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

发布时间：2017-12-17 08:28

  本文关键词：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

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【摘要】：激光雷达技术已广泛应用于水下目标探测、识别和海底测绘等领域,然而,水体对于光信号的散射和吸收作用严重影响了探测系统的性能。目前,激光雷达水下目标探测装置常搭载于机载或船载平台,这两种搭载方式都存在体积庞大、机动性差、测量区域和时间受限、需要人为操作和运行成本高等缺点。因此,设计一款可搭载于水下无人航行器的智能化、自动化、小型化的激光雷达水下探测系统成为目前该领域的迫切需求。本论文结合水下目标激光雷达回波特性、水下探测环境特点和水下无人航行器装备要求,提出了自适应的后向散射信号滤除方法,解决了激光雷达水下目标探测的核心问题。运用蒙特卡洛计算模型模拟了不同环境水体参数下的目标回波及信号处理结果,并根据理论研究成果设计完成了激光雷达水下目标探测系统样机,通过船池实验室环境和自然水体环境实验,验证了该系统样机的探测性能和水下工作能力。本论文首先在飞行时间测距原理的基础上详细分析了水下目标距离测量范围和精度的影响因素,介绍了水体固有光学性质对于水下光传输的影响,并由水体表观光学性质的辐射度量学定义推导出了激光雷达水下目标测距方程和水体后向散射计算模型。根据水下探测光束覆盖范围的要求,理论上研究了基于角向偏振光相位调制的聚焦方法,在焦区获得了小尺寸的光斑,该项技术的突破为获得大发散角探测光束提供了理论依据。为了解决水体后向散射对于目标探测信号识别造成干扰的问题,提出了基于可变遗忘因子最小递归二乘法(VFF-RLS)的自适应滤波技术,根据水下激光雷达回波信号特征设计了与之相关的变遗忘因子函数,增强了该算法对水体后向散射噪声的滤除效果和对微弱目标回波信号的提取能力,并讨论了滤波器参数对于信号处理结果的影响,给出了后向散射抑制效果的评价标准。在系统探测精度方面,对比分析了常用时刻鉴别方法在本文应用中的适用性,确定采用恒比定时时刻鉴别(CFD)技术作为水下飞行时间测量方法,讨论了触发比设置对于时刻测量精度的影响。运用蒙特卡洛(Monte Carlo)计算模型模拟了不同水体环境中不同目标距离下的激光雷达水下目标探测回波曲线,并使用提出的VFF-RLS算法对回波曲线进行自适应处理,通过对比处理前后的信号后向散射比(SBR)评价了滤波效果,最后得出了探测信号随水体参数变化的趋势性规律,理论上验证了提出后向散射抑制算法在不同环境水体参数下的普适性。根据上述理论研究成果,研制了一款基于自适应后向散射滤波技术的水下激光雷达目标探测系统样机,实现了尺寸小型化、探测自动化和数据处理智能化的设计要求,达到了水下无人航行器的搭载要求。通过0.4 Mpa水压下的三小时水密性测试,证明了样机具备40米水深的工作能力。最后,对样机进行了调试和校正,并通过船池水下探测实验结果和自然水体外场探测试验结果验证了系统的探测性能和水下工作稳定性。船池水下目标探测最远可探测距离26米,最佳的恒比定时触发比确定为60%,该条件下获得测距精度为0.3米,优于传统方法。采用VFF-RLS处理后的SBR数值稳定保持在15 d B以上,对于11米到26米目标探测信号的处理前后SBR增量在18.9 d B至43.1 d B之间,其变化量与目标距离呈正比关系。分析实验结果可发现,所提出自适应滤波方法对于不同目标距离的回波信号均可以有效地抑制后向散射,特别是在探测极限附近的微弱目标回波提取方面效果更加明显。自然水体环境的外场探测试验验证了样机能够完成在自然水域中发现20米内目标并测量目标距离的任务。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN958.98

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本文编号：1299446