[发明专利]基于激光后向散射多普勒频移的水中目标尾迹探测方法

说明书

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。