线阵推扫式激光成像引信探测技术

针对环视扫描式激光成像引信探测存在着需要光机扫描和较高的激光脉冲重复频率等问题,提出了一种线阵推扫式激光成像引信探测模式并分析了其探测机理.以对坦克目标探测为例,设计了线阵推扫式激光成像引信探测系统,该探测系统采用线阵半导体激光器阵列发射脉冲激光,线阵光电探测器阵列并行接收来实现一维扫描,弹的飞行实现另一维扫描,在获取目标距离信息基础上进行成像.在对阵列单元激光脚印尺寸大小计算的基础上,确定了该探测系统的基本参数包括所需线阵元数、生成图像大小,半导体激光器阵列的脉冲重复频率和峰值功率等,为系统的工程实现提供了理论依据和设计指导.     

海岸浅层海水水光学特性及其对水下目标激光成像影响的初步研究

本文对我国某些沿岸浅海水水光学特性及其对激光成像的影响进行了初步研究,在室内对一些海水、河水和自来水样品进行了蓝绿激光的光学、物理特性测试,对其影响的诸多因素进行了分析;在室外进行了水下目标光成像试验.研究表明,影响光衰减的主要因素是悬浮颗粒.在悬浮颗粒基本可沉淀并过滤的条件下,用波长为514.5nm的绿光测定的海水衰减系数为0.75m~-1.这时用AL值为6的实验系统在水中能观察到目标像的最大推算距离为8m.     

直接探测激光雷达系统的仿真软件设计

如何合理而有效地设计激光雷达系统,是进行激光雷达系统研究的关键,设计时必须充分考虑各种参数之间的相互关系,根据所提出的指标,选择激光器和探测器及其它元器件。建立了激光雷达系统的数值仿真模型,模型以激光雷达原理为基础,考虑了激光雷达距离方程、噪声模型、接收信噪比模型,利用LOWTRAN软件分析了各种天气和系统条件下,对激光雷达性能的影响,编制了计算机仿真软件进行雷达系统模拟,结果表明,数值仿真有助于实验系统的方案设计和性能改进。     

一种应用于水下目标探测的激光声系统

用激光在海洋中产生声波的方式机动性非常好,在海洋监测方面具有非常强的潜在应用前景.介绍了已经成功研制出的一套可以用于水下目标探测的激光声技术实验系统,详尽地介绍了用于水下目标探测的激光声系统原理、硬件设计以及软件设计.该系统不仅通过了实验室的试验,并且参加了海上试验,实验结果表明本系统的原理正确,性能良好,工作稳定可靠,能够检测到水中目标的回波,探测到水下目标.说明激光声技术用于水下目标探测是切实可行的,这套激光声探测系统的研制成功填补了国内的空白.     

基于特征直线的目标被动定位方法

提出一种利用导引头图像信息进行飞机目标被动定位的方法.该方法以目标可预知的先验几何特征为基础,并基于摄像系统视场较小且目标距离远大于目标尺寸时,成像模型可用弱透视投影近似的事实,推导出借助特征直线估计目标距离的单目视觉算法.与传统的目标定位方法不同,该算法通过特征直线的成像尺寸以及相互夹角反映目标成像姿态的变化,使得目标定位算法不依赖于对目标姿态的估计,提高了不同的空间姿态下目标定位的准确性.实验结果表明,该算法能够在低信噪比情况下准确定位目标,且算法不受目标姿态的影响.     

基于统计特征的水下目标一维距离像识别方法研究

目标探测与识别是水下预警监视、信息对抗的重要组成部分。针对水下目标一维距离像识别问题,通过提取目标的长度、重心、高阶中心矩等特征,分析了所提取特征的统计分布特性,利用假设检验构建了目标识别特征的统计模型。结合Bayes统计分类器开展了5类水下目标的识别实验,并与基于距离像回波匹配相关的识别方法进行对比分析,对比结果显示所提出的方法在识别率和运算量方面均有明显改善。     

脉冲激光成像探测系统回波信号仿真

研究激光脉冲回波信号特性并建立其数学模型,是应用回波信号处理技术处理回波,生成目标三维激光仿真图像的基础.首先建立了激光器发射脉冲信号能量在时间和空间上的分布模型,然后依据成像目标的激光图像仿真模板,采用累加激光脚印各采样区发射脉冲信号与对应目标散射面单位冲激响应卷积值的方法,生成了探测器接收回波仿真信号,最后分析了影响回波信号仿真精度的因素.通过对激光脚印采样区个数的合理设置实现了激光脉冲回波波形的精确仿真.     

基于离散分数布朗随机场的水下图像目标检测

采用传统图像检测方法存在目标区域定位不准确、目标细节信息丢、目标形状变形等问题,本文提出一种基于离散分数布朗随机场模型的水下图像目标检测方法.该方法根据分形理论和水下图像的特点,以图像中每个像素点为中心取窗口,计算在该窗口内的分形维数均值,将该均值作为中心像素的分形特征,然后根据分形维数分布图确定分割阈值,从而实现对水下图像分割,并且通过将目标表面不同尺度下的灰度差分平均值进行归一化处理,减少了用于表示不同尺度下的平均绝对值灰度差分的数据,从而提高算法检测效率.实验结果表明,该方法对水下成像条件具有一定鲁棒性,是一种有效的水下图像目标检测方法.     

基于转镜的激光照明系统设计及实验研究

为了实现区域内快速运动微小目标的激光辅助照明,提出了利用转镜与点激光器组成扇形激光辅助照明系统的设计方案.详细论述了转镜面数、外接圆直径及转速与激光照明光幕的关系.给出了该激光照明系统下目标被照亮部分的平均激光功率密度与点激光光源功率、激光扫描速度、点激光发散角、相机曝光时间和目标与激光光源距离之间关系的计算公式.仿真...     

基于模型的水下机器人视觉悬停定位技术

根据7000米载人潜水器水下作业的需要和特点,提出了一种基于单目视觉位姿测量原理的水下机器人悬停定位方法,构建了包含水下目标识别与跟踪、三维位姿计算及水下机器人控制三项关键技术的水下演示实验系统。以自行研制的水下机器人控制系统实验研究平台为实验载体,以4个按正四面体分布的小球构成的合作目标为观察目标,在室内实验水池中实现了水下机器人悬停与定位演示实验。实验结果显示,系统能够弓I导机器人运动到指定位姿并实现稳定的悬停和定位。该项研究为基于模型的单目视觉三维位姿测量技术开辟了水下机器人应用新领域。     

基于水下光电成像系统研究计算机仿真技术

在引入小角度近似原理的基础上构建相关的理论模型,对水下光电成像探测系统计算机仿真技术进行一定程度的研究。从接收信号分类、系统结构模型、信号以及前向散射辐射量等方面入手,构建信号辐射演算模型。由于散射光的客观存在,在距离相对恒定的情况下,对水下成像面各要素的信号辐射量的量化、后向散射辐射量等方面展开了讨论,并进行计算机的相关仿真技术研究。     

一种基于声呐信息融合的水下图像增强方法

由于光在水中传输时的衰减和散射效应,使得光学成像细节丢失、对比度下降以及颜色偏移失真,导致水下图像雾化。因此在光线条件较为恶劣情况下,水下高性能相机对目标的有效捕捉范围较小,水下光学成像系统通常很难达到令人满意的成像效果。而声呐利用声波在水中传播衰减较小的特点可以进行更远距离的探测。因此,当水下目标距离光学探测设备较远而不能进行准确光学成像来捕捉目标时,可利用声呐采集得到的信息与光学图像进行融合,实现图像增强,提高成像效果。文章提出了一种基于声呐信息融合的水下图像增强方法,首先对水下光学图像分两步进行预处理,即基于暗通道先验模型的去雾增强和自适应图像增强,再使用声呐信息对水下图像进行局部增强,明显提高水下环境中所要探测目标的对比度与可识别度。     

Underwater single beam circumferentially scanning detection system using range-gated receiver and adaptive filter

Underwater target detection and ranging in seawater are of interest in unmanned underwater vehicles. This study presents an underwater detection system that synchronously scans a collimated laser beam and a narrow field of view to circumferentially detect an underwater target. Hybrid methods of range-gated and variable step-size least mean squares (VSS-LMS) adaptive filter are proposed to suppress water backscattering. The range-gated receiver eliminates the backscattering of near-field water. The VSS-LMS filter extracts the target echo in the remaining backscattering and the constant fraction discriminator timing method is used to improve ranging accuracy. The optimal constant fraction is selected by analysing the jitter noise and slope of the target echo. The prototype of the underwater detection system is constructed and tested in coastal seawater, then the effectiveness of backscattering suppression and high-ranging accuracy is verified through experimental results and analysis discussed in this paper.     

基于伪随机序列的多波束水声探测系统的信道估计技术

多波束水声探测系统不同方向回波信号的同时检测,可以理解为通信中的信道估计问题。在水下多径传播环境中,多径信道的时延参数和幅度衰减参数的估计是多波束探测系统实现目标探测、定位和识别的基础,而抑制来自其它波束的多址干扰(MAI)是信道估计算法的重要目标。将直接序列码分多址(Direct Sequence Code-Division Multiple Access,简称DS-CDMA)通信系统模型应用于水声多波束探测系统。建立了基于伪随机序列的水下多波束探测系统的信号模型,研究了基于子空间方法的超分辨率信道估计算法。并给出了数值仿真实现,分析了信噪比、多址干扰及发射波束数等对信道估计算法性能的影响。仿真结果表明,该算法具有抑制多址干扰的性能,信道参数的估计方差逼近Cramer-Rao下界。这种信道估计技术尤其适合应用于多波束参量阵探测系统。     

一种适用于浅海小信噪比条件的声源目标定位技术

文章将匹配场处理技术引入一种新的目标运动分析方法——长时间积分法中，用根据实际海洋传播条件计算所得的声场作为拷贝场向量，替代传统方法中所采用的平面波模型。由于充分利用了声场的空间结构，使得该方法不仅能够完成传统目标运动分析中定出目标方位的功能，而且还可以定出其距离和深度。同时，因积分时间的增加还大大提高了对目标的检测性能。该方法可用于解决小信噪比条件下，声源目标的检测和定位问题。尤其适用于浅海、在声信号的传播因受波导和多途现象影响而严重偏离平面波的情况。仿真结果表明：采用平面波模型时，在信噪比低于-28dB时，声源目标参数就已相当模糊；而当采用匹配场处理技术，在信噪比降为-33dB时，仍可精确地得到声源目标的参数。     

基于相控阵激光超声的裂纹衍射增强试验研究

针对超声衍射时差法(TOFD)存在检测精度较差、区域检测可靠性不够和信号信噪比(signal-to-noise ratio, SNR)低等问题,提出了一种基于光纤皮秒激光器和高速旋转镜的相控阵激光超声裂纹检测方法。利用有限元方法模拟热弹机制,建立二维瞬态激光超声力-固耦合模型产生横波与纵波在缺陷处发生的衍射现象,分析了裂纹尖端不同奇异点、声波不同中心频率和相控阵激励源不同位置对声波衍射的影响,通过衍射信号的信噪比和位移幅值两个计算指标来分析变化规律,并进行了试验验证。结果表明:数值模拟与试验结果有较好的一致性,相控阵激光源较传统单束激光源对衍射信号幅值和信噪比有明显的增强作用,纵波衍射信号信噪比较理想;衍射信号幅值随裂纹尖端奇异点增加和声波中心频率减小而增大;信噪比随尖端奇异点增加而增大,随声波中心频率一定范围增加无明显变化,随激光源距离的增加呈现先增加后减小的趋势;缺陷定量分析时计算出的裂纹长度与实际裂纹的误差均不超过6.8%。     

自适应Notch滤波器的FPGA实现

针对水下目标跟踪定位系统中信号的特点,采用自适应Notch滤波器对接收信号进行检测,使系统在低信噪比的情况下仍能保证较高的正确检测率。提出了用FPGA实现Notch滤波器的硬件电路方案,用DDS技术解决了Notch滤波器的正交参考源的输入问题,简化了系统的设计,提高了稳定性,同时保持了较高的检测正确率。     

水下混沌背景中的瞬态声信号检测法研究

水下瞬态声信号中蕴含着目标的特征信息,但其突发性强、持续时间短致使检测难度很大。为解决瞬态信号检测的问题,提出了混沌背景中瞬态冲击信号的RBF神经网络检测法。建立了混沌背景噪声的一步预测模型,通过预测误差的变化来检测瞬态信号。分别以Lorenz系统和Logistic系统作为混沌背景噪声进行了仿真,证明检测方法的有效性,并在Lorenz系统背景检测中加入白噪声来检验该方法抗白噪声干扰的能力,结果表明该方法对白噪声敏感;在理论研究的基础上通过对外场试验数据的处理验证了该方法的有效性,并在实际测量数据中加入混沌背景噪声,通过改变信噪比检验了该方法在不同信噪比情况下的性能。     

嵌入注意力机制的卷积神经网络水声目标识别

针对低信噪比水声目标单一特征识别率低,稳健性差的问题,提出一种基于注意力机制和多尺度残差卷积神经网络（Multi-scale Residual CNN with Attention,MR-CNN-A）进行特征融合的识别方法。该方法根据多尺度卷积核与特征图形成多分辨率分析关系,并以此通过注意力机制实现优势特征权值提取与融合,从而提高模型在文中水声数据集上提取目标噪声特征和分类识别的稳健性与抗噪能力。开展了4类舰船噪声和海洋环境噪声的识别试验、水下和水面自主式水下航行器的识别试验,以及不同信噪比条件下目标噪声的识别试验。结果表明：对于文中所涉及的水声目标噪声和人工高斯白噪声干扰,该网络模型识别正确率明显高于支持矢量机与简单卷积神经网络,且对高斯白噪声的抑制能力远强于支持矢量机与简单卷积神经网络,稳健性好,模型复杂度小。     

Underwater three-dimensional imaging with an amplitude-modulated laser radar at a 405 nm wavelength

We report the results of underwater imaging with an amplitude-modulated single-mode laser beam and miniaturized piezoactuator-based scanning system. The basic elements of the device are a diode laser source at 405 nm with digital amplitude modulation and a microscanning system realized with a small-aperture aspheric lens mounted on a pair of piezoelectric translators driven by sawtooth waveforms. The system has been designed to be a low-weight and rugged imaging device suitable to operate at medium range (approximately 10 m) in clear seawater as also demonstrated by computer simulation of layout performance. In the controlled laboratory conditions a submillimeter range accuracy has been obtained at a laser amplitude modulation frequency of 36.7 MHz.