CN101533105B - 基于激光光斑漂移的水中动态目标尾迹探测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于激光光斑漂移的水中动态目标尾迹探测系统及方法。该探测系统包括：激光器、CCD器件和信号处理器，使用时系统置于水中，激光器产生单一方向的高斯光束；CCD接收光斑信息；信号处理器对CCD的输出进行实时处理，通过对激光光斑漂移量的检测，实现对水中动目标尾迹的检测。其过程为：1.在实验室环境多次测量激光光斑漂移量，并给出目标尾迹是否存在的判断标准和目标尾迹特征的判断范围；2.在实际水域中实时测量光斑漂移量，将若干次测量的光斑漂移量的样本均值和样本方差分别与判断标准和判断范围比较，判断出目标尾迹的存在和特征。本发明具有探测精度高和探测距离远的优点，可用于对水面舰船和水下航行器的远距离精确探测。

Description

基于激光光斑漂移的水中动态目标尾迹探测系统及方法

技术领域

本发明涉及激光技术应用领域，具体地说是通过检测激光在水中传输时光学特性的变化实现对水中动态目标尾迹的探测，可用于水面舰船跟踪、水下动态目标探测、水中兵器自导及水下航行器的设计。

背景技术

随着各国对海洋资源的开发和海防意识的日益增加，对海水中动态目标的探测和跟踪成为一个重要的研究课题。水下探测方法除传统的声学探测方法外，还出现了光学探测方法、红外探测方法和电磁探测方法等。

声学探测，是依据探测装置是否发射声信号分为主动声探测和被动声探测，依据探测客体是否为探测目标本身分为直接探测和尾迹探测。主动探测是发射声信号，并接收探测目标或探测目标尾迹反射声信号的变化来探测目标。声学被动探测方法，在直接探测时通过接收探测目标的各种噪声信号确定探测目标的距离和方位；在声尾迹探测时是通过测量尾迹区域海水声阻抗的变换确定尾迹是否存在。由于声探测装置体积庞大及主动声探测回波信号存在时间延迟，因而不能满足水中动态目标探测和水中兵器自导的要求。

红外探测，是利用探测目标发出的红外辐射特性不同于周围水域，经红外探测设备接收和光电转换成为可识别的图像来探测目标。红外探测依据探测目标处于水中的位置分为水面目标探测和水中目标探测。其中水面目标探测是通过对探测目标的运动造成的水表面红外辐射特性变化的检测来探测目标；水中目标探测是通过对探测目标的热尾迹的检测来探测目标。红外探测具有环境适应性好、隐蔽性好、抗干扰能力强、且设备体积小、重量轻、功耗低等优点，但这种技术目前还是在假设的理想条件下能适用，要建立更接近于实际情况的计算模型还需要继续研究。

电磁探测，是探测目标造成带电荷的海水流动形成磁场，这种磁场能量较小，但衰减较慢，通过检测磁场的存在来探测目标。电磁探测提出的较早，但是由于探测使用的电磁波在水中衰减较大，无法进行远距离探测，同时复杂的海洋环境会产生一定的干扰，因此电磁探测尚未得到实际应用。

光学探测，是通过检测激光在探测目标尾迹中传输时激光光学特性的变化来达到对探测目标的探测与跟踪。光学探测依据探测目标尾迹对激光传输特性的影响分为激光强度探测、激光散射特性探测和激光散射空间频谱探测。其中激光强度探测，是激光在目标尾迹中传输时，通过对接收光强衰减的检测来探测目标；激光散射探测，是激光在目标尾迹中传输时，利用目标尾迹对激光的散射作用在不同散射角下散射光强的变化来检测目标；激光散射空间频谱探测，是激光在目标尾迹中传输时，通过对激光散射空间频谱的变化的检测来探测目标【邓仲芳，刘继芳，李增荣，“利用后向散射光空间谱强度分布探测尾迹气泡的实验研究”，光子学报，2006】。光学探测具有光波波长远小于声波波长，激光速度高，方向性好，灵敏度高，抗干扰能力强，探测距离比声学探测的距离要更远等特点而备受关注。但是由于受到水中气泡、杂质等对激光的吸收和散射，使激光强度的波动较大，因此利用光强变化探测目标的方法精度较差，尚不能实用化。而利用光的散射特性探测目标的方法又会出现当目标尾迹中存在气泡较少或紊流的情况下，无法对光散射空间频谱检测的问题，不能满足对探测目标的远距离探测。

发明内容

本发明的目的在于克服上述已有技术的不足，提供一种基于激光光斑漂移的水中动态目标尾迹探测系统及方法，以实现对水面远距离目标和水下目标的精确探测。

本发明是这样实现的：

1.技术原理

水面舰船和水下航行器等动态目标只要运动，都会在水面或水中留下航迹。这些航迹是目标在水中运动对水的扰动和其推进器螺旋桨叶对水扰动产生的尾迹。尾迹相对周围无扰动的水介质来说，存在气泡和紊流两种形态。由于紊流存在的时间比气泡要长，因而利用紊流对激光束传播特性的影响进行探测，能够获得更高的探测精度和更远的探测距离，因此本发明针对水中的气泡和紊流进行同时探测。

尾迹的折射率空间分布这一光学特性与无扰动的静水不同，且由于气泡的运动使大气泡不断浮出水面、小气泡溶解以及紊流随时间的演化，光束在其中传输时其方向会随之变化。一方面，随着动态目标的大小和运动速度不同，其产生尾迹的宽度和深度各不相同；另一方面，随着产生尾迹的目标的距离不同，尾迹中气泡大小的组成和数量和紊流的强度也不同。因此利用光束在尾迹中传输方向的变化与周围无扰动海水介质中的不同就可以进行动态目标的探测和跟踪。

激光束传输方向的变化可以用光斑漂移量或光束的漂移角来表示。激光器本身工作不稳定或内部发热等因素也会引起光束不稳定，由此产生的光斑漂移量很小，可以忽略。当激光束在水或其它流体中传播时，介质的不均匀分布且随时间变化会导致折射率的不均匀分布且随时间变化，从而造成光束的传输方向不稳定，光斑呈现明显的漂移。

(1)气泡引起的光斑漂移

根据Mie理论，当一束光线照射到单个气泡上时，会伴随着发生几种现象，如附图1所示：部分光线偏离原方向沿气泡的边缘发生衍射现象；部分光线在气泡的表面发生反射现象；部分照射到气泡上的光线会折射进入气泡内部，其中一部分被吸收而转化成其他形式的能量，如热能，其余的光线穿过气泡后出射。

Mie氏理论给出光与各向同性的均匀球形气泡相互作用后散射光场的分布。其光强按散射角度的分布为：

I(θ)＝I_⊥(θ)+I_∥(θ)   (1)

式中θ为散射角；I_⊥(θ)和I_∥(θ)分别为：

$I_{\⊥}\left(\mathrm{\θ}\right)={\left|\underset{n}{\mathrm{\Σ}}\frac{2n+1}{n(n+1)}[a_n{\mathrm{\π}}_n\left(\cos \mathrm{\θ}\right)+b_n{\mathrm{\τ}}_n\left(\cos \mathrm{\θ}\right)]\right|}^2---\left(2\right)$

$I_{//}\left(\mathrm{\θ}\right)={\left|\underset{n}{\mathrm{\Σ}}\frac{2n+1}{n(n+1)}[a_n{\mathrm{\τ}}_n\left(\cos \mathrm{\θ}\right)+b_n{\mathrm{\π}}_n\left(\cos \mathrm{\θ}\right)]\right|}^2---\left(3\right)$

(2)式和(3)式中a_n和b_n分别由下式计算：

$a_n=\frac{m{\mathrm{\Ψ}}_n\left(\mathrm{mx}\right){\mathrm{\Ψ}}_n^{\′}\left(x\right)-{\mathrm{\Ψ}}_n\left(x\right){\mathrm{\Ψ}}_n^{\′}\left(\mathrm{mx}\right)}{m{\mathrm{\Ψ}}_n\left(\mathrm{mx}\right){\mathrm{\ξ}}_n^{\′}\left(x\right)-{\mathrm{\ξ}}_n\left(x\right){\mathrm{\Ψ}}_n^{\′}\left(\mathrm{mx}\right)}---\left(4\right)$

$b_n=\frac{{\mathrm{\Ψ}}_n\left(\mathrm{mx}\right){\mathrm{\Ψ}}_n^{\′}\left(x\right)-{\mathrm{m\Ψ}}_n\left(x\right){\mathrm{\Ψ}}_n^{\′}\left(\mathrm{mx}\right)}{{\mathrm{\Ψ}}_n\left(\mathrm{mx}\right){\mathrm{\ξ}}_n^{\′}\left(x\right)-{\mathrm{m\ξ}}_n\left(x\right){\mathrm{\Ψ}}_n^{\′}\left(\mathrm{mx}\right)}---\left(5\right)$

(4)式和(5)式中，m＝n₁/n为相对折射率，n₁为颗粒的折射率，n为介质的折射率； $x=\mathrm{kr}=\frac{2\mathrm{\πr}}{\mathrm{\λ}},$ $k=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}},$ λ为光的波长，r为颗粒半径；Ψ_n(ρ)＝ρJ_n(ρ)， ${\mathrm{\ξ}}_n\left(\mathrm{\ρ}\right)=\mathrm{\ρ}{H}_n^{\left(1\right)}\left(\mathrm{\ρ}\right),$ $(H_n^{\left(1\right)}\left(\mathrm{\ρ}\right)=J_n\left(\mathrm{\ρ}\right)+i{Y}_n\left(\mathrm{\ρ}\right),$ J_n(ρ)和Y_n(ρ)分别为第一类和第二类贝塞尔函数，ρ为贝塞尔函数的自变量)。π_n，τ_n为角函数，定义为：

${\mathrm{\π}}_n\left(\cos \mathrm{\θ}\right)=\frac{1}{\sin \mathrm{\θ}}{P}_n^{\left(1\right)}\left(\cos \mathrm{\θ}\right)---\left(6\right)$

${\mathrm{\τ}}_n\left(\cos \mathrm{\θ}\right)=\frac{d}{\mathrm{d\θ}}{P}_n^{\left(1\right)}\left(\cos \mathrm{\θ}\right)---\left(7\right)$

式中，

为缔合勒让德多项式。

由Mie理论的光强计算表达式可以看出，折射率是一个极其重要的量，它对散射光场的分布有着极大的影响，随着散射角的改变，散射光光强在空间上的分布也发生变化。同时考虑尾迹气泡的空间和大小分布以及气泡的运动，所以水中气泡的存在，导致传播激光束指向性发生改变，而且气泡大小的空间分布不同、气泡密度不同，引起光束指向性的改变量不同从而光斑的漂移量也不同。

(2)紊流引起的光斑漂移

由紊流相关理论可知，尺度远小于光束宽度的紊流对漂移的贡献很小，因此，光束的漂移主要由大尺度紊流决定。由常用的漂移角方差的表达式可知，当紊流外尺度相当大时(K₀→0)，而且仅考虑弱起伏，有

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\θ}}^2=1.709C_n^{2}z{\left(2a_0\right)}^{-1/3}---\left(8\right)$

其中a₀为光源等效半径，z为传输距离，C_n为折射率结构常数，它是描述紊流强弱最重要的物理量。折射率结构常数可用温度结构常数C_T来描述：

$C_n=\frac{n-1}{T}{C}_T---\left(9\right)$

如附图2所示，设激光束传输一段距离r后，在接收面上光斑中心漂移量为p，漂移角为θ，则漂移角满足关系：

$\mathrm{\θ}=\arctan \frac{p}{r}---\left(10\right)$

空间两点的折射率结构函数为

$D_n=\stackrel{\&OverBar;}{{[n\&prime;(x+r)-n\&prime;\left(x\right)]}^2}=<{(n\&prime;(x+r)-n\left(x\right))}^2>---\left(11\right)$

$D_n=C_n^2{r}^{\frac{2}{3}}---\left(12\right)$

其中，n′(x)为x处折射率的起伏，r为两测量点之间的距离。

由(11)和(12)两式可求得：

$C_n^2=\frac{\stackrel{\&OverBar;}{{[n\&prime;(x+r)-n\&prime;\left(x\right)]}^2}}{r^{2/3}}---\left(13\right)$

将(13)式带入(8)式即可得漂移角方差为：

${\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{\&theta;}}^2=1.709\stackrel{\&OverBar;}{{[n\&prime;(x+r)-n\&prime;\left(x\right)]}^2}\&CenterDot;r^{1/3}\&CenterDot;{\left(2a_0\right)}^{-1/3}---\left(14\right)$

令x＝0，则n′(x+r)-n′(x)＝n′(r)-n′(0)＝Δn′(r)

则(14)式可以简化为：

${\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{\&theta;}}^2=1.709\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&Delta;n}\&prime;{\left(r\right)}^2}\&CenterDot;r^{1/3}\&CenterDot;{\left(2a_0\right)}^{-1/3}---\left(15\right)$

Δn′(r)为传输距离r上的折射率的变化。

从(10)式可知，通过测量光斑漂移量得到其漂移角大小，进而得到漂移角方差为：

${\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{\&theta;}}^2=\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&theta;}}_i^2}{N}-{\left(\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&theta;}}_i}{N}\right)}^2---\left(16\right)$

通过(15)式和(16)式即可求出传输介质的折射率变化。

2.技术方案

本发明提供的基于激光光斑漂移的水中动态目标尾迹探测系统，包括：

激光器，用于在水中产生单一方向的高斯光束；

CCD器件，用于采集高斯光束的光斑形状，并通过图像采集卡转换成空间灰度分布，输入信号处理器；

信号处理器，用于对光斑空间灰度分布进行实时处理，计算光斑中心位置的漂移量，并与实验室得到的目标尾迹存在的判断标准和目标尾迹特征的判断范围比较，判断目标尾迹是否存在，并将目标尾迹的信号输入给后续部件；

该CCD器件与信号处理器电连接，安放在激光器的光束传播方向。

上述水中动态目标尾迹探测系统，其中所述的信号处理器包括：CPLD时序产生器、A/D转换和DSP，CPLD时序产生器产生的时钟信号分别输入给CCD、A/D转换和DSP，A/D转换和DSP采用主动式的DMA方式进行数据传输，外部输入的模拟信号经A/D转换后输入给DSP处理，DSP处理后分两路以12位的分辨率输出光斑中心漂移量、以及漂移量的概率密度分布均值和方差。

本发明提供的基于激光光斑漂移的水中动态目标尾迹探测方法，首先在实验室环境对水中有不同扰动情况下的光斑中心位置漂移进行检测，得到水中动态目标尾迹存在与否的判断标准和目标尾迹特征的判断范围；然后对实际水域中的光斑中心位置漂移量进行检测，将实际水域中的光斑中心漂移量变化与实验室得到的判断标准和判断范围进行比较，判断出水中动态目标尾迹存在与否和目标尾迹的特征。具体步骤如下：

(1)在实验室环境中，用CCD分别采集激光器发出的光在静水、水中有气泡、水中有紊流和水中同时有气泡与紊流的不同情况中传输后的光斑；

(2)信号处理器接收CCD输出的光斑空间灰度分布，并将光斑空间灰度分布的最大值坐标确定为当前时刻光斑中心位置；以每一时刻与上一时刻的光斑中心位置之差，作为当前时刻光斑中心位置的漂移量；

(3)重复步骤(1)～(2)，根据在静水情况下连续多次测量光斑中心位置的漂移量，得到光斑中心位置漂移量的概率密度分布，确定该概率密度分布的置信区间，并将该置信区间的置信上限确定为目标尾迹存在的判断标准；

(4)重复步骤(1)～(2)，根据在静水、水中有气泡、水中有紊流和水中同时有气泡与紊流的情况下多次测量得到的光斑中心位置漂移量，计算光斑漂移量的总体方差，依据总体方差给出目标尾迹特征的判断范围；

(5)将测量系统置于实际水域中，用CCD采集激光器发出的光在实际水域中传输后的光斑；

(6)信号处理器在实际水域中接收CCD输出的光斑空间灰度分布，并对该光斑空间灰度分布进行实时处理，得出实际水域中若干次实时测量的光斑漂移量的样本均值和样本方差；

(7)将实际水域中若干次实时测量的光斑漂移量的样本均值与实验室得到的目标尾迹存在与否的判断标准进行比较，如果样本均值大于判断标准，则判定目标尾迹存在，否则判定目标尾迹不存在；

(8)将实际水域中若干次实时测量的光斑漂移量的样本方差与实验室得到的目标尾迹特征的判断范围进行比较，如果样本方差在判断范围内，则判定目标尾迹的特征为紊流；如果样本方差大于判断范围，则判定目标尾迹的特征为气泡。

所述的根据光斑中心位置漂移量的总体方差给出目标尾迹特征的判断范围，是将静水情况下得到的光斑中心位置漂移量总体方差确定为目标尾迹特征的判断范围的下限，将水中有紊流情况下得到的光斑中心位置漂移量总体方差确定为目标尾迹特征的判断范围的上限。

所述的对实际水域中的光斑空间灰度分布进行实时处理，得出实际水域中若干次实时测量的光斑漂移量的样本均值和样本方差，按如下过程进行：

(1)将该光斑空间灰度分布的最大值坐标确定为当前时刻光斑中心位置；

(2)将每一时刻与上一时刻的光斑中心位置之差，作为实际水域中当前时刻的光斑中心位置漂移量；

(3)统计实际水域中每一时刻光斑中心位置漂移量，将每10次连续测量的结果分为一组，按照样本均值和样本方差公式计算每一组光斑漂移量的样本均值和样本方差。

本发明利用激光光斑漂移探测目标的尾迹与现有的利用激光光强和散射谱的变化探测目标尾迹的方法比较，具有如下优点：

1.探测精度高。由于本发明利用激光光斑漂移探测目标的尾迹时，水中的任何扰动不论是气泡还是紊流都会使光斑发生明显的漂移，而现有利用光强和散射谱变化探测目标尾迹时，其扰动特征中只有气泡的存在才对光强和散射谱强度产生影响，紊流的存在对光强和散射谱强度基本不产生影响，因而本发明的探测精度高；

2.探测距离远、抗干扰能力强。由于远距离目标或水下目标其尾迹中的气泡很少，但紊流总是存在，因此利用激光光斑漂移来探测目标尾迹的距离远，且抗干扰能力强；

3.可满足实时检测的应用要求。由于本发明的探测器采用CCD器件对光斑的位置信息进行实时接收，并通过信号处理系统保证信号的快速处理，使信号处理速度达到10ms量级，可满足实时检测的应用要求。

附图说明

图1是气泡光散射图；

图2是光斑漂移示意图；

图3是本发明的探测系统示意图；

图4是本发明的探测方法流程图；

图5是本发明的实验系统示意图；

图6是本发明探测目标尾迹实验过程图；

图7是本发明在静水条件下测得的光斑漂移量概率密度分布图；

图8是本发明在水中有不同扰动情况下测得的光斑漂移量概率密度分布图。

具体实施方式

参照图3，本发明的测量系统由激光器、CCD器件和信号处理器等三部分组成。其中：

激光器，采用光束发散角小、光束质量好的TEM₀₀模的连续激光器，以满足光斑位置的判断和应用中实时探测的要求。该激光器主要用于产生波长为632.8nm的连续激光束。

CCD器件，主要用于接收激光光斑的位置。该CCD器件放置在与激光器相距20cm～1m的正前方，激光器发射的高斯光束通过待测区域后用CCD接收，CCD将激光强度沿横截面的分布转变为光斑灰度沿横截面的分布。

信号处理器，包括A/D转换器、DSP处理器和CPLD时序产生器，用于对CCD输出的光斑灰度的模拟信号进行实时处理。为了保证时序的匹配和信号的严格同步，CPLD时序产生器产生CCD、A/D和DSP的时钟信号以及CPLD和DSP通信的信号。A/D转换器的工作频率和CCD的输出频率严格同步，以确保不丢失有用的数据。A/D转换器与DSP之间采用主动式的DMA方式进行数据传输。CCD输出的模拟信号在A/D时钟的上升沿被采样，采样数据经A/D转换器转换为数字信号输入给DSP处理，DSP处理后分两路以12位的分辨率输出光斑中心漂移量的样本均值和样本方差。

参照图4，本发明的探测方法包括如下步骤：

步骤1，系统置于实验室环境中，分别设置不同的实验条件：静水、水中有气泡、水中有紊流、水中同时有气泡和紊流；

步骤2，设置激光器的工作电流使其产生一定功率的高斯光束；

步骤3，CCD采集高斯光束的光斑，并通过其图像采集卡将采集到的光斑形状转换成空间灰度分布，输入给信号处理器；

步骤4，信号处理器每隔1ms接收CCD输出的光斑空间灰度分布，并以灰度最大值的坐标为光斑中心位置；将每一时刻与上一时刻的光斑中心位置之差确定为当前时刻光斑中心位置的漂移量；

步骤5，在静水条件下连续多次测量和计算光斑中心位置的漂移量，得到光斑中心位置漂移量的概率密度分布；根据探测精度和可靠性要求设置置信度，由置信度和光斑漂移量概率密度分布求得置信区间，将该置信区间的置信上限值θ作为目标尾迹存在的判断标准；

步骤6，在水中有气泡、水中有紊流、水中同时有气泡和紊流的情况下，多次测量和计算光斑中心位置的漂移量，得到光斑中心位置漂移量的总体方差，给出目标尾迹的特征为气泡或紊流的判断范围，即将静水情况下得到的光斑中心位置漂移量的总体方差确定为目标尾迹特征的判断范围的下限，将水中有紊流情况下得到的光斑中心位置漂移量的总体方差确定为目标尾迹特征的判断范围的上限；

步骤7，将探测系统置于实际水域中，信号处理器每隔1ms接收CCD输出的光斑空间灰度分布，并以灰度最大值的坐标为光斑中心位置；将每一时刻与上一时刻的光斑中心位置之差确定为当前时刻光斑中心位置的漂移量；

步骤8，连续多次测量和计算光斑中心位置的漂移量，以每十个漂移量为一组，利用样本均值和样本方差公式计算每一组漂移量的样本均值μ_i和样本方差

步骤9，比较样本均值μ_i与步骤5得到的目标尾迹存在的判断标准，如果μ_i值大于判断标准，则判定目标尾迹存在，否则判定目标尾迹不存在；比较样本方差

与步骤6得到的目标尾迹特征的判断范围，如果

在判断范围内，则判定目标尾迹的特征为紊流；如果样本方差大于判断范围，则判定目标尾迹的特征为气泡或气泡和紊流同时存在；

步骤10，将目标尾迹存在的信号和目标尾迹的特征信号输出。

本发明的可行性可以通过以下实验实例进行验证：

一、实验系统

参照图5，本发明的实验系统由He-Ne激光器、CCD器件、尾迹模拟器和信号处理器组成。其中激光器发射的激光束在尾迹模拟器中传输。尾迹模拟器由水槽、水、微孔陶瓷管阵列、气泵和水泵组成，用于模拟目标舰船产生的尾迹。CCD器件接收经过水槽传输后的激光束，CCD器件前的衰减片用于衰减多余的光强。信号处理器用于对CCD输出的光斑灰度的模拟信号进行实时处理。

尾迹模拟器可以产生一定扰动强度的水况。其中微孔陶瓷管阵列与气泵相连，用于产生实验所需的气泡，微孔陶瓷管阵列产生气泡的大小和多少由与气压表相连的调节阀控制。微孔陶瓷管阵列的微孔孔径为1～10μm；气泵的功率为138w，最大风压为13kgf/cm²；气压表的量程为：0～0.16MPa，最小精度为0.005MPa。水泵用于产生实验所需的紊流，水泵的功率为45w，扬程为2m，最大供水量为3000L/h。

二、实验过程

参照图6，本实验利用所述实验系统进行模拟目标尾迹探测的过程如下：

(一)确定水中目标尾迹存在的判断标准和目标尾迹特征的判断范围

1、系统置于实验室环境中，在水槽中分别设置不同的实验条件：静水、水中有气泡、水中有紊流、水中同时有气泡和紊流；

2、设置激光器的工作电流使其产生一定功率的高斯光束，对系统光路进行准直调节；

3、利用CCD采集激光束通过水槽后的光斑，当光强较强使CCD饱和时采用衰减片对光强进行衰减；

4、对信号处理器进行初始化；

5、信号处理器每隔1ms接收CCD输出的光斑空间灰度分布，确定光斑中心位置，连续测量静水、水中有气泡、水中有紊流和水中同时有气泡和紊流情况下的光斑，并以每一时刻与上一时刻的光斑中心位置之差计算每一时刻光斑中心位置的漂移量；

6、根据得到的静水情况下的光斑中心漂移量计算其概率密度分布，如图7所示；

7、设置置信度为95％，求得光斑漂移量概率密度分布的置信上限值θ为1.0233×10^-2mm，将该上限值θ作为目标尾迹存在的判断标准；

8、根据在静水、水中有气泡、水中有紊流和水中同时有气泡与紊流的情况下得到的光斑中心漂移量，计算光斑中心漂移量的总体方差，计算结果在附表1中给出；

9、依据在静水、水中有紊流和水中有气泡情况下光斑漂移量的总体方差大小给出目标尾迹特征的判断范围为：0.1×10^-4mm²～0.3×10^-4mm²。

(二)实时测量激光光斑的漂移量、判断水中模拟目标尾迹的存在和类型

A.水中只有气泡的情况，其测量和判断过程如下：

1、设置激光器的输出功率，调节光路准直，设置采集面；

2、对数字处理系统进行初始化；

3、开启气泵，使水槽产生气泡，调节与气泵相连的调节阀，使气压表的读数保持在0.005MPa左右；

4、利用CCD采集通过水槽后的光斑图样，当光强较大使CCD饱和时采用衰减片对光强进行衰减，然后连续采集光斑图样；

5、信号处理器每隔1ms接收CCD输出的光斑空间灰度分布，确定光斑中心位置；以每一时刻与上一时刻的光斑中心位置之差作为当前时刻光斑中心位置的漂移量；

6、将10次连续测量的漂移量划分为一组，计算每一组漂移量的样本均值μi和样本方差

随机抽取45组μ_i和分别与目标尾迹存在的判断标准θ值进行比较；随机抽取45组

和目标尾迹特征的判断范围进行比较，所抽取的μ_i和

如附表2和附表3中所示；

7、所抽取的45组光斑漂移量的样本均值μ_i中，有39组μ_i大于θ值，可以判定目标尾迹的存在；所抽取的45组光斑漂移量的样本方差

中，有43组

大于判断范围，可以判定目标尾迹的特征为气泡。

B.水中只存在紊流的情况，其测量和判断过程如下：

1、设置激光器的输出功率，调节光路准直，设置采集面；

2、对数字处理系统进行初始化；

3、开启水泵，使水中产生明显的紊流；

4、利用CCD采集通过水槽后的光斑图样，当光强较强使CCD饱和时采用衰减片对光强进行衰减，然后连续采集光斑图样；

5、信号处理器每隔1ms接收CCD输出的光斑空间灰度分布，确定光斑中心位置；以每一时刻与上一时刻的光斑中心位置之差作为当前时刻光斑中心位置的漂移量；

6、将10次连续测量的漂移量划分为一组，计算每一组漂移量的样本均值μ_i和样本方差

随机抽取45组μ_i和分别与目标尾迹存在的判断标准θ值进行比较；随机抽取45组和目标尾迹特征的判断范围进行比较，所抽取的μ_i和

如附表2和附表3中所示；

7、所抽取的45组光斑漂移量的样本均值μ_i中，45组μ_i全部大于θ值，可以判定目标尾迹的存在；所抽取的45组光斑漂移量的样本方差

中，有31组

在判断范围内，可以判定目标尾迹的特征为紊流。

C.水中同时存在气泡和紊流的情况，其测量和判断过程如下：

1、设置激光器的输出功率，调节光路准直，设置采集面；

2、对数字处理系统进行初始化；

3、开启气泵，调节气泵气压的大小，使气压表的读数保持在0.005MPa左右；同时启动水泵开关，这时水中存在少量气泡和明显的紊流；

4、利用CCD采集通过水槽后的光斑图样，当光强较大使CCD饱和时采用衰减片对光强进行衰减，然后连续采集光斑图样；

5、信号处理器每隔1ms接收CCD输出的光斑空间灰度分布，确定光斑中心位置；以每一时刻与上一时刻的光斑中心位置之差作为当前时刻光斑中心位置的漂移量；

6、将十次连续测量的漂移量划分为一组，计算每一组漂移量的样本均值μ_i和样本方差随机抽取45组μ_i和分别与目标尾迹存在的判断标准θ值进行比较；随机抽取45组

和目标尾迹特征的判断范围进行比较，所抽取的μ_i和

如附表2和附表3中所示；

7、所抽取的45组光斑漂移量的样本均值μ_i中，45组μ_i全部大于θ值，可以判定目标尾迹的存在。所抽取的45组光斑漂移量的样本方差

中，有43组满足

大于判断范围，可以判定目标尾迹的特征为气泡。

上述不同情况下的测量结果表明：当水中有气泡、紊流或同时有气泡与紊流等影响因素时，激光光斑均发生明显的漂移；气泡的多少对光斑漂移的影响较大；水中同时有气泡与紊流比水中只有气泡或只有紊流对光斑漂移的影响要大。

由图7所示的在静水情况下采样450个点得到的光斑中心漂移量概率密度分布图可以看出：静水情况下测得的激光光斑存在微小的漂移，漂移量的大小在0～1.5×10^-2mm之间，这主要来自激光器谐振腔的形变和系统自身的不稳定性。

由图8所示为在水中有气泡、水中有紊流和水中同时有气泡和紊流的情况下分别采样450个点得到的光斑中心漂移量概率密度分布可以看出，当水中有气泡或紊流或同时有气泡和紊流时，激光光斑均发生明显的漂移，漂移量的分布范围分别为0.2×10^-26×10^-2mm、0.7×10^-2～4×10^-2mm和0.57×10^-2～9×10^-2mm。

上述实验结果证明，用本发明的方法不但能够对水中的动目标尾迹进行有效探测，而且能够判断目标尾迹的特征，因此能够辨别目标距离的远近和探测水下目标产生较少气泡的尾迹，提高了光尾迹探测的精度、扩展了探测范围。

附表1水中存在不同扰动情况下的光斑中心漂移量的样本均值(×10^-2mm)

附表2水中存在不同扰动情况下的光斑中心漂移量的总体方差(×10^-4mm²)

	静水	气泡	紊流	气泡和紊流
					总体方差	0.0962	1.2417	0.2509	2.3535

附表3水中存在不同扰动情况下的光斑中心漂移量的样本方差(×10^-4mm²)

Claims (1)

1.一种基于激光光斑漂移的水中动态目标尾迹探测方法，包括如下步骤：

(1)在实验室环境中，用CCD分别采集激光器发出的光在静水、水中有气泡、水中有紊流和水中同时存在气泡与紊流的不同情况下传输后的光斑；

(2)信号处理器接收CCD输出的光斑空间灰度分布，并将光斑空间灰度分布的最大值坐标确定为当前时刻光斑中心位置；以每一时刻与上一时刻的光斑中心位置之差，作为当前时刻光斑中心位置的漂移量；

(3)重复步骤(1)～(2)，根据在静水情况下连续多次测量光斑中心位置的漂移量，得到光斑中心位置漂移量的概率密度分布，确定该概率密度分布的置信区间，并将该置信区间的置信上限确定为目标尾迹存在的判断标准；

(4)重复步骤(1)～(2)，根据在静水、水中有气泡、水中有紊流或者水中同时有气泡和与紊流的情况下多次测量得到的光斑中心位置漂移量，计算光斑中心位置漂移量的总体方差，依据总体方差给出目标尾迹特征的判断范围，即将静水情况下得到的光斑中心位置漂移量的总体方差确定为目标尾迹特征的判断范围的下限，将水中有紊流情况下得到的光斑中心位置漂移量的总体方差确定为目标尾迹特征的判断范围的上限；

(5)将测量系统置于实际水域中，用CCD采集激光器发出的光在实际水域中传输后的光斑，所述测量系统包括激光器、CCD器件和信号处理器，CCD器件与信号处理器电连接，安放在激光器的光束传播方向；该激光器用于在水中产生单一方向的高斯光束；该CCD器件，用于采集高斯光束的光斑形状，并通过图像采集卡转换成空间灰度分布，输入给信号处理器；

(6)信号处理器在实际水域接收CCD输出的光斑空间灰度分布，并对该光斑空间灰度分布进行实时处理，得出实际水域中若干次实时测量的光斑漂移量的样本均值和样本方差：

(6a)将该光斑空间灰度分布的最大值坐标确定为当前时刻光斑中心位置；

(6b)将每一时刻与上一时刻的光斑中心位置之差，作为实际水域中当前时刻光斑中心位置的漂移量；

(6c)统计实际水域中每一时刻光斑中心位置漂移量，将每10次连续测量的结果分为一组，按照样本均值和样本方差公式计算每一组光斑漂移量的样本均值和样本方差；

(7)将实际水域中若干次实时测量的光斑漂移量的样本均值与实验室得到的目标尾迹存在与否的判断标准进行比较，如果样本均值大于判断标准，则判定目标尾迹存在，否则判定目标尾迹不存在；

(8)将实际水域中若干次实时测量的光斑漂移量的样本方差与实验室得到的目标尾迹特征的判断范围进行比较，如果样本方差在判断范围内，则判定目标尾迹的特征为紊流；如果样本方差大于判断范围，则判定目标尾迹的特征为气泡或气泡和紊流同时存在。

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