CN103969694A - 基于激光后向散射多普勒频移的水中目标尾迹探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于激光后向散射多普勒频移的水中目标尾迹探测方法。主要解决现有技术探测信噪比低、距离近的问题。其实现方案是：1.组建包括激光发射装置、后向散射信号检测装置、尾迹模拟器和信号处理装置的探测系统；2.由激光发射装置向水中发射激光构成差动多普勒光路；3.利用后向散射信号检测装置多次测量差动多普勒光路中尾迹模拟器产生的后向散射多普勒频移信号，由信号处理装置对后向散射多普勒频移信号进行实时处理，确定目标尾迹判断标准；4.对实际水域后向散射多普勒频移信号进行测量和处理，并与判断标准比较，判断目标尾迹是否存在。本发明具可靠性高、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

基于激光后向散射多普勒频移的水中目标尾迹探测方法

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激光后向散射多普勒频移探测方法，可用于水面舰船跟踪、水下动态目标探测、水中兵器的自导和水下航行器的设计。

背景技术

随着各国对海洋资源开发和海防意识的日益增强，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，并接收目标或目标尾迹反射声信号来探测目标。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，是利用目标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，将目标转换成为可识别的图像来探测目标。红外探测依据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目标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，是通过检测由目标造成带电荷的海水流动形成的磁场来探测目标。这种磁场能量较小，但衰减较慢。电磁探测提出得较早，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光学特性的变化来实现对动态目标的探测与跟踪。光学探测因为激光波长小、速度高、方向性好而具有灵敏度高、抗干扰能力强，探测距离比声学探测距离远等特点而备受关注。光学探测依据激光源和探测器的相对位置可以分为前向探测和后向探测。其中，前向探测方法在进行检测时，激光源和探测器位于待检测目标尾迹的两侧，虽然易于实现，但应用时探测装置必须行进在目标尾迹中，实用性较差；后向探测方法的激光源和探测器位于待检测目标尾迹的同一侧，与现有的探测体制相符，但实现起来有一定的难度，是目前尾流探测研究的重点。而根据检测光参量的不同，已经提出的光学探测可以分为激光强度探测和激光偏振探测。激光强度探测，包括激光散射强度探测、激光散射空间频谱探测、激光光斑探测；激光偏振探测则是利用激光在尾流区域传播，尾流对激光的退偏振作用实现尾流的光学探测。激光强度探测是研究的重点，而激光偏振探测常常与强度探测结合使用，以提高探测精度。由于水中气泡、杂质等对光波有强烈的吸收和散射，激光散射强度的波动较大，因此利用散射光强变化探测目标的方法精度较差，尚不能实用化。而利用光的散射空间频谱探测目标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，不能满足对目标尾迹的远距离探测。由于水体自身的严重散射，尾迹信号往往为水体自身散射信号所淹没，因此激光后向散射强度探测的方法信噪比较低。

发明内容

本发明的目的在于针对上述已有光学探测方法的不足，提供一种基于激光多普勒频移谱特性变化的水中动态目标尾迹探测方法，以提高目标尾迹的探测精度和检测距离，提高尾迹后向探测的信噪比，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片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，通过检测激光在水中传输时后向散射多普勒频移谱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地演化，这使得水中目标尾迹中散射体，包括气泡、紊流和其它散射体数量和运动速度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。如若以激光为入射光源，使激光经过目标尾迹，并对激光后向散射光信号采集并进行频谱分析，则相对静水而言，信号多普勒频移谱的宽度、强度和面积会发生变化。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，尾迹中气泡的数量、速度分布和紊流的强度也不同。因此检测激光在水中传输时后向散射多普勒频移谱的变化可实现对水中目标尾迹的后向光学探测。

尾迹中的气泡由于紊流的作用不断运动，并且随着时间的推移，气泡群整体的速度分布和气泡数密度也发生变化。根据激光多普勒效应，运动的气泡和紊流与激光相互作用会造成散射光的频移。可用的差动多普勒频移探测光路如图1所示。激光器出射的光束经分光系统分成同频率、等强度的两束平行光，其光斑直径均为两光束间距为d。两光束经透镜聚焦后形成干涉区域，即控制体，其以不同方向入射到散射粒子上，由于散射粒子的运动速度v与两束光的波矢k₁、k₂相对方向不同，两束光在交汇点发出的散射光频率f₁、f₂也因此不同，它们分别为：

$f_1=f_0(1-\frac{v(k_1-k_s)}{c})---\left(1\right)$

$f_2=f_0(1-\frac{v(k_2-k_s)}{c})---\left(2\right)$

式中f₀是激光器的辐射频率，c为光速，k_s是散射粒子运动方向的单位矢量。

频率分别为f₁、f₂的散射光在光电探测器上干涉得到中频信号的频率为：

$f_d=|f_1-f_2|=\frac{f_0}{c}\left|v(k_1-k_2)\right|=\frac{2\left|v_y\right|}{{\mathrm{\λ}}_0}\sin \frac{\mathrm{\α}}{2}---\left(3\right)$

式中v_y是散射粒子在两光束波矢量差(k₁-k₂)方向(即图中y轴方向)的分量，λ₀是入射光在真空中的波长，α是两光束间的夹角。

由式(3)可知，由于多普勒效应，散射光信号频移的大小与散射粒子运动速率成正比。光波在水中传输时，由于吸收和散射的存在，一方面后向散射光信号比较微弱；另一方面探测到的后向散射光大部分来自水体自身后向散射，这限制了后向探测的检测距离。因此检测粒子后向散射光信号时，不仅要提高探测器的灵敏度，还要对水体自身的后向散射光进行抑制。光在水中传输时，由于散射粒子运动的存在使得后向散射光信号产生多普勒频移，因此利用检测多普勒频移，间接得到散射粒子的运动信息。差动激光多普勒频移检测系统利用光外差技术进行光频移的检测，可以从原理上抑制水体自身的散射信号，而它所具有的高光增益特性又能进一步提高检测的信噪比，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激光后向散射多普勒频移谱特征的变化，利用外差技术对水体自身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探测的方法判断水中目标尾迹的存在。

2.技术方案

本发明提供的基于激光后向散射多普勒频移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激光后向散射多普勒频移信号的频谱宽度、频谱峰值和频谱面积进行检测，分析这些特征参数的平均值，得到利用激光后向散射多普勒频移谱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后向散射多普勒频移信号的这些特征进行检测，分析多普勒频移信号的频谱宽度、频谱峰值和频谱面积的特征参数的平均值，将实际水域中这些特征参数的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)利用激光发射装置、后向散射信号检测装置、散射信号处理装置及尾迹模拟器组建实验系统；

2)在实验室环境下，利用激光发射装置向水中发射激光，并构成差动多普勒探测光路，用后向散射信号检测装置分别采集差动探测光路在静水时的后向散射多普勒频移信号I_m、水中有气泡时的后向散射多普勒频移信号I_b和水中有紊流时的后向散射多普勒频移信号I_t；

3)通过散射信号处理装置对实验室环境下采集到的静水时后向散射多普勒频移信号I_m、水中有气泡时的后向散射多普勒频移信号I_b、水中有紊流时的后向散射多普勒频移信号I_t进行实时处理，获取实验室环境下多普勒频移信号的如下特征参数平均值：

静水时后向散射多普勒频移信号的频谱宽度特征参数W_m的平均值频谱峰值特征参数H_m的平均值和频谱面积特征参数S_m的平均值

水中有气泡时后向散射多普勒频移信号的频谱f特征参数W_b的平均值频谱峰值特征参数H_b的平均值和频谱面积特征参数S_b的平均值

水中有紊流时后向散射多普勒频移信号的频谱宽度特征参数W_t的平均值频谱峰值特征参数H_t的平均值和频谱面积特征参数S_t的平均值

4)计算实验室环境下后向散射多普勒频移信号的特征参数偏差值：

以所述实验室环境下静水时所得后向散射多普勒频移信号的频谱宽度特征参数W_m的平均值为基准，分别计算水中有气泡时频谱宽度特征参数的平均值相对于基准的偏差值W_bm、水中有紊流时频谱宽度特征参数W_t的平均值相对于基准的偏差值W_tm；

以所述实验室环境静水时所得后向散射多普勒频移信号的频谱峰值特征参数H_m的平均值为基准，分别计算水中有气泡时频谱峰值特征参数H_b的平均值相对于基准的偏差值H_bm、水中有紊流时频谱峰值特征参数H_t的平均值相对于基准的偏差值H_tm；

以所述实验室环境下静水时所得后向散射多普勒信号的频谱面积特征参数S_m的平均值为基准，分别计算水中有气泡时频谱面积特征参数S_b的平均值相对于基准的偏差值S_bm、水中有紊流时频谱面积特征参数S_t的平均值相对于基准的偏差值S_tm；

5)确定实验室环境下后向散射多普勒频移信号的特征参数阈值，并用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：

在实验室环境下，将水中有气泡时频谱宽度特征参数W_b的平均值相对于基准的偏差值W_bm，与水中有紊流时频谱宽度特征参数W_t的平均值相对于基准的偏差值W_tm进行比较，将其中较小的偏差值W_min作为频谱宽度特征参数阈值；

在实验室环境下，将水中有气泡时频谱峰值特征参数H_b的平均值相对于基准的偏差值H_bm，与水中有紊流时频谱峰值特征参数H_t的平均值相对于基准的偏差值H_tm进行比较，将其中较小的偏差值H_min作为频谱峰值特征参数阈值；

在实验室环境下，将水中有气泡时频谱面积特征参数S_b的平均值相对于基准的偏差值S_bm，与水中有紊流时频谱面积特征参数S_t的平均值相对于基准的偏差值S_tm进行比较，将其中较小的偏差值S_min作为频谱面积特征参数阈值；

6)在实际水域中，利用激光发射装置向水中发射激光，并构成差动多普勒探测光路，用后向散射信号检测装置采集实际水域的后向散射信号I_r；

7)获取实际水域中后向散射多普勒频移信号特征参数的平均值：

由信号处理装置对实际水域中采集到的后向散射多普勒频移信号I_r进行实时处理，得到激光后向散射多普勒频移信号的频谱宽度特征参数W_r的平均值频谱峰值特征参数H_r的平均值和频谱面积的特征参数S_r的平均值

8)计算实际水域中后向散射多普勒频移信号特征参数的偏差值：

计算实际水域中后向散射多普勒频移信号I_r的频谱宽度特征参数W_r的平均值相对于实验室静水时基准的偏差值W_rm；

计算实际水域中后向散射多普勒频移信号I_r的频谱峰值特征参数H_r的平均值相对于实验室静水时基准的偏差值H_rm；

计算实际水域中后向散射多普勒频移信号I_r的频谱面积特征参数S_r的平均值相对于实验室静水时基准的偏差值S_rm；

9)根据特征参数的偏差值判定目标尾迹是否存在：

若实际水域中激光后向散射多普勒信号I_r的频谱宽度、频谱峰值和频谱面积的特征参数平均值的偏差值W_rm、H_rm、S_rm，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W_min、H_min、S_min，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.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，但紊流却存在时间较长，因此本发明利用激光后向散射多普勒频移谱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，本发明利用差动多普勒探测光路来外差检测多普勒频移信号，有效抑制了无尾迹水体的后向散射光，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。

2.可靠性高

本发明由于同时利用激光后向散射多普勒频移信号的频谱宽度、频谱峰值和频谱面积的特征参数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。

3.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的后向散射多普勒信号进行实时接收，并通过散射信号处理装置保证信号的快速处理，能够满足实时检测的应用要求。

附图说明

图1是差动多普勒探测光路原理图；

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是水中激光后向散射多普勒频移信号的频谱示意图；

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，水中有气泡和水中有紊流时频谱宽度特征参数偏差值的数据散点图；

图7是实验室环境中，水中有气泡和水中有紊流时频谱宽度特征参数偏差值的数据散点图；

图8是实验室环境中，水中有气泡和水中有紊流时频谱宽度特征参数偏差值的数据散点图。

具体实施方式

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、分光棱镜、聚焦透镜、尾迹模拟器、光电探测器和散射信号处理装置构成。

激光器、分光棱镜和聚焦透镜组成激光发射装置。激光器采用光束发散角小于0.5mrad，稳定的TEM₀₀模连续激光器。激光器所发射的激光波长为532nm，最大输出功率为5W。实验时，根据信号处理装置得到的激光后向散射多普勒频移信号，调节激光器工作电流的大小，使得激光器发出的一定功率的激光。分光棱镜置于激光器出射口，聚焦透镜将分光棱镜分出的平行光束聚焦到尾迹模拟区，在微孔陶瓷阵列上方水体中构成差动多普勒探测控制体。

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，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；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。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差动多普勒探测控制体下方。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；

聚焦透镜和光电探测器组成后向散射信号检测装置，该后向散射信号检测装置与激光发射装置平行放置。聚焦透镜采用焦距为120mm的凸透镜；光电探测器置于聚焦透镜焦点处，使得后向散射光束会聚在探测器的探头上，光电探测器选用增益系数＞10⁶、响应速度为ns量级、最大输出电压为2V的光电倍增管。

散射信号处理装置，位于后向散射信号检测装置的后侧，其包括数字信号处理器DSP和复杂可编程逻辑器件CPLD时序产生器。

步骤2，实时测量实验室条件下的激光后向散射多普勒频移信号。

通过后向散射信号检测装置，分别采集差动探测光路在静水的后向散射多普勒频移信号I_m、水中有气泡时的后向散射多普勒频移信号I_b和水中有紊流时的后向散射多普勒频移信号I_t，并将测量得到的后向散射多普勒频移电压信号传输到散射信号处理装置，通过散射信号处理装置进行快速傅里叶变换处理，得到的激光后向散射多普勒频移信号波形，如图4所示。

步骤3，获取实验室环境下后向散射多普勒频移信号的特征参数平均值。

通过散射信号处理装置对实验室环境下采集到的静水时后向散射多普勒频移信号I_m、水中有气泡时的后向散射多普勒频移信号I_b、水中有紊流时的后向散射多普勒频移信号I_t按如下步骤进行实时处理，得到相应的特征参数平均值：

(3a)设置一个信号阈值U，将激光后向散射多普勒频移信号中幅值大于该信号阈值U的部分作为有效探测信号，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；

(3b)将有效探测信号的截止频移作为后向散射多普勒频移信号频谱宽度特征参数，按如下方式获取静水、水中有气泡、水中有紊流时频谱宽度特征参数的平均值：

3b1)取静水时后向散射多普勒频移信号I_m的N个样本，对该N个样本的后向散射频谱宽度特征参数W_m求和取平均，得到静水时后向散射频谱宽度特征参数的平均值

3b2)取水中有气泡时后向散射多普勒频移信号I_b的N个样本，对该N个样本的后向散射频谱宽度特征参数W_b求和取平均，得到水中有气泡时后向散射频谱宽度特征参数的平均值

3b3)取水中有紊流时后向散射多普勒频移信号I_t的N个样本，对该N个样本的后向散射频谱宽度特征参数W_t分别求和取平均，得到水中有紊流时后向散射频谱宽度特征参数的平均值

(3c)设置一个标准幅值U_m，U_m取值为130dBm，将有效探测信号的幅值与标准幅值U_m的比值作为有效探测信号归一化幅值；

(3d)将有效探测信号归一化幅值的极大值作为后向散射多普勒频移信号频谱峰值的特征参数，按如下方式获取静水、水中有气泡、水中有紊流时后向散射频谱峰值特征参数的平均值：

3d1)取静水时后向散射多普勒频移信号I_m的N个样本，对该N个样本的后向散射频谱峰值特征参H_m分别求和取平均，得到静水时后向散射频谱峰值特征参数的平均值

3d2)取水中有气泡时后向散射多普勒频移信号I_b的N个样本，对该N个样本的后向散射频谱峰值特征参数H_b分别求和取平均，得到静水时后向散射频谱峰值特征参数的平均值

3d3)取水中有气泡时后向散射多普勒频移信号I_t的N个为样本,对该N个样本的后向散射频谱峰值特征参数H_t分别求和取平均，得到静水时后向散射频谱峰值特征参数的平均值

(3e)对有效探测信号归一化幅值在频率上进行积分，将积分结果作为后向散射频谱面积特征参数，按如下方式获取静水、水中有气泡、水中有紊流时后向散射频谱面积特征参数的平均值：

3e1)取静水时后向散射多普勒频移信号I_m的N个样本，对该N个样本的后向散射频谱面积特征参数S_m分别求和取平均，得到静水时后向散射频谱面积特征参数的平均值

3e2)取水中有气泡时后向散射多普勒频移信号I_b的N个样本，对该N个样本的后向散射频谱面积特征参数S_b分别求和取平均，得到水中有气泡时后向散射频谱面积特征参数的平均值

3e3)取水中有紊流时后向散射多普勒频移信号I_t的N个样本，对该N个样本的后向散射频谱面积特征参数S_t分别求和取平均，得到水中有紊流时后向散射频谱面积特征参数的平均值

上述(3b)、(3d)和(3e)中所述的N取500～1500之间能被100整除的正整数。

步骤4，计算实验室环境下后向散射多普勒频移信号的特征参数偏差值。

(4a)以实验室环境静水时所得后向散射多普勒频移信号的频谱宽度特征参数的平均值为基准，计算水中有气泡时频谱宽度特征参数的平均值相对于基准的偏差值：计算水中有紊流时频谱宽度特征参数的平均值相对于基准的偏差值： $W_{\mathrm{tm}}=|\stackrel{\‾}{W_t}-\stackrel{\‾}{W_m}|;$

(4b)以所述实验室环境静水时所得后向散射多普勒频移信号的频谱峰值特征参数的平均值为基准，分别计算水中有气泡时频谱峰值特征参数的平均值相对于基准的偏差值：和水中有紊流时频谱峰值特征参数的平均值相对于基准的偏差值： $H_{\mathrm{tm}}=|\stackrel{\‾}{H_t}-\stackrel{\‾}{H_m}|;$

(4c)以所述实验室环境静水时所得后向散射多普勒频移信号的频谱面积特征参数的平均值为基准，分别计算水中有气泡时频谱面积特征参数的平均值相对于基准的偏差值：和水中有紊流时频谱面积特征参数的平均值相对于基准的偏差值： $S_{\mathrm{tm}}=|\stackrel{\‾}{S_t}-\stackrel{\‾}{S_m}|.$

步骤5，确定实验室环境下信号的特征参数阈值，并用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。

(5a)在实验室环境下，分别将水中有气泡时频谱宽度特征参数的平均值相对于基准的偏差值W_bm，与水中有紊流时频谱宽度特征参数的平均值相对于基准的偏差值W_tm进行比较，将其中较小的偏差值W_min作为频谱宽度特征参数阈值；

(5b)在实验室环境下，将水中有气泡时频谱峰值特征参数的平均值相对于基准的偏差值H_bm，与水中有紊流时频谱峰值特征参数的平均值相对于基准的偏差值H_tm进行比较，将其中较小的偏差值H_min作为频谱峰值特征参数阈值；

(5c)在实验室环境下，将水中有气泡时频谱面积特征参数的平均值相对于基准的偏差值S_bm，与水中有紊流时频谱面积特征参数的平均值相对于基准的偏差值S_tm进行比较，将其中较小的偏差值S_min作为频谱面积特征参数阈值。

步骤6，在实际水域中，利用激光发射装置向水中发射激光，并构成差动多普勒探测光路，用后向散射信号检测装置采集实际水域的后向散射多普勒频移信号I_r。

步骤7，获取实际水域中后向散射多普勒频移信号特征参数的平均值。

由信号处理装置对实际水域中采集到的后向散射信号I_r进行实时处理，即按照步骤3的计算过程，获取在实际水域中激光后向散射多普勒频移信号的频谱宽度特征参数W_r的平均值频谱峰值特征参数H_r的平均值和频谱面积的特征参数S_r的平均值

步骤8，计算实际水域中后向散射多普勒频移信号特征参数的偏差值。

(8a)计算实际水域中后向散射多普勒频移信号I_r的频谱宽度特征参数W_r的平均值相对于实验室静水时基准的偏差值：

(8b)计算实际水域中后向散射多普勒频移信号I_r的频谱峰值特征参数H_r的平均值相对于实验室静水时基准的偏差值： $H_{\mathrm{rm}}=|\stackrel{\‾}{H_r}-\stackrel{\‾}{H_m}|;$

(8c)计算实际水域中后向散射多普勒频移信号I_r的频谱面积特征参数S_r的平均值相对于实验室静水时基准的偏差值：

步骤9，根据特征参数的偏差值判定目标尾迹是否存在。

若激光后向散射多普勒信号I_r的频谱宽度、频谱峰值和频谱面积的特征参数平均值的偏差值W_rm、H_rm、S_rm，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W_min、H_min、S_min，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，采用如图2所示的实验系统。

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，激光器工作电流设置在10mW,并对系统光路进行准直调节；

2、设置不同的实验条件：静水、水中有气泡、水中有紊流。水中有气泡时分为气泡数目较多和气泡数目较少两种情况进行测试：

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后向散射多普勒频移信号；

4、设置信号阈值U、样本数量N使其分别为-120dBm、800，利用散射信号处理装置对后向散射多普勒频移信号进行实时处理，得到静水、水中有气泡和水中由紊流时后向散射多普勒频移信号频谱宽度、频谱峰值和频谱面积的特征参数平均值；

5、以静水时的频谱宽度、频谱峰值和频谱面积的特征参数平均值为基准，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频谱宽度、频谱峰值和频谱面积的特征参数平均值与相对于基准的偏差值，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后向散射多普勒频移信号特征参数偏差值

6.将表1中的计算结果绘成图形，其中：

水中有气泡和水中有紊流时频谱宽度特征参数偏差值数据的散点，如图6所示；

水中有气泡和水中有紊流时频谱峰值特征参数偏差值数据的散点，如图7所示；

水中有气泡和水中有紊流时频谱面积特征参数偏差值数据的散点，如图8所示。

7.确定后向散射信号的特征参数阈值，并用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。

(7a)比较表1中水中有气泡和水中有紊流时，频谱宽度特征参数平均值的偏差值的10组计算结果，以这些频谱宽度特征参数偏差值中的最小值2.235892kHz作为频谱宽度特征参数偏差值的阈值；

(7b)比较表1中水中有气泡和水中有紊流时频谱峰值和频谱面积特征参数平均值的偏差值的10组计算结果，以这些频谱峰值特征参数偏差值中的最小值0.061107dBm作为频谱峰值特征参数平均值的偏差值的阈值；

(7c)比较表1中水中有气泡和水中有紊流时频谱面积特征参数平均值的偏差值10组测量结果，以这些频谱面积特征参数偏差值中的最小值0.212223dBm？kHz作为频谱面积特征参数平均值的偏差值的阈值。

(二)实时测量激光后向散射多普勒频移信号，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：

A1、在实验系统中，对系统光路进行准直调节，激光器工作电流设置在10mW；并使尾流模拟器中存在一定数目的气泡；

A2、利用后向散射探测装置，测量尾流模拟器中的激光后向散射多普勒频移信号；

A3、设置信号阈值U、样本数量N使其分别为-120dBm、800，利用散射信号处理装置对后向散射多普勒频移信号进行实时处理，得到后向散射多普勒频移信号频谱宽度、频谱峰值和频谱面积的特征参数平均值；

A4、以中静水时的频谱宽度、频谱峰值和频谱面积的特征参数平均值为基准，分别计算频谱宽度、频谱峰值和频谱面积的特征参数平均值相对于基准的偏差值；

A5、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，其频谱宽度、频谱峰值和频谱面积的特征参数偏差值分别为3.361572kHz、0.065381dBm、0.310656dBm·kHz。这些特征参数偏差值与判断标准进行比较，由于3.361572>2.235892、0.065381>0.061107、0.310656>0.212223，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：

B1、在实验系统中，对系统光路进行准直调节，激光器工作电流设置在10mW；并使尾流模拟器中存在一定尺度的紊流；

B2、利用后向散射探测装置，测量尾流模拟器中的激光后向散射多普勒频移信号；

B3、设置信号阈值U、样本数量N使其分别为-120dBm、800，利用散射信号处理装置对后向散射多普勒频移信号进行实时处理，得到后向散射信号频谱宽度、频谱峰值和频谱面积的特征参数平均值；

B4、以中静水时的频谱宽度、频谱峰值和频谱面积的特征参数平均值为基准，分别计算频谱宽度、频谱峰值和频谱面积的特征参数平均值相对于基准的偏差值；

B5、重复上述测量，任意抽取其中的一组测量结果，其频谱宽度、频谱峰值和频谱面积的特征参数偏差值分别为6.468492kHz、0.146577dBm、1.594658kHz·dBm。这些特征参数偏差值与判断标准进行比较，由于6.468492>2.235892、0.146577>0.061107、1.046696>0.212223，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：

C1、在实验系统中，对系统光路进行准直调节，激光器工作电流设置在10mW；并使尾流模拟器中不存在紊流和气泡；

C2、利用后向散射探测装置，测量尾流模拟器中的激光后向散射多普勒频移信号；

C3、设置设置信号阈值U、样本数量N使其分别为-120dBm、800，利用信号处理装置对后向散射信号进行实时处理，得到后向散射多普勒频移信号频谱宽度、频谱峰值和频谱面积的特征参数平均值；

C4、以中静水时的频谱宽度、频谱峰值和频谱面积的特征参数平均值为基准，分别计算频谱宽度、频谱峰值和频谱面积的特征参数平均值相对于基准的偏差值；

C5、重复上述测量，任意抽取其中的一组测量结果，其频谱宽度、频谱峰值和频谱面积的特征参数偏差值分别为0.407372kHz、0.018259dBm、0.081188dBm·kHz。这些特征参数偏差值与判断标准进行比较，由于0.407372<2.235892、0.018259<0.061107、0.081188<0.212223，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多普勒频移探测的方法对水中动态目标尾迹进行检测。

此外，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50～100cm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，本发明抗干扰能力更强，探测距离更远，可靠性更高，能满足实时检测的应用要求。

Claims (9)

1.一种基于激光后向散射多普勒频移的水中目标尾迹探测方法，包括如下步骤：

1)利用激光发射装置、后向散射信号检测装置、散射信号处理装置及尾迹模拟器组建实验系统；

2)在实验室环境下，利用激光发射装置向水中发射激光，并构成差动多普勒探测光路，用后向散射信号检测装置分别采集差动探测光路在静水时的后向散射多普勒频移信号I_m、水中有气泡时的后向散射多普勒频移信号I_b和水中有紊流时的后向散射多普勒频移信号I_t；

3)通过散射信号处理装置对实验室环境下采集到的静水时后向散射多普勒频移信号I_m、水中有气泡时的后向散射多普勒频移信号I_b、水中有紊流时的后向散射多普勒频移信号I_t进行实时处理，获取实验室环境下多普勒频移信号的如下特征参数平均值：

静水时后向散射多普勒频移信号的频谱宽度特征参数W_m的平均值频谱峰值特征参数H_m的平均值和频谱面积特征参数S_m的平均值

水中有气泡时后向散射多普勒频移信号的频谱f特征参数W_b的平均值频谱峰值特征参数H_b的平均值和频谱面积特征参数S_b的平均值

水中有紊流时后向散射多普勒频移信号的频谱宽度特征参数W_t的平均值频谱峰值特征参数H_t的平均值和频谱面积特征参数S_t的平均值

4)计算实验室环境下后向散射多普勒频移信号的特征参数偏差值：

以所述实验室环境下静水时所得后向散射多普勒频移信号的频谱宽度特征参数W_m的平均值为基准，分别计算水中有气泡时频谱宽度特征参数的平均值相对于基准的偏差值W_bm、水中有紊流时频谱宽度特征参数W_t的平均值相对于基准的偏差值W_tm；

以所述实验室环境静水时所得后向散射多普勒频移信号的频谱峰值特征参数H_m的平均值为基准，分别计算水中有气泡时频谱峰值特征参数H_b的平均值相对于基准的偏差值H_bm、水中有紊流时频谱峰值特征参数H_t的平均值相对于基准的偏差值H_tm；

以所述实验室环境下静水时所得后向散射多普勒信号的频谱面积特征参数S_m的平均值为基准，分别计算水中有气泡时频谱面积特征参数S_b的平均值相对于基准的偏差值S_bm、水中有紊流时频谱面积特征参数S_t的平均值相对于基准的偏差值S_tm；

5)确定实验室环境下后向散射多普勒频移信号的特征参数阈值，并用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：

在实验室环境下，将水中有气泡时频谱宽度特征参数W_b的平均值相对于基准的偏差值W_bm，与水中有紊流时频谱宽度特征参数W_t的平均值相对于基准的偏差值W_tm进行比较，将其中较小的偏差值W_min作为频谱宽度特征参数阈值；

在实验室环境下，将水中有气泡时频谱峰值特征参数H_b的平均值相对于基准的偏差值H_bm，与水中有紊流时频谱峰值特征参数H_t的平均值相对于基准的偏差值H_tm进行比较，将其中较小的偏差值H_min作为频谱峰值特征参数阈值；

在实验室环境下，将水中有气泡时频谱面积特征参数S_b的平均值相对于基准的偏差值S_bm，与水中有紊流时频谱面积特征参数S_t的平均值相对于基准的偏差值S_tm进行比较，将其中较小的偏差值S_min作为频谱面积特征参数阈值；

6)在实际水域中，利用激光发射装置向水中发射激光，并构成差动多普勒探测光路，用后向散射信号检测装置采集实际水域的后向散射信号I_r；

7)获取实际水域中后向散射多普勒频移信号特征参数的平均值：

由信号处理装置对实际水域中采集到的后向散射多普勒频移信号I_r进行实时处理，得到激光后向散射多普勒频移信号的频谱宽度特征参数W_r的平均值频谱峰值特征参数H_r的平均值和频谱面积的特征参数S_r的平均值

8)计算实际水域中后向散射多普勒频移信号特征参数的偏差值：

计算实际水域中后向散射多普勒频移信号I_r的频谱宽度特征参数W_r的平均值相对于实验室静水时基准的偏差值W_rm；

计算实际水域中后向散射多普勒频移信号I_r的频谱峰值特征参数H_r的平均值相对于实验室静水时基准的偏差值H_rm；

计算实际水域中后向散射多普勒频移信号I_r的频谱面积特征参数S_r的平均值相对于实验室静水时基准的偏差值S_rm；

9)根据特征参数的偏差值判定目标尾迹是否存在：

若实际水域中激光后向散射多普勒信号I_r的频谱宽度、频谱峰值和频谱面积的特征参数平均值的偏差值W_rm、H_rm、S_rm，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W_min、H_min、S_min，则目标尾迹存在，否则目标尾迹不存在。

2.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(1)所述的利用激光发射装置、后向散射信号检测装置、散射信号处理装置及尾迹模拟器组建实验系统，按如下方式进行：

由激光器、分光棱镜和聚焦透镜组成激光发射装置；

由聚焦透镜和光电探测器组成后向散射信号检测装置；

由数字信号处理器DSP和复杂可编程逻辑器件CPLD时序产生器组成散射信号处理装置；

由水槽、水、微孔陶瓷管阵列、气泵和水泵组成尾迹模拟器；

调整激光器、分光棱镜和聚焦透镜的位置，使得激光束沿水槽长度方向进入尾迹模拟器，并且在微孔陶瓷阵列上方水体中构成差动多普勒探测控制体；

调整聚焦透镜和光电探测器的位置，使得后向散射光束会聚在探测器的探头上；

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差动多普勒探测控制体下方；

根据信号处理装置得到激光后向散射多普勒频移信号，调节激光器工作电流的大小，使得激光器发出的一定功率的激光；

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。

3.根据权利要求1所述的方法，其中步骤3)所述获取后向散射多普勒频移信号的频谱宽度特征参数的平均值、频谱峰值特征参数的平均值和频谱面积特征参数的平均值，是按如下步骤进行：

3a)设置一个信号阈值U，将激光后向散射多普勒频移信号中幅值大于该信号阈值U的部分作为有效探测信号；

3b)将有效探测信号的截止频移作为频谱宽度的特征参数，以N个后向散射信号为样本，对得到的频谱宽度特征参数分别求和并除以N，得到频谱宽度特征参数的平均值；

3c)设置一个标准幅值U_m，将有效信号的幅值与标准幅值U_m的比值作为有效探测信号归一化幅值；

3d)将有效探测信号归一化幅值的极大值作为频谱峰值的特征参数,以N个后向散射信号为样本，对得到的频谱宽度特征参数分别求和并除以N，得到频谱峰值特征参数的平均值；

3e)对有效探测信号归一化幅值在频率上进行积分，将积分结果作为频谱面积的特征参数，以N个后向散射信号为样本，对得到的频谱宽度特征参数分别求和并除以N，得到频谱面积特征参数的平均值；

上述步骤3b)、3d)和3e)中所述的N取500～1500之间能被100整除的正整数，标准幅值U_m取值为130dBm。

4.根据权利要求3所述的方法，其中步骤3a)所述的设置一个信号阈值U，是根据水域的光散射特性进行设置，水域中的光散射越弱，则U越小，光散射越强，则U越大。

5.根据权利要求3所述的方法，其中步骤3b)、3d)和3e)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，则N越小，水域越不平静，则N越大。

6.根据权利要求1所述的方法，其中步骤4)所述的分别计算水中有气泡时频谱宽度特征参数W_b的平均值相对于基准的偏差值W_bm、水中有紊流时频谱宽度特征参数W_t的平均值相对于基准的偏差值W_tm，按如下公式计算：

$W_{\mathrm{bm}}=|\stackrel{\&OverBar;}{W_b}-\stackrel{\&OverBar;}{W_m}|,$

$W_{\mathrm{tm}}=|\stackrel{\&OverBar;}{W_t}-\stackrel{\&OverBar;}{W_m}|.$

7.根据权利要求1所述的方法，其中步骤4)所述的分别计算水中有气泡时频谱峰值特征参数H_b的平均值相对于基准的偏差值H_bm、水中有紊流时频谱峰值特征参数H_r的平均值相对于基准的偏差值H_tm，按如下公式计算：

$H_{\mathrm{bm}}=|\stackrel{\&OverBar;}{H_b}-\stackrel{\&OverBar;}{H_m}|,$

$H_{\mathrm{tm}}=|\stackrel{\&OverBar;}{H_t}-\stackrel{\&OverBar;}{H_m}|.$

8.根据权利要求1所述的方法，其中步骤4)所述的分别计算水中有气泡时频谱面积特征参数S_b的平均值相对于基准的偏差值S_bm、水中有紊流时频谱宽度特征参数S_t的平均值相对于基准的偏差值S_tm，按如下公式计算：

$S_{\mathrm{bm}}=|\stackrel{\&OverBar;}{S_b}-\stackrel{\&OverBar;}{S_m}|,$

$S_{\mathrm{tm}}=|\stackrel{\&OverBar;}{S_t}-\stackrel{\&OverBar;}{S_m}|.$

9.根据权利要求1所述的方法，其中所述步骤8)中计算实验室静水时基准的偏差值W_rm，实验室静水时基准的偏差值H_rm，实验室静水时基准的偏差值S_rm，其计算公式如下：

$W_{\mathrm{rm}}=|\stackrel{\&OverBar;}{W_r}-\stackrel{\&OverBar;}{W_m}|,$

$H_{\mathrm{rm}}=|\stackrel{\&OverBar;}{H_r}-\stackrel{\&OverBar;}{H_m}|,$

$S_{\mathrm{rm}}=|\stackrel{\&OverBar;}{S_r}-\stackrel{\&OverBar;}{S_m}|,$

其中，是实际水域中后向散射多普勒频移信号I_r的频谱宽度特征参数W_r的平均值，是实际水域中后向散射多普勒频移信号I_r的频谱宽度特征参数H_r的平均值,是实际水域中后向散射多普勒频移信号I_r的频谱宽度特征参数S_r的平均值。