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

1、激光雷達(dá)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于水下目標(biāo)探測(cè)、識(shí)別和海底測(cè)繪等領(lǐng)域，然而，水體對(duì)于光信號(hào)的散射和吸收作用嚴(yán)重影響了探測(cè)系統(tǒng)的性能。目前，激光雷達(dá)水下目標(biāo)探測(cè)裝置常搭載于機(jī)載或船載平臺(tái)，這兩種搭載方式都存在體積龐大、機(jī)動(dòng)性差、測(cè)量區(qū)域和時(shí)間受限、需要人為操作和運(yùn)行成本高等缺點(diǎn)。因此，設(shè)計(jì)一款可搭載于水下無人航行器的智能化、自動(dòng)化、小型化的激光雷達(dá)水下探測(cè)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(biāo)激光雷達(dá)回波特性、水下探測(cè)環(huán)境特點(diǎn)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(hào)濾除方法，解決了激光雷達(dá)水下目標(biāo)探測(cè)的核心問題。運(yùn)用蒙特卡洛計(jì)算模型模擬了不同環(huán)境水體參數(shù)下的目標(biāo)回波及信號(hào)處理結(jié)果，并根據(jù)理論研究成果設(shè)計(jì)完成了激光雷達(dá)水下目標(biāo)探測(cè)系統(tǒng)樣機(jī)，通過船池實(shí)驗(yàn)室環(huán)境和自然水體環(huán)境實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該系統(tǒng)樣機(jī)的探測(cè)性能和水下工作能力。
　　本論文首先在飛行時(shí)間測(cè)距原理的基礎(chǔ)上詳細(xì)分析了水下目標(biāo)距離測(cè)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(duì)于水下光傳輸?shù)挠绊懀⒂?/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(dá)水下目標(biāo)測(cè)距方程和水體后向散射計(jì)算模型。根據(jù)水下探測(cè)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(xiàng)技術(shù)的突破為獲得大發(fā)散角探測(cè)光束提供了理論依據(jù)。
　　為了解決水體后向散射對(duì)于目標(biāo)探測(cè)信號(hào)識(shí)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(dá)回波信號(hào)特征設(shè)計(jì)了與之相關(guān)的變遺忘因子函

4、數(shù)，增強(qiáng)了該算法對(duì)水體后向散射噪聲的濾除效果和對(duì)微弱目標(biāo)回波信號(hào)的提取能力，并討論了濾波器參數(shù)對(duì)于信號(hào)處理結(jié)果的影響，給出了后向散射抑制效果的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。在系統(tǒng)探測(cè)精度方面，對(duì)比分析了常用時(shí)刻鑒別方法在本文應(yīng)用中的適用性，確定采用恒比定時(shí)時(shí)刻鑒別(CFD)技術(shù)作為水下飛行時(shí)間測(cè)量方法，討論了觸發(fā)比設(shè)置對(duì)于時(shí)刻測(cè)量精度的影響。
　　運(yùn)用蒙特卡洛（Monte Carlo）計(jì)算模型模擬了不同水體環(huán)境中不同目標(biāo)距離下的激光雷達(dá)水下目標(biāo)探測(cè)回

5、波曲線，并使用提出的VFF-RLS算法對(duì)回波曲線進(jìn)行自適應(yīng)處理，通過對(duì)比處理前后的信號(hào)后向散射比（SBR）評(píng)價(jià)了濾波效果，最后得出了探測(cè)信號(hào)隨水體參數(shù)變化的趨勢(shì)性規(guī)律，理論上驗(yàn)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(dá)目標(biāo)探測(cè)系統(tǒng)樣機(jī)，實(shí)現(xiàn)了尺寸小型化、探測(cè)自動(dòng)化和數(shù)據(jù)處理智能化的設(shè)計(jì)要求，達(dá)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(shí)水密性測(cè)試，證明了樣機(jī)具備40米水深的工作能力。
　　最后，對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了調(diào)試和校正，并通過船池水下探測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和自然水體外場(chǎng)探測(cè)試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了系統(tǒng)的探測(cè)性能和水下工作穩(wěn)定性。船池水下目標(biāo)探測(cè)最遠(yuǎn)可探測(cè)距離26米，最佳的恒比定時(shí)觸發(fā)比確定為60％，該條件下獲得測(cè)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(duì)于11米到26米目標(biāo)探測(cè)信號(hào)的處理前后SBR增量在18.9 dB至