专利名称：基于激光波前变化的水中动态目标尾迹探测系统及方法
技术领域：
本发明属于激光技术应用领域，涉及动态目标尾迹的探测，具体是一种对水中动态目标尾迹的探测系统及方法，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。主动声探测是发射声信号，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。被动声探测方法，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；直接探测是接收目标的各种噪声信号确定目标是否存在；声尾迹探测是通过测量海水声阻抗的变换确定目标尾迹是否存在。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。
4光学探测，是通过检测激光在目标尾迹中传输时激光光学特性的变化来达到对动态 目标的探测与跟踪。光学探测依据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，通过检测光强的变化来探测目标；激光散射探测，是激光在目标尾迹中传输时， 通过检测在不同散射角下散射光强的变化来探测目标；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，参见邓仲 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，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 目标尾迹中存在较少气泡或只存在紊流的情况下，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光学探测方法的不足，提供一种基于激光波前变化 的水中动态目标尾迹探测系统及方法，可以在水中只有气泡或只有紊流或同时存在气泡 和紊流的情况下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，通过检测激光在水中传输时波前的变化实现对 水中动态目标尾迹的探测。
水中动态目标尾迹是一个包含气泡和紊流的动态系统，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，水中目标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，因此光束在其中传输时其光波前形状会随之变化。 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，随着距目标的远近不同，尾迹中气泡的大小、数量和紊流的强度也不同。因此检测 激光束在目标尾迹中传输时光波前形状的变化可以进行动态目标的探测和跟踪。
光束在介质中传输，介质对光束的影响分为强度衰减影响和波前扰动影响。以波前 形状为平面的光束为例，其在不同介质中传输时发生的波前畸变如图1所示。当光束通 过均匀介质时，垂直光传播方向的平面上的各点相位延迟相同，波前形状不变，如图1 (a)所示；当光束通过非均匀介质和含有气泡的介质时，折射率的不同导致光束沿不同 方向的光程不同，因此波前形状出现畸变，如图1 (b)和图1 (C)所示。
已知光波场可以描述为
=^0V)exp[iA:『0V)] (1)
其中^(F力为振幅，『(fV)为光波前，A:为波矢大小，0(,，/) = ^^,/)为相位分布。
假设在z-0处，波前相位分布为0(;c，力。由于扰动的存在导致折射率改变，引起的 相位畸变是从z = 0到r的累加畸变。将空间折射率的变化写成如下形式
= "。+△"。 (2)
式中W。是介质本身的折射率；A"(F)是由于扰动的存在导致的折射率变化量；『和折射
率的关系为
『=C。 J"(F)d/ = C。 J["。 + A"(F)〗d/ =『。+ C。 jA"(F)(》dz (3)
由真空光速的定义C。一1
相应的相位畸变为
式(4)和式(5)反映出，由于介质折射率空间分布的变化导致激光束波前相位的 变化；反之，测量激光束波前相位的变化，可以得到介质折射率的变化起伏。本发明基 于激光波前变化的水中动态目标探测系统和方法，正是通过测量实际水域中激光束波前 的畸变量，来间接测量水中气泡和紊流扰动因素的强弱，从而判断目标尾迹的存在。
激光束波前的变化用哈特曼波前传感器进行测量。哈特曼波前传感器的原理如图2 所示，微透镜阵列将入射孔径分割成许多子孔径，并聚焦到CCD探测器上，形成一个光 斑阵列。当一束标准平行光入射时，如图2(a)所示，入射到每个子孔径上的波前相互平
:，，可得则光波前变化为:
A『(;c，y)= f Aw(JC，y，z)dz (4) A0二&A^-ifcfA"(;c，j;，z)dz (5)
6成等间距均匀排列的光斑阵列，如图2(b)所示，标定此时各个光 斑的原始位置，并予以保存。当波前发生畸变的光束入射时，如图2(c)所示，入射到每 个子孔径上的波前倾斜将造成该子孔径光斑位置的移动，如图2(d)所示，移动量正比于 波前斜率和微透镜的焦距，通过CCD测量光斑在两个垂直方向上相对于事先标定的原始 位置的位移量就可以测量出该子孔径内波前在两个方向的斜率，最后利用波前复原算法 通过波前斜率重构出波前相位，进而得到波前相位的P-V值、rms值及泽尼克系数等波 前信息参数。 2.技术方案
本发明提供的基于激光波前的水中动态目标尾迹探测系统，包括 激光器，用于在水中产生单一方向的高斯光束；
哈特曼波前传感器，安放在激光器的光束传播方向，用于获取激光光斑，对高斯激 光束的传输相位进行准确实时的测量，通过对点阵列波前斜率的计算重构出激光波前， 并将波前信息输入给信号处理系统；
信号处理系统，用于对激光波前信息进行实时处理，并与实验室得到的目标尾迹存 在的判断标准相比较，判断目标尾迹是否存在，并将目标尾迹的信号输入给后续部件。
上述水中动态目标尾迹探测系统，其中所述的信号处理系统包括CPLD时序产生 器和DSP， CPLD时序产生器产生哈特曼波前传感器和DSP所需的时钟信号，DSP实时
处理激光束波前的相位信息、计算波前畸变量，判断水中动态目标尾迹的存在。
本发明提供的基于激光波前的水中动态目标尾迹探测方法，首先在实验室环境对水
中有不同扰动情况下的光波前相位进行检测，得到水中动态目标尾迹存在与否的判断标
准；然后对实际水域中的光波前相位进行检测，将实际水域中的光波前相位与实验室得
到的判断标准进行比较，判断水中动态目标尾迹的存在。具体步骤如下
步骤l,在实验室环境中，通过哈特曼波前传感器分别采集激光器发出的光在静水、
水中有气泡、水中有紊流和水中同时有气泡与紊流情况传输后的光束波前；
步骤2，分别在静水、水中有气泡、水中有紊流和水中同时有气泡与紊流的情况下，
通过信号处理系统实时处理哈特曼波前传感器输出的激光波前信息，给出目标尾迹存在
的判断标准;
步骤3，在实际水域中，通过哈特曼波前传感器采集激光器发出的光在实际水域中传 输后的光束波前；
步骤4，在实际水域中，通过信号处理系统实时处理哈特曼波前传感器输出的激光波
7前信息，得到实际水域中激光束波前的畸变量；
步骤5，将实际水域中测量的激光束波前的畸变量与实验室得到的目标尾迹存在与否 的判断标准进行比较，如果波前的畸变量大于判断标准，则判定目标尾迹存在，否则判 定目标尾迹不存在。
所述的信号处理系统实时处理哈特曼波前传感器输出的激光波前信息、给出目标尾 迹存在的判断标准，按如下步骤进行
a) 在静水、水中有气泡、水中有紊流和水中同时有气泡与紊流的情况下，分别将激 光波前RGB格式转换成灰度格式；
b) 将水中有气泡、水中有紊流和水中同时有气泡与紊流情况下的波前灰度分布与静
水条件下得到的波前灰度分布相减，得到非零点的百分比作为激光束波前的畸变量；
C)比较不同条件下波前畸变量的大小，将紊流情况下得到的波前畸变量确定为目标
尾迹存在的判断标准。
所述的信号处理系统实时处理哈特曼波前传感器输出的激光波前信息，是先将激光
波前RGB格式转换成灰度格式；再将实际水域中每一时刻获得的激光波前与静水条件下
得到的激光波前相减，得到非零点的百分比作为实际水域中的激光波前畸变量。
本发明利用激光束波前的变化探测目标尾迹与现有的利用激光光强和散射谱的变化
探测目标尾迹的方法比较，具有如下优点
1. 探测精度高。本发明利用激光光波前变化探测目标的尾迹时，由于水中的任何扰
动不论是气泡还是紊流都会使光波前等相位面发生明显的形变，而现有利用光强和散射 谱变化探测目标尾迹时，其扰动特征中只有气泡的存在才对光强和散射谱强度产生影响， 紊流的存在对光强和散射谱强度基本不产生影响，因而本发明的探测精度高。
2. 探测距离远、抗干扰能力强。由于远距离目标或水下目标其尾迹中的气泡很少， 但紊流总是存在，因此利用激光波前变化探测目标尾迹的距离远，且抗干扰能力强；
3. 可满足实时检测的应用要求。本发明由于探测系统采用哈特曼波前传感器对激光 束波前变化的信息进行实时接收，并通过信号处理系统保证信号的快速处理，使信号处 理速度达到10ms量级，能够满足实时检测的应用要求。
图1是光束在不同介质中传输时的波前畸变示意图； 图2是哈特曼波前传感器的原理图； 图3是本发明的探测系统示意图；图4是本发明的探测方法流程图； 图5是本发明的实验系统示意图； 图6是本发明探测目标尾迹实验过程图7是本发明在静水条件下测得的激光束的标准波前分布图； 图8是本发明静水条件下测得的激光束波前畸变图； 图9是本发明在水中有少量气泡情况下测得的激光束波前畸变图； 图10是本发明在水中有大量气泡情况下测得的激光束波前畸变图； 图11是本发明在水中有紊流情况下测得的激光束波前畸变图； 图12是本发明在水中同时有气泡和紊流情况下测得的激光束波前畸变图。
具体实施例方式
参照图3，本发明的测量系统由激光器、哈特曼波前传感器和信号处理系统等三部分 组成。其中
激光器，采用光束发散角小、光束质量好的TEM(K)模的连续激光器，以满足光斑位 置的判断和应用中实时探测的要求。该激光器主要用于产生波长为632.8nm的高斯光束， 光束的波前形状为球面。
哈特曼波前传感器，主要用于对高斯激光束的波前信息进行实时测量；该器件放置 在激光器正前方，与激光器相距20cm lm,激光器发射的高斯光束通过待测水域后用哈 特曼波前传感器接收，该传感器通过测量波前在两个相互垂直方向的斜率重构出激光波
■ 、/ 刖。
信号处理系统，包括DSP处理器和CPLD时序产生器，用于对哈特曼波前传感器输 出的波前信息进行实时处理。为保证时序的匹配和信号的严格同步，系统各部分均运行 在一个统一的基本时钟下，由一外接晶振作为整个系统统一的输入时钟送入CPLD，经 CPLD产生哈特曼波前传感器的驱动时钟信号和DSP的时钟信号以及CPLD和DSP通信 的信号。哈特曼波前传感器的输出信号送入系统的控制单元DSP进行处理，DSP处理后 把数字形式的波前畸变量输出。
参照图4，本发明的探测方法包括如下步骤
步骤一，搭建实验系统。
参照图5，本发明的实验系统由He-Ne激光器、哈特曼波前传感器、尾迹模拟器和 信号处理系统组成。
He-Ne激光器发出波长为632.8nm的高斯光束，并射向尾迹模拟器。尾迹模拟器由水槽、水、微孔陶瓷管阵列、气泵和水泵组成，用于模拟目标舰船产 生的尾迹。其中微孔陶瓷管阵列与气泵相连，用于产生实验所需的气泡，微孔陶瓷管阵 列产生气泡的大小和多少由与气压表相连的调节阀控制。微孔陶瓷管阵列的微孔孔径为 1 10prn;气泵的功率为138W,最大风压为13kgf/cm2;气压表的量程为0 0.16MPa， 最小精度为0.005MPa;水泵用于产生实验所需的紊流，水泵的功率为45W，扬程为2m， 最大供水量为3000 L/h。
为了避免哈特曼波前传感器接收的光强饱和，在尾迹模拟器和哈特曼波前传感器之 间放置光衰减片，用于衰减多余的光强。
哈特曼波前传感器实时接收尾迹模拟器传输后的激光束并测量其波前信息。
信号处理系统接收哈特曼传感器输出的波前信息并计算波前畸变量。
步骤二，设置实验条件。
依据激光束经尾际模拟器传输后功率衰减情况，设置激光器的工作电流大小，使其 产生一定功率的高斯光束；
通过水泵和气泵的开启或关闭，使尾迹模拟器产生静水、水中有气泡、水中有紊流、 水中同时有气泡和紊流的不同实验条件。
步骤三，实时测量实验条件下激光束的波前畸变。
通过哈特曼波前传感器对激光束的传输相位进行实时测量，并将测得的波前信息输 入给信号处理系统；
信号处理系统每隔10ms接收哈特曼波前传感器输出的波前信息，并将该波前RGB 格式转换成灰度格式；
以静水情况下的波前分布为标准分布，分别将水中有气泡、紊流或同时有气泡和紊 流情况下测得的激光波前分布与标准分布相减，得到非零点的百分比作为激光束波前的 畸变量。
步骤四，将静水、水中有气泡、水中有紊流和水中同时有气泡与紊流的情况下得到 的波前畸变量进行比较，将水中有紊流情况下的波前畸变量确定为目标尾迹存在的判断 标准。
歩骤五，实时测量实际水域中激光束的波前畸变。
将探测系统置于实际水域中，设置激光器的工作电流为13mA，使其输出功率为 20mW的高斯光束；
哈特曼波前传感器对高斯光束的传输相位进行实时测量，并将测得的波前信息输入给信号处理系统；
信号处理系统每隔10ms接收哈特曼波前传感器输出的波前信息，并将该波前RGB 格式转换成灰度格式；
以静水情况下的波前分布为标准分布，将实际水域测得的激光波前分布与标准分布 相减，得到非零点的百分比作为实际水域激光束波前的畸变量。
步骤六，将实际水域中激光束波前的畸变量与步骤四得到的目标尾迹存在的判断标 准相比较，如果波前畸变量大于判断标准，则判定目标尾迹存在，否则判定目标尾迹不 存在。
本发明的可行性可以通过以下实验实例进行验证
一、 实验系统
参照图5，本发明的实验系统由He-Ne激光器、哈特曼波前传感器、尾迹模拟器和 信号处理系统组成。激光器发射的激光束经尾迹模拟器中传输后，经衰减片到达哈特曼 波前传感器，传感器实时测量激光束的波前信息，信号处理系统对波前信息进行实时处. 理，并判断目标尾迹是否存在。尾迹模拟器由水槽、水、微孔陶瓷管阵列、气泵和水泵 组成，用于模拟目标舰船产生的尾迹，其中微孔陶瓷管阵列与气泵相连，用于产生实验 所需的气泡，微孔陶瓷管阵列产生气泡的大小和多少由与气压表相连的调节阀控制。微 孔陶瓷管阵列的微孔孔径为1 1(Hrni;气泵的功率为138W，最大风压为13kgf/cm2;气 压表的量程为0 0.16MPa，最小精度为0.005M&;水泵用于产生实验所需的紊流，水泵 的功率为45W，扬程为2m，最大供水量为3000 L/h。
二、 实验过程
参照图6，本实验利用所述实验系统进行模拟目标尾迹探测的过程如下 (一)确定水中目标尾迹存在的判断标准
1、 将系统置于实验室环境中，在水槽中分别设置不同的实验条件静水、水中有气 泡、水中有紊流、水中同时有气泡和紊流；
2、 设置激光器的工作电流为13mA,使其产生功率为20mW的高斯光束，对系统光 路进行准直调节；
3、 利用哈特曼波前传感器测量激光束通过水槽后的波前信息，当光强较强使传感器 饱和时，采用衰减片对光强进行衰减；
4、 信号处理系统上电，每隔lOms接收哈特曼波前传感器输出的波前信息，并将该 波前RGB格式转换成灰度格式；
115、 以静水情况下的激光波前灰度分布为标准分布，如图7所示。分别将水中有气泡、 紊流或同时有气泡和紊流情况下测得的激光波前灰度分布与标准分布相减，得到非零点 的百分比作为上述不同情况下激光束波前畸变量；
6、 分别在静水、水中有气泡、水中有紊流和水中同时有气泡与紊流的情况下多次测
量激光束波前畸变量，并任意抽取10组测量值列入表1中。
表1 水中存在不同扰动时测得的激光束波前畸变量
\ l 组N^静水水中有气泡水中有紊流水中同时有较 少气泡和紊流
气泡数目较少气泡数目较多i21.823.764.531.045.6
219.119.951.729.838.9
319.320.563.430.131.3
415.923.561.833.734.3
517.226.157.835.233.5
620.632.971.930.535.8
721.129.470.331.436.9
818.431.567.930.838.2
920.637.268.337.137.3
1020.933.672.531.135.1
由表l可以看出在静水情况下，光波前畸变量很小，其值小于22% ，这主要来自 系统自身的不稳定性；在水中有气泡的情况下，光波前畸变量的变化范围很大20~70%, 气泡的多少直接影响光波前畸变程度，气泡数量越多光波前畸变程度越大；在水中有紊 流的情况下，光波前畸变量大于30%，说明紊流对激光束波前的影响较大；在水中同时 有气泡和紊流的情况下，光波前畸变量大于30%，而且该值比水中只有紊流时的光波前 畸变量要大；综合上述测量结果，将水中有紊流情况下的最小波前畸变量30%作为目 标尾迹存在的判断标准。
(二)实时测量激光束波前相位分布，判断水中模拟目标尾迹的存在
A.水中只有气泡的情况，其测量和判断过程如下
1、 设置激光器的工作电流为13mA,使其产生功率为20mW的高斯光束，对系统光 路进行准直调节；
2、 开启气泵，使水槽产生气泡，调节与气泵相连的调节阀，使气压表的读数保持在 0.005MPa左右；
3、 利用哈特曼波前传感器测量激光束通过水槽后的波前信息，当光强较强使传感器
12饱和时，采用衰减片对光强进行衰减；
4、 信号处理系统上电，每隔lOms接收哈特曼波前传感器输出的波前信息，并将该 波前RGB格式转换成灰度格式；
5、 以静水情况下的波前灰度分布为标准分布，将水中有气泡时测得的激光波前灰度 分布与标准分布相减，得到非零点的百分比作为当前激光束波前的畸变量；
6、 水中有少量气泡时测量的波前灰度分布与标准分布相减后的效果如图8所示，其
所对应的波前畸变量为23.7%,该值小于目标尾迹存在的标准，因此判定目标尾迹不存 在；水中有大量气泡时测量的波前灰度分布与标准分布相减后的效果如图9所示，其所 对应的波前畸变量为68.8%，该值大于目标尾迹存在的标准，因此判定目标尾迹存在。
B. 水中只存在紊流的情况，其测量和判断过程如下
1、 设置激光器的工作电流为13mA,使其产生功率为20mW的高斯光束，对系统光 路进行准直调节；
2、 开启水泵，使水中产生明显的紊流；
3、 利用哈特曼波前传感器测量激光束通过水槽后的波前信息，当光强较强使传感器 饱和时，采用衰减片对光强进行衰减；
4、 信号处理系统上电，每隔lOms接收哈特曼波前传感器输出的波前信息，并将该 波前RGB格式转换成灰度格式；
5、 以静水情况下的波前灰度分布为标准分布，将水中有紊流时测得的激光波前灰度 分布与标准分布相减，得到非零点的百分比作为当前激光束波前的畸变量；
6、 水中有紊流时测量的波前灰度分布与标准分布相减后的效果如图10所示，其所 对应的波前畸变量为31%，该值大于目标尾迹存在的标准，因此判定目标尾迹存在。
C. 水中同时存在气泡和紊流的情况，其测量和判断过程如下
1、 设置激光器的工作电流为13mA，使其产生功率为20mW的高斯光束，对系统光 路进行准直调节；
2、 开启气泵，调节与气泵相连的调节阀，使气压表的读数保持在0.005MPa左右； 同时启动水泵开关，这时水中同时存在气泡和紊流；
3、 利用哈特曼波前传感器测量激光束通过水槽后的波前信息，当光强较强使传感器 饱和时，采用衰减片对光强进行衰减；
4、 信号处理系统上电，每隔10ms接收哈特曼波前传感器输出的波前信息，并将该 波前RGB格式转换成灰度格式；5、 以静水情况下的波前灰度分布为标准分布，将水中同时有气泡和紊流时测得的激
光波前灰度分布与标准分布相减，得到非零点的百分比作为当前激光束波前的畸变量；
6、 水中同时有气泡和紊流时的波前灰度分布与标准分布相减后的效果如图11所示，
其所对应的波前畸变量为45.6%,该值大于目标尾迹存在的标准，因此判定目标尾迹存 在。
上述不同情况下的测量结果表明当水中有气泡、紊流或同时有气泡与紊流等影响 因素时，激光束波前均发生明显的畸变；气泡的多少直接影响波前的畸变量的大小；水 中同时有气泡与紊流比水中只有气泡或只有紊流对激光束波前的影响要大。
上述实验结果证明，用本发明的方法不但能够针对水中动目标尾迹的气泡特征进行 有效探测，而且能够针对目标尾迹中的紊流特征进行探测，根据目标尾迹中气泡的多少 和紊流的强弱可辨别目标距离的远近和探测水下目标产生较少气泡的尾迹，提高了光尾 迹探测的精度、扩展了探测范围。
1权利要求
1. 一种基于激光波前变化的水中动态目标尾迹探测系统，包括激光器，用于在水中产生单一方向的高斯光束；哈特曼波前传感器，安放在激光器的光束传播方向，用于获取激光光斑，对高斯激光束的传输相位进行准确实时的测量，通过对点阵列波前斜率的计算重构出激光波前，并将波前信息输入给信号处理系统；信号处理系统，用于对激光波前信息进行实时处理，并与实验室得到的目标尾迹存在的判断标准相比较，判断目标尾迹是否存在，并将目标尾迹的信号输入给后续部件。
2. 根据权利要求l所述的水中动态目标尾迹探测系统，其特征在于，信号处理系统 包括CPLD时序产生器和DSP， CPLD时序产生器产生哈特曼波前传感器和DSP所需 的时钟信号，DSP实时处理激光束波前的相位信息、计算波前畸变量，判断水中动态目 标尾迹的存在。
3. —种基于激光波前变化的水中动态目标尾迹探测方法，包括步骤l，在实验室环境中，通过哈特曼波前传感器分别釆集激光器发出的光在静水、 水中有气泡、水中有紊流和水中同时有气泡与紊流情况传输后的光束波前；步骤2，分别在静水、水中有气泡、水中有紊流和水中同时有气泡与紊流的情况下， 通过信号处理系统实时处理哈特曼波前传感器输出的激光波前信息，给出目标尾迹存在的判断标准；步骤3，在实际水域中，通过哈特曼波前传感器采集激光器发出的光在实际水域中 传输后的光束波前；步骤4，在实际水域中，通过信号处理系统实时处理哈特曼波前传感器输出的激光 波前信息，得到实际水域中激光束波前的畸变量；步骤5，将实际水域中测量的激光束波前的畸变量与实验室得到的目标尾迹存在与 否的判断标准迸行比较，如果波前的畸变量大于判断标准，则判定目标尾迹存在，否则 判定目标尾迹不存在。
4. 根据权利要求3所述的方法，其中步骤2中所述的信号处理系统实时处理哈特曼 波前传感器输出的激光波前信息，给出目标尾迹存在的判断标准，按如下步骤进行(4a)在静水、水中有气泡、水中有紊流和水中同时有气泡与紊流的情况下，分别 将激光波前RGB格式转换成灰度格式；(4b)将水中有气泡、水中有紊流和水中同时有气泡与紊流情况下的波前灰度分布与静水条件下得到的波前灰度分布相减，得到非零点的百分比作为激光束波前的畸变量；(4c)比较不同条件下波前畸变量的大小，将紊流情况下得到的波前畸变量确定为 目标尾迹存在的判断标准。
5.根据权利要求3所述的方法，其中步骤4中所述的信号处理系统实时处理哈特曼 波前传感器输出的激光波前信息，是先将激光波前RGB格式转换成灰度格式；再将实 际水域中每一时刻获得的激光波前与静水条件下得到的激光波前相减，得到非零点的百分比作为实际水域中的激光波前畸变量。
全文摘要
本发明公开了一种基于激光波前变化的水中动态目标尾迹探测系统及方法。该探测系统包括激光器、哈特曼波前传感器和信号处理系统。本方法是将探测系统置于水中，激光器产生高斯光束，哈特曼波前传感器接收并检测激光束通过待测水域后的波前信息，信号处理系统实时处理波前信息并输出波前畸变量，实现对水中动目标尾迹的检测。其探测过程为在实验室条件下多次测量激光束波前的畸变量，给出目标尾迹存在的判断标准；在实际水域中实时测量激光束波前的畸变量并与判断标准比较，如果波前畸变量大于判断标准，则判定目标尾迹存在，否则判定目标尾迹不存在。本发明具有探测精度高和探测距离远的优点，可用于对水面舰船和水下航行器的远距离精确探测。
文档编号G01V8/10GK101464522SQ20091002085
公开日2009年6月24日 申请日期2009年1月8日 优先权日2009年1月8日
发明者冀邦杰, 刘继芳, 孙艳玲, 斌 张, 石顺祥, 琳 马 申请人:西安电子科技大学