發(fā)布時(shí)間：2017-12-17 08:28

  本文關(guān)鍵詞：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

  更多相關(guān)文章： 水下激光雷達(dá) 水體后向散射 自適應(yīng)濾波 蒙特卡洛方法 激光測(cè)距 恒比定時(shí)時(shí)刻鑒別法 水下無(wú)人航行器

【摘要】：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(wú)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(wú)人航行器裝備要求,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(wèn)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(guò)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?并由水體表觀光學(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(wèn)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(guò)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(wú)人航行器的搭載要求。通過(guò)0.4 Mpa水壓下的三小時(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(guò)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 d B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 d B至43.1 d B之間,其變化量與目標(biāo)距離呈正比關(guān)系。分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果可發(fā)現(xiàn),所提出自適應(yīng)濾波方法對(duì)于不同目標(biāo)距離的回波信號(hào)均可以有效地抑制后向散射,特別是在探測(cè)極限附近的微弱目標(biāo)回波提取方面效果更加明顯。自然水體環(huán)境的外場(chǎng)探測(cè)試驗(yàn)驗(yàn)證了樣機(jī)能夠完成在自然水域中發(fā)現(xiàn)20米內(nèi)目標(biāo)并測(cè)量目標(biāo)距離的任務(wù)。
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TN958.98

【相似文獻(xiàn)】

中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前10條

1 陳文革，黃鐵俠，盧益民，熊兆飛;激光水下目標(biāo)探測(cè)信號(hào)的光學(xué)遮擋接收[J];華中理工大學(xué)學(xué)報(bào)(社會(huì)科學(xué)版);1995年04期

2 章正宇,周壽桓;實(shí)用激光水下目標(biāo)探測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析[J];激光與紅外;2001年02期

3 章正宇,周壽桓;水下目標(biāo)探測(cè)中的激光技術(shù)[J];西安電子科技大學(xué)學(xué)報(bào);2001年06期

4 陳文革，，盧益民，熊兆飛，黃鐵俠;激光水下目標(biāo)探測(cè)中的光束擴(kuò)展[J];華中理工大學(xué)學(xué)報(bào);1995年10期

5 沈春蕾,楊宗凱;激光水下目標(biāo)探測(cè)中混沌背景信號(hào)重構(gòu)的研究[J];華中理工大學(xué)學(xué)報(bào);1997年09期

6 章正宇,周壽桓;激光水下目標(biāo)探測(cè)系統(tǒng)信噪比分析[J];西安電子科技大學(xué)學(xué)報(bào);2002年05期

7 姚天甫;朱靖;樊燁;陳廷斌;王武;王澤鋒;;激光偏振特性用于水下目標(biāo)探測(cè)[J];激光與光電子學(xué)進(jìn)展;2010年06期

8 楊述斌,彭復(fù)員,謝志遠(yuǎn),朱曉亮;基于相關(guān)和小波分析的激光水下目標(biāo)檢測(cè)研究[J];計(jì)算機(jī)仿真;2003年05期

9 劉敏;曹燕;韋崗;;基于時(shí)反處理法的水下目標(biāo)探測(cè)研究[J];科學(xué)技術(shù)與工程;2009年21期

10 陳文革，盧益民，黃鐵俠，熊兆飛;消除激光水下目標(biāo)探測(cè)中后向散射的方法研究[J];華中理工大學(xué)學(xué)報(bào)(社會(huì)科學(xué)版);1995年04期

中國(guó)重要會(huì)議論文全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前1條

1 張曉琳;唐文彥;孫和義;;基于干涉信號(hào)頻譜分析的水下目標(biāo)探測(cè)[A];中國(guó)儀器儀表學(xué)會(huì)第十二屆青年學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C];2010年

中國(guó)博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前3條

1 譚菊琴;引信水下目標(biāo)探測(cè)超聲波發(fā)射與控制技術(shù)研究[D];南京理工大學(xué);2015年

2 程藻;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[D];華中科技大學(xué);2016年

3 雷亞輝;水下目標(biāo)的時(shí)間反轉(zhuǎn)法聲探測(cè)技術(shù)應(yīng)用研究[D];哈爾濱工程大學(xué);2010年

中國(guó)碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前5條

1 姜民;激光偏振水下目標(biāo)探測(cè)信息處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D];南京理工大學(xué);2017年

2 張琪;基于頻譜認(rèn)知的變頻水下目標(biāo)探測(cè)方法研究[D];華南理工大學(xué);2013年

3 江飛;激光水下目標(biāo)探測(cè)的研究[D];西南交通大學(xué);2008年

4 閻旭光;基于蒙特卡羅模擬的海水光信道特性研究[D];華中科技大學(xué);2004年

5 李源慧;激光水下目標(biāo)探測(cè)的Monte Carlo模擬[D];西南交通大學(xué);2009年

本文編號(hào)：1299446