基于自適應(yīng)后向散射濾波技術(shù)的激光雷達水下目標探測研究.pdf

1、激光雷達技術(shù)已廣泛應(yīng)用于水下目標探測、識別和海底測繪等領(lǐng)域，然而，水體對于光信號的散射和吸收作用嚴重影響了探測系統(tǒng)的性能。目前，激光雷達水下目標探測裝置常搭載于機載或船載平臺，這兩種搭載方式都存在體積龐大、機動性差、測量區(qū)域和時間受限、需要人為操作和運行成本高等缺點。因此，設(shè)計一款可搭載于水下無人航行器的智能化、自動化、小型化的激光雷達水下探測系統(tǒng)成為目前該領(lǐng)域的迫切需求。本論文結(jié)合水下目標激光雷達回波特性、水下探測環(huán)境特點和水下無人航

2、行器裝備要求，提出了自適應(yīng)的后向散射信號濾除方法，解決了激光雷達水下目標探測的核心問題。運用蒙特卡洛計算模型模擬了不同環(huán)境水體參數(shù)下的目標回波及信號處理結(jié)果，并根據(jù)理論研究成果設(shè)計完成了激光雷達水下目標探測系統(tǒng)樣機，通過船池實驗室環(huán)境和自然水體環(huán)境實驗，驗證了該系統(tǒng)樣機的探測性能和水下工作能力。
　　本論文首先在飛行時間測距原理的基礎(chǔ)上詳細分析了水下目標距離測量范圍和精度的影響因素，介紹了水體固有光學(xué)性質(zhì)對于水下光傳輸?shù)挠绊?，并?/p>

3、水體表觀光學(xué)性質(zhì)的輻射度量學(xué)定義推導(dǎo)出了激光雷達水下目標測距方程和水體后向散射計算模型。根據(jù)水下探測光束覆蓋范圍的要求，理論上研究了基于角向偏振光相位調(diào)制的聚焦方法，在焦區(qū)獲得了小尺寸的光斑，該項技術(shù)的突破為獲得大發(fā)散角探測光束提供了理論依據(jù)。
　　為了解決水體后向散射對于目標探測信號識別造成干擾的問題，提出了基于可變遺忘因子最小遞歸二乘法（VFF-RLS）的自適應(yīng)濾波技術(shù)，根據(jù)水下激光雷達回波信號特征設(shè)計了與之相關(guān)的變遺忘因子函

4、數(shù)，增強了該算法對水體后向散射噪聲的濾除效果和對微弱目標回波信號的提取能力，并討論了濾波器參數(shù)對于信號處理結(jié)果的影響，給出了后向散射抑制效果的評價標準。在系統(tǒng)探測精度方面，對比分析了常用時刻鑒別方法在本文應(yīng)用中的適用性，確定采用恒比定時時刻鑒別(CFD)技術(shù)作為水下飛行時間測量方法，討論了觸發(fā)比設(shè)置對于時刻測量精度的影響。
　　運用蒙特卡洛（Monte Carlo）計算模型模擬了不同水體環(huán)境中不同目標距離下的激光雷達水下目標探測回

5、波曲線，并使用提出的VFF-RLS算法對回波曲線進行自適應(yīng)處理，通過對比處理前后的信號后向散射比（SBR）評價了濾波效果，最后得出了探測信號隨水體參數(shù)變化的趨勢性規(guī)律，理論上驗證了提出后向散射抑制算法在不同環(huán)境水體參數(shù)下的普適性。
　　根據(jù)上述理論研究成果，研制了一款基于自適應(yīng)后向散射濾波技術(shù)的水下激光雷達目標探測系統(tǒng)樣機，實現(xiàn)了尺寸小型化、探測自動化和數(shù)據(jù)處理智能化的設(shè)計要求，達到了水下無人航行器的搭載要求。通過0.4 Mpa水

6、壓下的三小時水密性測試，證明了樣機具備40米水深的工作能力。
　　最后，對樣機進行了調(diào)試和校正，并通過船池水下探測實驗結(jié)果和自然水體外場探測試驗結(jié)果驗證了系統(tǒng)的探測性能和水下工作穩(wěn)定性。船池水下目標探測最遠可探測距離26米，最佳的恒比定時觸發(fā)比確定為60％，該條件下獲得測距精度為0.3米，優(yōu)于傳統(tǒng)方法。采用VFF-RLS處理后的SBR數(shù)值穩(wěn)定保持在15 dB以上，對于11米到26米目標探測信號的處理前后SBR增量在18.9 dB至