[发明专利]基于激光光斑漂移的水中动态目标尾迹探测系统及方法

说明书

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。