船远尾流场气泡特性研究[J]. 马青山,陈亚林,郝保安,刘昆仑,何辰,严冰. 鱼雷技术. 2014(04)
[10]尾流气泡群的激光多普勒检测方法[J]. 王赟,刘继芳,鲁振中,孙艳玲. 中国激光. 2014(08)
博士论文
[1]基于自适应后向散射滤波技术的激光雷达水下目标探测研究[D]. 程藻.华中科技大学 2016
本文编号：2977429
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：68 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
舰船尾流示意图[1]
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-3-得到迭代次数n的经验表达式，如公式(1-1)，大大提高了Mie算法的速度，并给出了适用于小颗粒情况的更好的公式。图1-2气泡入射光的反射和折射131313410.0284.0518420042420020000xxxnxxxxxx(1-1)2001年，Bashkatova[6]等人利用Wiscombe得到的经验公式计算得出球形和圆柱形粒子的光散射特性的简单近似值。对于尺寸参数x在0-50和相对折射率m在1-1.5范围内的单球粒子近似求解，得到非吸收球Mie散射的效率因子，如图1-3所示。2012年，Wang[7]等人建立了基于Mie理论的群聚气泡光学后向散射模型，分析尾流气泡对光脉冲散射回波的影响。根据图1-4所示探测原理，得到气泡群回波信号。正曲线是无气泡的海水回波（未扰动海水的回波），虚线是尾波回波，第三条曲线是尾波回波减去的海水回波。可以看出，当激光束照射气泡时会产生强烈的散射。2016年，Sentis[8]等人在几何光学和物理光学近似的基础上，分析了模拟大气泡光散射特性的各种现象，其中包括高阶光线之间的干涉，Goos–Hnchen位移、隧道相位和与临界角相关的弱腐蚀性，允许检索洛伦兹-米理论预测的散射图的大部分特征，为气泡流光学特性提供新可能性。2017年，Liu[9]等人对高分辨率合成孔径雷达（SAR）成像中潜体激发的尾流进行了仿真研究，分别分析和讨论了船舶速度、形状参数和入射角对尾流散射强度分布的影响，提出了一种考虑波轨道运动引起的多普勒效应的双尺度模型物理光学相位校正方法，将尾流的合成孔径雷达（SAR）图像模拟为潜体的大孝速度和深度的函数，为利用合成孔径雷达传感器探测水下物体的尾迹提供了可行性的见解。
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-4-图1-3不同尺寸参数x和相对折射率m时的非吸收球Mie散射的效率因子图1-4激光在水中传输示意图及模拟回波1.2.2国内光学尾流检测研究现状相对于国外的尾流探测，国内起步较晚。随着国内对激光研究的深入，蓝绿激光以其在水中较小的衰减率成为光学尾流探测的首要选择。2007年，石晟玮[10]等人采用脉冲激光对尾流模拟气泡幕进行光学探测实验研究，采用雪崩二极管电路采集系统作为光电接收系统，系统其装置如图1-5a)所示。对最远距离为7m的气泡幕进行探测，图1-5b)、c)为无气泡产生和有气泡产生时接收到的回波信号。a)激光接收、发射位置与气泡幕b)无气泡产生c)有气泡产生图1-5脉冲激光尾流探测图2011年，韩彪[11]基于FournierForand体积散射函数和MonteCarlo算法，仿真分析激光初始脉宽的变化在对较远距离处的尾流进行探测时的回波影响。2012年，韦文涛[12]根据回波信号具有“双尖峰”特性，发现了线偏振度信号
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于改进RLS算法的时变幂函数负荷模型参数辨识[J]. 陈涵,郝瑞祥,刘颖英,王慧,王同勋,李大路. 高电压技术. 2020(07)
[2]水下气泡光学图像识别方法（英文）[J]. 张浩,李向春,杨倩,吴承璇,雷卓. 红外与激光工程. 2019(03)
[3]海洋激光雷达的自适应深度提取算法[J]. 刘梦庚,贺岩,陈卫标,王永星,朱霞,石先高,黄田程,张宇飞. 中国激光. 2018(10)
[4]基于可变遗忘因子RLS的Boost转换器在线多参数辨识[J]. 陈晨,程帅,陶诗飞,童乔凌. 微电子学与计算机. 2017(10)
[5]舰船尾流后向光学检测方法研究[J]. 彭晓雷,马傲玲,刘翼民. 舰船科学技术. 2016(22)
[6]同轴米散射激光雷达自准直系统设计[J]. 宋跃辉,鲁雷雷,华灯鑫,李仕春,辛文辉,闫庆. 中国激光. 2016(07)
[7]船舶尾流气泡幕探测技术进展与应用[J]. 郭露萍,翟雨生,王琦龙,齐志央. 舰船科学技术. 2016(07)
[8]水下尾流相干探测的理论与实验研究[J]. 张帆,王运鹰,姚金任,李桂娟,郭媛媛,张宇. 中国激光. 2015(06)
[9]舰船远尾流场气泡特性研究[J]. 马青山,陈亚林,郝保安,刘昆仑,何辰,严冰. 鱼雷技术. 2014(04)
[10]尾流气泡群的激光多普勒检测方法[J]. 王赟,刘继芳,鲁振中,孙艳玲. 中国激光. 2014(08)
博士论文
[1]基于自适应后向散射滤波技术的激光雷达水下目标探测研究[D]. 程藻.华中科技大学 2016
本文编号：2977429
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