CN102012529A

CN102012529A - 基于激光脉冲后向散射的水中目标尾迹探测系统及方法

Info

Publication number: CN102012529A
Application number: CN 201010290276
Authority: CN
Inventors: 刘继芳; 韩彪; 周少杰; 孙艳玲; 马琳; 石顺祥
Original assignee: Xidian University
Current assignee: Xidian University
Priority date: 2010-09-20
Filing date: 2010-09-20
Publication date: 2011-04-13
Anticipated expiration: 2030-09-20
Also published as: CN102012529B

Abstract

本发明公开了一种基于激光脉冲后向散射的水中目标尾迹探测系统及方法。该探测系统包括：激光脉冲发射装置、后向散射信号检测装置和信号处理装置。该方法是将探测系统置于水中，激光器脉冲发射装置向水中发射线偏振激光脉冲；后向散射信号检测装置对激光脉冲后向散射信号进行探测；信号处理装置对后向散射信号检测装置的输出信号进行实时处理，实现对目标尾迹的检测。其检测过程为：1.多次实验测量激光脉冲后向散射信号，确定目标尾迹判断标准；2.在实际水域中对激光脉冲后向散射信号进行测量并与判断标准比较，判断目标尾迹是否存在。本发明具实用性强、可靠性高、探测距离远、抗干扰能力强的优点，可用于对水中动态目标的实时探测。

Description

基于激光脉冲后向散射的水中目标尾迹探测系统及方法

技术领域

本发明属于激光技术应用领域，涉及动态目标尾迹的探测，具体是一种对水中目标尾迹的后向散射探测系统及方法，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，还出现了红外探测方法、电磁探测方法和光学探测方法等。

声学探测，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。主动声探测是发射声信号，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。被动声探测方法，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；直接探测是接收目标的各种噪声信号确定目标是否存在；声尾迹探测是通过测量海水声阻抗的变换确定目标尾迹是否存在。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，但这种技术目前只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，由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，是通过检测激光在目标尾迹中传输时激光光学特性的变化来达到对动态目标的探测与跟踪。光学探测具有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远等特点而备受关注。光学探测依据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，通过检测光强的变化来探测目标；激光散射探测，是激光在目标尾迹中传输时，通过检测在不同散射角下散射光强的变化来探测目标；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，参见【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】。由于水中气泡、杂质等对光波有强烈的吸收和散射，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较少气泡或只存在紊流的情况下，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。另外，利用光散射特性对目标尾迹进行探测时，根据散射信号来源的不同可以分为前向散射探测和后向散射探测，前向散射探测的信号来源是目标尾迹的前向散射光，后向散射探测的信号来源是目标尾迹的后向散射光。利用前向散射探测方法进行检测时，激光源和探测器位于待检测目标尾迹的两侧，现有的利用激光散射特性探测和激光散射空间频谱探测技术都属于这种方法，这些方法虽然易于实现，但应用时探测装置必须行进在目标尾迹中，因此对于水面舰船跟踪、水下动态目标探测、水中兵器自导及水下航行器等实际应用而言，这种方法实用性较差。

发明内容

本发明的目的在于克服上述已有光学探测方法的不足，提供一种基于激光脉冲后向散射特征变化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后向散射探测，提高目标尾迹探测的精度和检测距离，增强目标尾迹探测的实用性。

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，通过检测激光脉冲在水中传输时后向散射信号脉冲前沿位置、脉冲宽度、脉冲峰值、脉冲面积和脉冲形状等特征的变化实现对水中动态目标尾迹的探测。

水中动态目标尾迹是一个包含气泡和紊流的动态系统。由于气泡的运动使大气泡不断浮出水面、小气泡溶解；并且水中紊流随时间的推移在不断的衍化，这使得水中目标尾迹中散射体，包括气泡、紊流和其它杂质的数量和散射体数量在空间的分布以及水体折射率在空间的分布都会发生变化。因此激光脉冲在目标尾迹中传输时，相对静水而言，光波传输的轨迹、光程以及光波所受到的散射和吸收都会发生变化。如若以激光脉冲为入射光源，使激光脉冲经过目标尾迹，并对激光脉冲的后向散射光进行采集，以此作为探测信号，则相对静水而言，信号的脉冲前沿位置和后沿位置在时间轴上会有所移动，脉冲宽度、脉冲峰值、脉冲面积和脉冲形状也会发生变化。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，随着距目标的远近不同，尾迹中气泡的大小、数量和紊流的强度也不同。因此检测激光脉冲在水中传输时后向散射特征的变化可实现对水中目标尾迹的后向散射探测。

光波在水中传输时，由于吸收和散射的存在，一方面后向散射信号比较微弱；另一方面探测到的后向散射光大部分来自距离探测器较近的水域，这限制了后向散射探测的检测距离。因此检测远处激光脉冲后向散射信号时，不仅要提高探测器的灵敏度，还要对距离探测器较近的水域的后向散射光进行抑制。光在水中传输时，散射和吸收的存在使得水体光学性质表现出一定的各向异性，因此光波在其中传输时偏振态会发生变化；对于线偏振光而言，存在退偏现象。线偏振光传输距离越长，光波能量越小；但由于退偏的存在，与入射光偏振方向垂直的分量所占的比重逐渐增加。因此，使进入水中的入射光为线偏振光，在探测器前加入检偏器，根据探测距离的不同，改变检偏器检偏方向可以有效的抑制距离探测器较近的水域的后向散射光，增大后向散射的有效探测距离。

本发明正是通过测量实际水域中线偏振激光脉冲后向散射特征的变化，利用偏振技术对距离探测器较近的水域后向散射光进行抑制，来间接测量水中气泡和紊流扰动因素的强弱，从而实现利用光学后向散射探测的方法判断水中目标尾迹的存在。

2.技术方案

A.本发明提供的基于激光脉冲后向散射的水中目标尾迹探测系统，包括：

激光脉冲发射装置，用于向水中发射线偏振激光脉冲；

后向散射信号检测装置，与激光脉冲发射装置平行放置，用于探测水中激光脉冲的后向散射信号，并将后向散射信号传输给信号处理装置；

信号处理装置，连接在后向散射信号检测装置的后侧，对接收到的后向散射信号进行实时处理，将处理结果与通过实验确定的目标尾迹判断标准相比较，判断目标尾迹是否存在，并将此判断结果传输给后续部件。

上述水中目标尾迹探测系统，其中所述的激光脉冲发射装置由激光器和起偏器组成，激光器发射单一方向的激光脉冲，起偏器紧贴激光器出射口，将出射激光脉冲变为线偏振激光脉冲。

上述水中目标尾迹探测系统，其中所述的后向散射信号检测装置由检偏器和光电探测器组成，检偏器对激光脉冲后向散射光进行偏振滤除，光电探测器紧贴检偏器，将后向散射光信号转换为电压信号。

上述水中目标尾迹探测系统，其中所述的通过实验确定的目标尾迹判断标准，是通过实验得出激光脉冲后向散射信号的脉冲前沿位置、脉冲宽度、脉冲峰值、脉冲面积和脉冲形状的特征参数阈值。

上述水中目标尾迹探测系统，其中所述的信号处理装置包括：CPLD时序产生器和DSP处理器，CPLD时序产生器产生激光器、光电探测器和DSP处理器所需的时钟信号，DSP处理器实时处理激光脉冲后向散射信号，得到激光脉冲后向散射信号脉冲前沿位置、脉冲宽度、脉冲峰值、脉冲面积和脉冲形状的特征参数统计平均值，并通过将这些特征参数统计平均值与通过实验确定的目标尾迹判断标准相比较，判断水中动态目标尾迹的存在与否。

上述信号处理装置，其中所述的激光脉冲后向散射信号脉冲前沿位置、脉冲宽度、脉冲峰值、脉冲面积和脉冲形状特征参数的统计平均值的偏差绝对值，是以实验确定的静水环境下的脉冲前沿位置、脉冲宽度、脉冲峰值、脉冲面积和脉冲形状的特征参数统计平均值为基准进行计算的。

B.本发明提供的基于激光脉冲后向散射的水中目标尾迹探测方法，包括如下步骤：

首先在实验室环境对水中有不同扰动情况下，对激光脉冲后向散射信号脉冲前沿位置、脉冲宽度、脉冲峰值、脉冲面积和脉冲形状进行检测，分析这些特征参数的统计平均值，得到利用激光脉冲后向散射特征判断目标尾迹存在与否的判断依据；然后对实际水域中激光脉冲后向散射信号的这些特征进行检测，分析其脉冲前沿位置、脉冲宽度、脉冲峰值、脉冲面积和脉冲形状的特征参数的统计平均值，将实际水域中这些特征参数的统计平均值与实验得到的目标尾迹判断依据进行比较，判断水中目标尾迹的存在与否。

具体步骤如下：

(1)在实验室环境中，将检偏器检偏方向与起偏器起偏方向置于垂直状态，用光电探测器分别采集激光器发出的激光脉冲在静水、水中有气泡和水中有紊流时的后向散射信号；

(2)对采集到的后向散射信号进行实时处理，分别得到静水、水中有气泡、水中有紊流时激光脉冲后向散射信号的脉冲前沿位置、脉冲宽度、脉冲峰值、脉冲面积和脉冲形状的特征参数统计平均值，并存储静水时这些特征参数统计平均值；

(3)以静水时的脉冲前沿位置、脉冲宽度、脉冲峰值、脉冲面积和脉冲形状的特征参数统计平均值为基准，分别计算水中有气泡和水中有紊流时的脉冲前沿位置、脉冲宽度、脉冲峰值、脉冲面积和脉冲形状的特征参数统计平均值相对于基准的偏差绝对值；

(4)分别比较水中有气泡和水中有紊流时的脉冲前沿位置、脉冲宽度、脉冲峰值、脉冲面积和脉冲形状的特征参数统计平均值的偏差绝对值大小，并分别将其中较小的偏差绝对值作为脉冲前沿位置、脉冲宽度、脉冲峰值、脉冲面积和脉冲形状的特征参数阈值，并将这些特征参数阈值作为判断目标尾迹是否存在的判断标准；

(5)在实际水域中，将检偏器检偏方向与起偏器起偏方向置于垂直状态，用光电探测器采集实际水域中的激光脉冲后向散射信号；

(6)对采集到的后向散射信号进行实时处理，得到实际水域中激光脉冲后向散射信号的脉冲前沿位置、脉冲宽度、脉冲峰值、脉冲面积和脉冲形状的特征参数统计平均值；

(7)计算实际水域中的脉冲前沿位置、脉冲宽度、脉冲峰值、脉冲面积和脉冲形状的特征参数统计平均值相对于基准的偏差绝对值；

(8)根据偏差绝对值判定目标尾迹是否存在：若激光脉冲后向散射信号的脉冲前沿位置、脉冲宽度、脉冲峰值、脉冲面积和脉冲形状的特征参数统计平均值的偏差绝对值，都大于实验得到的这些特征参数各自对应的特征参数阈值，则目标尾迹存在，否则目标尾迹不存在。

本发明与现有光学探测目标尾迹的方法比较，具有如下优点：

1.实用性强

本发明利用激光脉冲后向散射特征变化探测目标的尾迹时，由于采用的是一种后向散射探测方法，激光脉冲发射装置和后向散射信号接收装置位于目标尾迹的同侧，因此探测装置工作时不必行驶在目标尾迹中，而现有利用光学前向检测方法探测目标尾迹时，由于激光发射系统和信号接收系统位于目标尾迹的异侧，其工作时探测装置必须行驶在目标尾迹中，另外，本发明的后向散射探测方法更加适合于现有水中兵器和航行器的设计结构和工作方式，因此，本发明更具有实用性。

2.探测距离远、抗干扰能力强

由于气泡在目标尾迹中存在时间比较短，但紊流总是存在，因此本发明利用激光脉冲后向散射特征探测目标尾迹中的紊流，可以提高其有效探测距离；此外，本发明利用检偏器通过探测激光脉冲后向散射信号的退偏分量，有效抑制了距离探测系统较近水域的后向散射光，在探测远距离目标尾迹时提高了信噪比，使得系统抗干扰能力增强。

3.可靠性高

本发明由于同时利用激光脉冲后向散射信号的脉冲前沿位置、脉冲宽度、脉冲峰值、脉冲面积和脉冲形状的特征参数统计平均值判断目标尾迹是否存在，使得判断结果的可靠性得到了明显提高。

4.能满足实时检测的应用要求

本发明由于探测系统采用高响应速度和高灵敏度的光电探测器对激光脉冲的后向散射信号进行实时接收，并通过信号处理装置保证信号的快速处理，使信号处理速度达到1ms量级，能够满足实时检测的应用要求。

附图说明

图1是本发明的探测系统示意图；

图2是本发明的探测方法流程图；

图3是本发明的实验系统示意图；

图4是水中激光脉冲后向散射信号的波形示意图；

图5是本发明探测目标尾迹实验过程图；

图6是实验室环境中，在检偏器检偏方向与起偏器起偏方向垂直时，对水中有气泡和水中有紊流水域进行脉冲前沿位置特征参数偏差绝对值测量的数据示意图；

图7是实验室环境中，在检偏器检偏方向与起偏器起偏方向垂直时，对水中有气泡和水中有紊流水域进行脉冲宽度特征参数偏差绝对值测量的数据示意图；

图8是实验室环境中，在检偏器检偏方向与起偏器起偏方向垂直时，对水中有气泡和水中有紊流水域进行脉冲峰值特征参数偏差绝对值测量的数据示意图；

图9是实验室环境中，在检偏器检偏方向与起偏器起偏方向垂直时，对水中有气泡和水中有紊流水域进行脉冲面积特征参数偏差绝对值测量的数据示意图；

图10是实验室环境中，在检偏器检偏方向与起偏器起偏方向垂直时，对水中有气泡和水中有紊流水域进行脉冲形状特征参数偏差绝对值测量的数据示意图。

具体实施方式

参照图1，本发明的探测系统由激光脉冲发射装置、后向散射信号接收装置和信号处理装置三部分组成。其中：

激光脉冲发射装置由激光器和起偏器组成，激光器采用光束发散角小于0.5°、脉冲形状稳定的TEM₀₀模脉冲激光器，主要用于产生波长为532nm、激光脉宽为10ns、最大输出功率为3W的激光脉冲，脉冲发射频率和发射功率分别通过CPLD时序产生器和激光输入电流进行控制；起偏器紧贴激光器出射口，采用消光比大于98％的偏振片，用于将出射激光脉冲变为线偏振激光脉冲。

后向散射信号检测装置由检偏器和光电探测器组成，与激光脉冲发射装置平行放置，用于探测激光脉冲的后向散射信号。该检偏器采用消光比大于98％的偏振片，检偏方向与起偏器起偏方向垂直，以对后向散射信号进行偏振滤除；光电探测器紧贴检偏器，选用增益系数＞10⁶、响应速度为ns量级、最大输出电压为2V的光电倍增管，用来将后向散射光信号转化为电压信号，并输入给信号处理装置。

信号处理装置，位于后向散射信号检测装置的后侧，它包括DSP处理器和CPLD时序产生器，用于对后向散射信号检测装置输出的电压信号进行实时处理。CPLD时序产生器产生频率为1000Hz的电脉冲信号，并将此电脉冲信号作为激光器、光电探测器和DSP处理器的时钟信号以及CPLD和DSP的通信信号，以保证激光脉冲发射装置、后向散射信号接收装置和信号处理装置运行在一个统一的基本时钟下。DSP处理器以每个处理过程耗时1ms的运算速度，对光电探测器输入的电压信号进行实时处理，得到数字形式的脉冲前沿位置、脉冲宽度、脉冲峰值、脉冲面积和脉冲形状的特征参数统计平均值的偏差绝对值，计算这些偏差绝对值时选用的基准分别是通过实验确定的静水环境中的脉冲前沿位置、脉冲宽度、脉冲峰值、脉冲面积和脉冲形状的特征参数统计平均值；将这些特征参数统计平均值的偏差绝对值分别与实验室得到的脉冲前沿位置、脉冲宽度、脉冲峰值、脉冲面积和脉冲形状的特征参数阈值进行比较，判断目标尾迹是否存在：若激光脉冲后向散射信号的脉冲前沿位置、脉冲宽度、脉冲峰值、脉冲面积和脉冲形状的特征参数统计平均值的偏差绝对值，都大于实验得到的这些特征参数各自对应的特征参数阈值，则目标尾迹存在，否则目标尾迹不存在，并输出判断结果。

参照图2，本发明的探测方法包括如下步骤：

步骤1，搭建实验系统。

参照图3，本发明的实验系统由激光器、起偏器、尾迹模拟器、检偏器、光电探测器和信号处理装置构成。

激光器和起偏器组成激光脉冲发射装置。激光器采用光束发散角小于0.5°，脉冲形状稳定的TEM₀₀模脉冲激光器。所发射的激光脉冲波长为532nm，激光脉宽为10ns，最大输出功率为3W。激光器的脉冲发射频率和发射功率分别通过CPLD时序产生器和激光输入电流进行控制。起偏器紧贴激光器出射口，采用消光比大于98％的偏振片。

尾迹模拟器由水槽、水、微孔陶瓷管阵列、气泵和水泵组成。其中水槽为长方体状，长度、宽度和高度分别为100cm、40cm、50cm，槽壁透光率为97％，水、微孔陶瓷管阵列和水泵均放置在水槽中。微孔陶瓷管阵列与气泵相连，用于产生实验所需的气泡，通过改变气泵中的气压控制气泡的数目和大小，并利用与气压泵相连的气压表对气压进行显示。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；

检偏器和光电探测器组成后向散射信号检测装置，与激光脉冲发射装置平行放置。检偏器采用消光比大于98％的偏振片，检偏方向与起偏器起偏方向垂直；光电探测器紧贴检偏器，选用增益系数＞10⁶、响应速度为ns量级、最大输出电压为2V的光电倍增管。

信号处理装置，位于后向散射信号检测装置的后侧，包括DSP处理器和CPLD时序产生器。

步骤2，设置试验条件。

调整激光器和起偏器的位置，使得激光脉冲沿水槽长度方向进入尾迹模拟器，并且起偏器紧贴在槽壁中心；

调整光电探测器和检偏器的位置，使得检偏器与起偏器紧贴在水槽的同一槽壁，并且检偏器中心与起偏器中心的距离为30mm；

调整微孔陶瓷阵列和水泵的位置，使得尾迹模拟器产生的气泡和紊流位于距离检偏器70～100mm的区域。

将检偏器检偏方向与起偏器起偏方向置于垂直状态，根据光电探测器检测到的激光脉冲后向散射信号，调节激光器工作电流的大小，使得激光器发出的激光脉冲经过静水后的脉冲峰值大小为光电探测器最大输出电压的五分之三；

通过水泵和气泵的开启或关闭，使尾迹模拟器产生静水、水中有气泡和水中有紊流的不同实验条件。

步骤3，实时测量实验条件下的激光脉冲后向散射信号。

通过后向散射信号检测装置，分别对静水、水中有气泡和水中有紊流时的后向散射信号进行测量，并将测量得到的后向散射电压信号传输到信号处理装置，探测得到的激光脉冲后向散射信号波形，如图4所示。

步骤4，分别计算静水、水中有气泡和水中有紊流时，激光脉冲后向散射信号脉冲前沿位置、脉冲宽度、脉冲峰值、脉冲面积和脉冲形状的特征参数统计平均值。

(4a)设置一个信号阈值U，将激光脉冲后向散射信号中幅值大于该信号阈值U的部分作为有效探测信号，U的取值范围为0.03～0.08伏特，信号阈值U根据实际水域的光散射特性进行设置，实际水域中的光散射越弱，U越小，光散射越强，U越大；

(4b)将有效探测信号的起始时刻和截止时刻分别作为脉冲前沿位置和后沿位置的特征参数，将脉冲后沿位置和前沿位置特征参数的差值作为脉冲宽度的特征参数，将有效探测信号幅值的极大值作为脉冲峰值的特征参数；

(4c)对有效探测信号的幅值在时间上进行积分，将积分结果作为脉冲面积的特征参数；

(4d)对有效探测信号进行峰值归一化，按照设定的标准值T对峰值归一化得到的结果在时域上进行压缩或展宽，使其在时域上的宽度变为标准值T，然后对经过压缩或展宽得到的结果进行傅立叶变换，并将傅立叶变换后得到的频谱半高宽作为脉冲形状的特征参数，其中T的取值范围为100～2000纳秒，标准值T根据激光器发射的激光脉宽进行设定，激光脉宽越小，T越小，激光脉宽越大，T越大；

(4e)以N个后向散射信号为样本，对(7b)～(7d)处理得到的脉冲前沿位置、脉冲宽度、脉冲峰值、脉冲面积和脉冲形状特征参数分别求和并除以N，得到这些特征参数的统计平均值，其中N是500～2000之间能被100整除的正整数，N的取值根据水域的具体情况进行设置，水域越平静，N越小，水域越不平静，N越大。

步骤5，以静水时的脉冲前沿位置、脉冲宽度、脉冲峰值、脉冲面积和脉冲形状的特征参数统计平均值为基准，分别计算水中有气泡和水中有紊流时的脉冲前沿位置、脉冲宽度、脉冲峰值、脉冲面积和脉冲形状的特征参数统计平均值相对于基准的偏差绝对值。

步骤6，分别比较水中有气泡和水中有紊流时的脉冲前沿位置、脉冲宽度、脉冲峰值、脉冲面积和脉冲形状的特征参数统计平均值的偏差绝对值大小，并分别将其中较小的偏差绝对值作为脉冲前沿位置、脉冲宽度、脉冲峰值、脉冲面积和脉冲形状的特征参数阈值，并将这些特征参数阈值作为判断目标尾迹是否存在的判断标准。

步骤7，保持起偏器和检偏的相对位置及激光器工作电流不变，将探测系统置于实际水域，检偏器检偏方向与起偏器起偏方向置于垂直状态，用后向散射信号检测装置采集实际水域中的激光脉冲后向散射信号，探测得到的激光脉冲后向散射探测得到的激光脉冲后向散射信号波形，如图4所示。

步骤8，计算实际水域中，激光脉冲后向散射信号脉冲前沿位置、脉冲宽度、脉冲峰值、脉冲面积和脉冲形状的特征参数统计平均值，计算过程与步骤4相同，并且U、T和N的大小与步骤4中的设置值相同。

步骤9，计算实际水域中脉冲前沿位置、脉冲宽度、脉冲峰值、脉冲面积和脉冲形状的特征参数统计平均值相对于基准的偏差绝对值。

步骤10，将实际水中脉冲前沿位置、脉冲宽度、脉冲峰值、脉冲面积和脉冲形状的特征参数平均值的偏差绝对值与目标尾迹判断标准比较，判断目标尾迹是否存在：若激光脉冲后向散射信号的脉冲前沿位置、脉冲宽度、脉冲峰值、脉冲面积和脉冲形状的特征参数统计平均值的偏差绝对值，都大于实验得到的这些特征参数各自对应的特征参数阈值，则目标尾迹存在，否则目标尾迹不存在。

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

实例验证时，采用本发明的实验系统。参见图3，该系统由激光器、起偏器、尾迹模拟器、检偏器、光电探测器和信号处理装置构成。

尾迹模拟器由水槽、水、微孔陶瓷管阵列、气泵和水泵组成。其中水槽为长方体状，长度、宽度和高度分别为100cm、40cm、50cm，槽壁透光率为97％，水、微孔陶瓷管阵列和水泵均放置在水槽中。微孔陶瓷管阵列与气泵相连，用于产生实验所需的气泡，通过改变气泵中的气压控制气泡的数目和大小，并利用与气压泵相连的气压表对气压进行显示。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。

检偏器和光电探测器组成后向散射信号检测装置，与激光脉冲发射装置平行放置。检偏器采用消光比大于98％的偏振片，检偏方向与起偏器起偏方向垂直；光电探测器紧贴检偏器，选用增益系数＞10⁶、响应速度为ns量级、最大输出电压为2V的光电倍增管。信号处理装置，位于后向散射信号检测装置的后侧，包括DSP处理器和CPLD时序产生器。

二、实验过程

参照图5，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

1、在实验系统中，将检偏器检偏方向与起偏器起偏方向置于垂直状态，激光器工作电流设置在10.12A；

2、设置不同的实验条件：静水、水中有气泡、水中有紊流，水中有紊流时，紊流尺度集中在1～5cm，水中有气泡时分两种情况进行测试：

1)水中含有的气泡数目较少，即气泡密度在0.05～0.1/cm³范围内，

2)水中含有的气泡数目较多，即气泡密度在5～10/cm³范围内；

3、利用后向散射探测装置，测量静水、水中有气泡、和水中有紊流时的激光脉冲后向散射信号；

4、设置U、T、N使其分别为0.05V、100ns、1000，利用信号处理装置对后向散射信号进行实时处理，得到静水、水中有气泡和水中由紊流时后向散射信号脉冲前沿位置、脉冲宽度、脉冲峰值、脉冲面积和脉冲形状的特征参数统计平均值，并存储静水时这些特征参数的统计平均值；

5、以静水时的脉冲前沿位置、脉冲宽度、脉冲峰值、脉冲面积和脉冲形状的特征参数统计平均值为基准，利用信号处理装置分别计算水中有气泡和紊流情况下时的脉冲前沿位置、脉冲宽度、脉冲峰值、脉冲面积和脉冲形状的特征参数统计平均值与相对于基准的偏差绝对值，并任意抽取10组结果列入表1中：

表1水中存在不同扰动时测得的激光脉冲后向散射信号特征参量偏差绝对值

将表1中的测量结果绘成图形，脉冲前沿位置特征参数统计平均值的偏差绝对值如图6所示；脉冲宽度特征参数统计平均值的偏差绝对值如图7所示；脉冲峰值特征参数统计平均值的偏差绝对值如图8所示；脉冲面积特征参数统计平均值的偏差绝对值如图9所示；脉冲形状特征参数统计平均值的偏差绝对值如图10所示。

分别比较表1中水中有气泡和水中有紊流时，脉冲前沿位置、脉冲宽度、脉冲峰值、脉冲面积和脉冲形状特征参数统计平均值的偏差绝对值测量结果，以脉冲前沿位置特征参数统计平均值的偏差绝对值为0.329457ns、脉冲宽度特征参数统计平均值的偏差绝对值为0.289999ns、脉冲峰值特征参数统计平均值的偏差绝对值为0.007955V、脉冲面积特征参数统计平均值的偏差绝对值为0.227914V·ns、脉冲形状特征参数统计平均值的偏差绝对值为0.044399MHz，作为判断目标尾迹是否存在的判断标准。

(二)实时测量激光脉冲后向散射信号，判断水中模拟目标尾迹的存在

A.水中只有气泡时，其测量和判断过程如下：

1、在实验系统中，将检偏器检偏方向与起偏器起偏方向置于垂直状态，激光器工作电流设置在10.12A，并使尾流模拟器中存在一定数目的气泡；

2、利用后向散射探测装置，测量尾流模拟器中的激光脉冲后向散射信号；

3、设置U、T、N使其分别为0.05V、100ns、1000，利用信号处理装置对后向散射信号进行实时处理，得到后向散射信号脉冲前沿位置、脉冲宽度、脉冲峰值、脉冲面积和脉冲形状的特征参数统计平均值；

5、以(一)中静水时的脉冲前沿位置、脉冲宽度、脉冲峰值、脉冲面积和脉冲形状的特征参数统计平均值为基准，分别计算脉冲前沿位置、脉冲宽度、脉冲峰值、脉冲面积和脉冲形状的特征参数统计平均值与相对于基准的偏差绝对值；

6、改变尾流模拟器中的气泡数量，进行多次测量，任意抽取水中气泡数目较少时的一组测量结果，其脉冲前沿位置、脉冲宽度、脉冲峰值、脉冲面积和脉冲形状的特征参数统计平均值的偏差绝对值分别为1.435713ns、1.296542ns、0.060079V、1.967851V·ns、0.0523MHz。这些特征参数统计平均值的偏差绝对值与判断标准进行比较，由于1.435713＞0.329457、1.296542＞0.289999、0.060079＞0.007955、1.967851＞0.227914、0.0523＞0.044399，因此判定目标尾迹存在。

B.水中只有紊流时，其测量和判断过程如下：

1、在实验系统中，将检偏器检偏方向与起偏器起偏方向置于垂直状态，激光器工作电流设置在10.12A，并使尾流模拟器中存在一定尺度的紊流；

6、重复上述测量，任意抽取其中的一组测量结果，其脉冲前沿位置、脉冲宽度、脉冲峰值、脉冲面积和脉冲形状的特征参数统计平均值的偏差绝对值分别为0.632452ns、0.553242ns、0.070543V、0.593723V·ns、0.072305MHz。这些特征参数统计平均值的偏差绝对值与判断标准进行比较，由于0.632452＞0.329457、0.553242＞0.289999、0.070543＞0.00795、0.593723＞0.227914、0.072305＞0.044399，因此判定目标尾迹存在。

C.水中不存在紊流或气泡时，其测量和判断过程如下：

1、在实验系统中，将检偏器检偏方向与起偏器起偏方向置于垂直状态，激光器工作电流设置在10.12A，并使尾流模拟器中不存在紊流和气泡；

6、重复上述测量，任意抽取其中的一组测量结果，其脉冲前沿位置、脉冲宽度、脉冲峰值、脉冲面积和脉冲形状的特征参数统计平均值的偏差绝对值分别为0.103428ns、0.092312ns、0.00082V、0.134653V·ns、0.021284MHz。这些特征参数统计平均值的偏差绝对值与判断标准进行比较，由于0.103428＜0.329457、0.092312＜0.289999、0.00082＜0.00795、0.134653＜0.227914、0.021284＜0.044399，因此判定目标尾迹不存在。

上述不同情况下的测量结果表明：利用本发明提供的水中目标尾迹探测系统和方法，不但能够针对水中动目标尾迹的气泡特征进行有效探测，而且能够针对目标尾迹中的紊流特征进行探测，进而实现了用光学后向散射探测的方法对水中动态目标尾迹进行检测。

另外，由于进行上述测量时，测量系统位于尾迹模拟器的外侧，并在气泡和紊流距离探测系统70～100cm的情况下，对尾迹模拟器中是否存在气泡或紊流进行了实时的准确的判断，因此，对比现有方法，本发明更具实用性，探测距离更远，抗干扰能力更强，可靠性更高，能满足实时检测的应用要求。

Claims

1.一种基于激光脉冲后向散射的水中目标尾迹探测系统，包括：

激光脉冲发射装置，用于向水中发射线偏振激光脉冲；

2.根据权利要求1所述的水中目标尾迹探测系统，其特征在于激光脉冲发射装置由激光器和起偏器组成，激光器发射单一方向的激光脉冲，起偏器紧贴激光器出射口，将出射激光脉冲变为线偏振激光脉冲。

3.根据权利要求1所述的水中目标尾迹探测系统，其特征在于后向散射信号检测装置由检偏器和光电探测器组成，检偏器对激光脉冲后向散射光进行偏振滤除，光电探测器紧贴检偏器，将后向散射光信号转换为电压信号。

4.根据权利要求1所述的水中目标尾迹探测系统，其中所述的通过实验确定的目标尾迹判断标准，是通过实验得出的激光脉冲后向散射信号的脉冲前沿位置、脉冲宽度、脉冲峰值、脉冲面积和脉冲形状的特征参数阈值。

5.根据权利要求1所述的水中目标尾迹探测系统，其特征在于信号处理装置包括：CPLD时序产生器和DSP处理器，CPLD时序产生器产生激光器、光电探测器和DSP处理器所需的时钟信号，DSP处理器实时处理激光脉冲后向散射信号，得到激光脉冲后向散射信号脉冲前沿位置、脉冲宽度、脉冲峰值、脉冲面积和脉冲形状的特征参数统计平均值的偏差绝对值，并通过将这些特征参数统计平均值的偏差绝对值与通过实验确定的目标尾迹判断标准相比较，判断水中目标尾迹的存在与否。

6.根据权利要求5所述的信号处理装置，其中所述的激光脉冲后向散射信号脉冲前沿位置、脉冲宽度、脉冲峰值、脉冲面积和脉冲形状特征参数的统计平均值的偏差绝对值，是以实验确定的静水环境下的脉冲前沿位置、脉冲宽度、脉冲峰值、脉冲面积和脉冲形状的特征参数统计平均值为基准进行计算的。

7.一种基于激光脉冲后向散射的水中目标尾迹探测方法，包括：

(2)对采集到的后向散射信号进行实时处理，分别得到静水、水中有气泡、水中有紊流时激光脉冲后向散射信号的脉冲前沿位置、脉冲宽度、脉冲峰值、脉冲面积和脉冲形状的特征参数统计平均值，并存储静水时这些特征参数的统计平均值；

8.根据权利要求7所述的方法，其中(2)和(6)中所述的计算激光脉冲后向散射信号的脉冲前沿位置、脉冲宽度、脉冲峰值、脉冲面积和脉冲形状的特征参数统计平均值，按如下步骤进行：

(8a)设置一个信号阈值U，将激光脉冲后向散射信号中幅值大于该信号阈值U的部分作为有效探测信号，U的取值范围为0.03～0.08伏特；

(8b)将有效探测信号的起始时刻和截止时刻分别作为脉冲前沿位置和后沿位置的特征参数，将脉冲后沿位置和前沿位置特征参数的差值作为脉冲宽度的特征参数，将有效探测信号幅值的极大值作为脉冲峰值的特征参数；

(8c)对有效探测信号的幅值在时间上进行积分，将积分结果作为脉冲面积的特征参数；

(8d)对有效探测信号进行峰值归一化，按照设定的标准值T对峰值归一化得到的结果在时域上进行压缩或展宽，使其在时域上的宽度变为标准值T，然后对经过压缩或展宽得到的结果进行傅立叶变换，并将傅立叶变换后得到的频谱半高宽作为脉冲形状的特征参数，其中T的取值范围为100～2000纳秒；

(8e)以N个后向散射信号为样本，对(7b)～(7d)处理得到的脉冲前沿位置、脉冲宽度、脉冲峰值、脉冲面积和脉冲形状特征参数分别求和并除以N，得到这些特征参数的统计平均值，其中N是500～2000之间能被100整除的正整数。

9.根据权利要求8所述的方法，其中所述的设置一个信号阈值U，是根据实际水域的光散射特性进行设置，实际水域中的光散射越弱，U越小，光散射越强，U越大；所述的标准值T，是根据激光器发射的激光脉宽进行设置，激光脉宽越小，T越小，激光脉宽越大，T越大；所述的N的取值是根据水域的具体情况进行设置，水域越平静，N越小，水域越不平静，N越大。