一种大动态自适应舰船尾流激光探测跟踪装置及方法

本发明属于水下激光探测制导，尤其涉及一种大动态自适应舰船尾流激光探测跟踪装置及方法。

背景技术：

1、目前，舰船在水中运动特别是在水面运动时，不可避免的产生尾流。所谓尾流就是舰船航行时，由于螺旋桨的空化、海面波浪的破碎以及船体吃水线部分大量空气的卷入，在舰船尾部的海水中形成的一条长长的、含有大量气泡的尾流区。目前真正在实际中得到应用并具有良好的作战使用效果的是声尾流自导装置。但传统的声尾流自导装置存在自噪声干扰大，受海况、海水温度梯度等影响大等问题，同时随着航行器航速的提升，平台噪声急剧增加，进一步导致声检测系统性能降低。水下高速航行器难以搭载声学检测装置对舰船尾流远场微弱气泡进行高精度探测，限制了水下航行器的航速和末端精确制导作战使用距离。由于激光波长短，利用尾流气泡对激光的mie散射效应，可使得激光对传播介质变化的感知比声波灵敏的多，且受水温、噪声影响小，可搭载高速移动载体对舰船尾流微气泡进行高精度探测，提升水下航行器在作战使用中的制导距离和航速。

2、通过利用舰船尾流气泡的对激光的mie后向散射特性，可利用激光探测装置探测舰船尾流微气泡群，搭载于水下航行器上可实现对舰船的准确打击。但水体后向散射回波信号较强，近场强水体信号极易导致接收系统信号饱和，系统远场目标回波信号极易淹没在水体后向散射背景信号中。

3、通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有的激光探测装置通过搭载于水下航行器上实现对舰船的准确打击，但水体后向散射回波信号较强，近场强水体信号极易导致接收系统信号饱和，系统远场目标回波信号极易淹没在水体后向散射背景信号中。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种大动态自适应舰船尾流激光探测跟踪装置及方法。

2、本发明是这样实现的，一种大动态自适应舰船尾流激光探测跟踪装置包括：

3、激光发射系统，用于利用半导体泵浦固体激光器根据波束角与焦距、出光孔径的关系设计扩束准直系统，实现激光发射能量、重复频率可控调节；

4、多通道接收系统，采用多通道探测接收方式获取激光束与舰船尾流气泡表面发生碰撞后散射回来的光子；

5、apd自适应增益控制系统，与多通道接收系统连接，用于利用数字电位器实现apd增益可控调节，实现短脉冲、大动态激光回波的探测接收；

6、信号处理系统，与apd自适应增益控制系统连接，用于对信号进行处理。

7、进一步，所述激光发射系统由激光器、电源、扩束准直装置、综合处理与显控模块组成，所述激光器分别与电源、扩束准直系统、综合处理与显控模块连接，所述扩束准直系统和综合处理与显控模块与电脑上位机连接；

8、所述扩束准直装置通过电脑上位机实现电动调焦的功能，控制激光发射波束角的改变，所述综合处理与显控模块用于通过控制驱动模块与tec温控模块的电流实现对激光器开关、能量大小参数的调节。

9、进一步，所述多通道接收系统包括设置在不同轴距的多个接收通道，不同轴距上的接收通道所对应的最佳接收距离不同。

10、进一步，所述apd自适应增益控制系统包括光学接收结构、光纤、apd探测器和滤光装置，经目标反射回来的光经凸透镜和滤光装置聚焦在光纤上，经光纤耦合进apd探测器中。

11、进一步，apd探测器利用暗电流、光电流与偏置电压的关系，通过调节apd探测器偏置电压的大小调节apd探测器的光电流增益。

12、进一步，所述apd探测器通过iic接口发送设置命令，可调节电位器触点位置，进而改变输出电压，apd增益分为256档。

13、进一步，所述信号处理系统由放大电路、调理电路、高速adc采集电路和处理电路组成；

14、所述放大电路用于对apd探测器产生的信号不能直接传输，需要对信号进行放大处理；

15、所述调理电路用于对放大后的信号进行模拟滤波处理，对信号进行单端至差分的转换来匹配高速adc输入接口，得到符合后续电路要求的电信号；

16、所述高速adc采集电路用于对信号进行采集；

17、所述处理电路用于对信号进行检测处理及滤波处理。

18、本发明的另一目的在于提供一种大动态自适应舰船尾流激光探测跟踪方法，所述大动态自适应舰船尾流激光探测跟踪方法包括：

19、步骤一，由电脑上位机端输出控制指令控制激光器输出脉冲激光，将输出的脉冲激光经过准直之后入射到水体环境之中，大量光子被水体吸收或散射，散射回来的光子被多通道接收系统接收后通过光纤传输到apd自适应增益控制系统中，系统采集并处理自然水体的光散射强度，通过多次累积测量，并调整激光发射能量、频率以及apd的接收增益等参数，得到测量水域最佳的发射、接收系统参数，测量水域的归一化的自然水体信号特征，

20、步骤二，当探测设备进入尾流区域时，由大量光子组成的激光束与自然水体以及舰船尾流气泡表面发生碰撞，大量光子被自然水体、气泡吸收或散射，散射回来的光子被多通道接收系统接收后通过光纤传输到apd自适应增益控制系统中，根据步骤一得到的归一化自然水体信号特征，通过累积相关处理将自然水体的背景干扰滤除，获得极微弱尾流气泡散射信号。

21、步骤三，最后将信号输出至信号处理系统进行信号处理，经bnc线传输到示波器进行显示图像，最后显示探测信息，经过多次累积探测、处理、持续判断，实现对舰船尾流状态的检测，进而实现水下航行器跟踪舰船尾流。

22、进一步，所述步骤一由电脑上位机端输出控制指令控制激光器输出脉冲激光中，通过电脑上位机对激光器的开关、能量大小、重复频率等参数进行调节，将信息输送给综合处理与显控模块，综合处理与显控模块通过控制驱动模块与tec温控模块的电流实现对激光器开关、能量大小等参数的调节。

23、进一步，驱动电路按综合处理与显控模块输送的信息驱动激光器内部发射808nm泵浦光，泵浦光照射激光工作物质，延迟200μs后产生调q信号，由调q模块产生高压信号，控制产生1064nm激光，由opo倍频至532nm，经扩束准直系装置发射出去。

24、结合上述的技术方案和解决的技术问题，本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：

25、第一、针对上述现有技术存在的技术问题以及解决该问题的难度，紧密结合本发明的所要保护的技术方案以及研发过程中结果和数据等，详细、深刻地分析本发明技术方案如何解决的技术问题，解决问题之后带来的一些具备创造性的技术效果。具体描述如下：

26、本发明基于舰船尾流激光后向散射探测理论及尾流激光探测应用需满足的体积、尺寸、重量、高低温、抗载荷冲击等装载要求，设计了适合水下航行器装载的舰船尾流激光探测系统。在激光发射系统上，选取半导体泵浦固体激光器，并利用波束角与焦距、出光孔径的关系设计扩束准直系统，可实现激光发射能量、重复频率可控调节；在多通道接收系统上，采用多通道探测接收系统；在apd自适应增益控制系统上，利用数字电位器实现apd增益可控调节，可实现短脉冲、大动态激光回波的探测接收。

27、本发明通过利用舰船远场尾流气泡的mie后向散射特性，利用高灵敏、大动态激光探测装置探测舰船尾流气泡群，搭载于水下航行器上进而实现对舰船的准确打击。

28、本发明通过设计多通道分布接收技术与自适应增益调节模块，将apd自适应大动态范围高灵敏度探测与多通道分布接收相结合，结构设计较为简单，成本较低，可有效抑制海水的后向散射和提高舰船尾流气泡的探测信噪比，提升水下航行器在尾流制导中的可靠性和作战使用距离。

29、本发明将apd自适应大动态范围高灵敏度探测与多通道分布接收相结合，结构简单，且成本较低，可有效屏蔽近距水体强散射干扰，进而实现强混响背景下舰船尾流微弱气泡回波的高灵敏度探测。可在一定程度上代替距离选通模式。

30、第二，把技术方案看做一个整体或者从产品的角度，本发明所要保护的技术方案具备的技术效果和优点，具体描述如

31、本发明结构设计较为简单，成本较低，提高了强混响背景下离散、稀疏舰船尾流气泡的探测灵敏度，利用数字电位器设计了apd自适应增益可控调节模块，显著提升了大动态范围、强混响、强噪声背景下的探测系统的环境适应性及弱气泡尾流激光回波检测能力进而，提升水下航行器在尾流制导中的可靠性和环境适应性。

32、第三，作为本发明的权利要求的创造性辅助证据，还体现在以下几个重要方面：

33、(1)本发明的技术方案转化后的预期收益和商业价值为：本发明的技术方案已通过室内复杂水体背景下等效模拟舰船尾流气泡的测试验证，并通过外场湖泊环境下的测试，验证了技术方案的环境适应性，下一步将技术方案转化后，可形成水下激光探测系统中的大动态自适应控制与探测模组，应于船舶尾流检测、水下障碍物探测、渔网探测、水下地形地貌勘等领域，降低系统实施成本，提升系统的环境适应性及可靠性，具有广阔的商业价值。

34、(2)本发明的技术方案填补了国内外业内技术空白：当前，国内相关研究人员在舰船尾流激光探测方面，多采用距离选通成像、偏振检测以及脉冲激光后向散射的方式对舰船尾流进行探测，大多已设计出样机系统对舰船尾流气泡进行相应的探测实验，但取得效果较国外还有差距。具体的原因在于舰船尾流气泡稀疏、离散，激光探测回波信号微弱以及系统环境自适应能力差。本发明可将舰船尾流激光探测系统与水体环境、舰船尾流气泡目标之间的实现有效匹配，填补了长期制约强混响背景下微弱气泡高灵敏、大动态探测的技术空白。

35、(3)本发明的技术方案解决了人们一直渴望解决、但始终未能获得成功的技术难题：

36、本发明的多通道分布接收、自适应增益控制技术等手段，实现了尾流气泡激光回波弱信号处理，提升了大动态范围、强噪声背景下的弱气泡尾流激光回波检测能力，可快速推进尾流激光探测系统的工程化，解决了长期制约水下激光探测系统在强混响背景下极弱目标探测技术难题。