毕业设计（论文）基于载波技术的水下目标探测研究.doc

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1、教学单位 物电学院 学生学号 本科毕业论文基于载波调制技术的水下目标探测研究摘要：本文采取了一种基于载波调制激光雷达来探测水下目标的技术。技术主要以激光脉冲信号为载波，利用微波信号对激光脉冲信号进行调制，调制后，信息由激光脉冲信号携带进入水下探测，探测信号遇到目标返回。在接收端，通过频率滤波技术实现对水下目标回波信号的提取，通过相干的信号处理手段实现激光雷达水下目标的探测。本文首先对不存在载波的情况下的回波信号进行分析，发现由于散射信号过大湮没了目标信号；对存在载波信号的时域及频域回波信号进行分析，在调制频率为3GHz时的频域分析可以探测出海下目标。关键词： 载波调制；散射信号；回波信号；信号

2、处理Abstract: We take a carrier modulation technology which based on laser radar to detecting underwater target. We using the laser pulse signal as the main carrier, and using the microwave signal to modulate the laser pulse signal ,after modulated, the Information which carried by the laser pulse sig

3、nal went into the underwater to detect the target .The detectable signal will go back when meet the targets. In the receiver, through the frequency filtering technology to achieve the extraction of underwater target echo signal, through the coherence of the signal processing means to detect the unde

4、rwater target. Analyze the echo signal which without the carrier, find scattering signal was too big and has obliterated the target signal; Next to analyze the signal which with carrier and analyze the time domain and frequency domain of echo signal. Key word: Carrier modulation ；Scattering signal ；

5、Echo signal； Signal processing 目 录第一章：引言1第二章： 载波调制激光雷达技术概述22.1水的光学特性22.2现有探测技术概况52.3载波调制激光雷达的工作原理6第三章 水下目标探测仿真及分析83.1水后向散射激光雷达方程83.2未调制时水下目标仿真分析103.2.1时域分析103.2.2频域分析123.3调制后水下目标探测仿真分析143.3.1调制频率的选择143.3.2 时域分析163.3.3 频域分析203.3.4 信号处理24第四章：探测系统的构建314.1信号发射系统的设计314.2信号接收系统的设计334.3整体系统的构建355 结论37参考文献3

6、8致 谢39第一章：引言1963年，SASullian及SQDimfley1等人在研究光波在海洋中的传播特性时，发现海水对045055m波段内的蓝绿光的衰减比对其他光波段的衰减要小很多，衰减系数约等于10dBm，证实在海洋中亦存在一个类似于大气中存在的透光窗。依据上述物理现象，利用工作在蓝绿光波段的激光器，可研制出基于新的物理机理的水下目标探测、控制、通信等新型装备2，为解决长期以来困扰各国海军的对水下目标探测、通信等难题带来了新的希望3。因此，许多国家非常重视蓝绿激光在海军装备中的应用，美国、前苏联、澳大利亚等国投人了大批人力、物力，在蓝绿激光对潜通信、探测探雷、测深、水下传感装置、海基光控

7、武器系统4等方面进行了概念验证与试验研制，并在一些重点应用方向上，取得了突破。早在上世纪60年代，国外就开始探索激光探测的可能性，在1963-1967年，美国埃塞俄洲大学实验室进行了一系列实验和理论研究，确定了机载雷达探测水下目标的可行性5。美国、加拿大和澳大利亚等国家先后研制和测试了第一代激光水下测量系统，其中美国的AOL系统拥有扫描和高速记录水下探测数据功能6。1968年，美国Syracuse大学建造了世界上第一个激光海水深度测量系统，首次阐明了激光水下探测的可行性。此后，美国海军研制成功了机载脉冲激光系统（PLMS），并于1971年进行了测试。20世纪70年代末，加拿大CCRSZ组织研制

8、了低功率氦氖激光水下测量系统MK-1和第二代系统非扫描激光雷达MK-2。瑞典国防研究所研制成功的直升机机载水下探测FLASH系统和相关水质参数测量仪HOSS，1980年进行了首次实验，探测能力为7-12个衰减度7。80年代末期，美国推出“魔灯-90”激光水下目标探测系统，在1991年的海湾战争中参与排雷工作。80年代后期，瑞典与加拿大公司联合研制的“鹰眼”机载雷达激光水下目标探测系统具备了探潜和海深测量的双重功能，已于1994年交付瑞典海军使用。法国在美、加、奥的基础上，运用最新技术，研制出HOMSON SINTRA ASM水下目标探测系统，在1992年进行了首次实验。欧美国家在近几十年来都建

9、立了水下光电探测研究系统，并且已经广泛运用于军事和民用领域。我国在20世纪80年代和90年代8、开展了蓝绿激光的水下特性研究及蓝绿光LiDAR系统研究、蓝绿水下通信研究。以华中科技大学为主，研制了机载激光雷达海洋探测CALYT系统。在“863”计划中也明确制定了机载激光测探技术的研究目标，华中理工大学对蓝绿光LiDAR系统的研究比较丰富，进行了航测试验，取得了大量成果。本文根据蓝绿激光在水下信道传输的相关特点，并结合微波雷达的探测优势，介绍了一种基于载波调制激光雷达探测水下目标的技术。该技术主要以激光脉冲信号为载波，利用微波信号对激光脉冲信号进行调制，调制后的信息由激光脉冲信号携带进入水下探测

10、，探测信号遇到目标返回。在接收端，通过频率滤波技术实现对水下目标回波信号的提取，通过相干的信号处理手段实现激光雷达水下目标的探测。第二章： 载波调制激光雷达技术概述2.1水的光学特性（1）水的光吸收特性 在描述水光吸收特性时引入吸收系数，其定义为单色准直光在水介质中传输，当通过路程为dr时，由于吸收而引起辐射通量的损失为dF；dF=-Fdr。其比例系数为水的吸收系数。水的吸收主要由纯水、被溶解物、浮游生物等引起。吸收系数的大小依赖于波长。对清澈的大洋水，吸收最小的光波波段为450-480nm，对浑浊水为530nm-570nm。吸收谱的形状决定于被溶解物和悬浮物之间的比例。本文中假定水介质为均匀

11、分布的各向同性介质，且激光无频率飘移，因而可以将水介质的吸收系数视为常数。（2）水的光散射特性 水的光散射是水的另外一种重要光学效应。从微观机理上看，散射使光子的路径发生变化；从宏观上看，散射反映为使光在空间和时间分布上发生复杂变化。水的散射是由于水中的粒子造成的，水中的粒子尺寸范围很广，小的是水分子，其直径比可见光波长小几百倍；大的从复杂的可溶性物质的分子到悬浮的颗粒与生物组织，粒子直径大小由纳米到厘米量级。粒子的散射特性与粒子直径相对于光的波长之比密切相关。水对光的散射比较复杂，可以认为主要由两部分组成：一部分是由介质本身引起的，即水分子以及比光波长小得多的无吸收粒子引起的分子散射，它可以

12、用瑞利(Rayleigh)9-10理论进行描述；另一部分是由大小接近入射光波长的悬浮粒子引起的，属于米氏(Mie)散射范畴。水中的分子散射主要是指水分子的散射。分子半径远小于入射光波长的分子散射，可以用瑞利散射定律来描述。在可见光范围，可以计算出水分子的瑞利射系数，约为量级。对于波长较长的入射光，水分子的散射迅速减小，这是因为水分子散射向可见光谱中的短波方向增强。但是，分子散射即使在很清澈的水中，也只是占水的蓝绿光窗口总衰减的很小一部分，在其它光谱上则更无意义。水的分子散射实际上是基本不变的，水散射特性的变化将基本依赖于水中悬浮粒子的成分和数量。大粒子的散射问题是由米氏解决的，悬浮粒子大小的分

13、布和水中粒子的浓度决定了米氏散射的大小。根据许多调查的结果，由于水浑浊度不同，其粒子散射一般在量级。对于很清澈的大洋水，粒子散射值约为0.02，而对于近岸水其粒子散射系数一般为0.15，变化范围很大。粒子散射的变化基本上决定着水散射特性的变化。这一方面是因为水的分子散射是固定不变的，更重要的是因为水的分子散射即使在很清澈的水中对总散射的贡献也很小，一般不超过总散射的十分之一。所以，粒子大小和浓度分布的任何变化都会造成水散射和衰减特性发生变化。水散射随深度的变化较大的特性，就是因为不同深度的悬浮粒子大小和浓度的分布变化造成的。米氏散射系数是入射光波长的函数，如果水中的粒子的大小都相同，理论上可以

14、找到一个散射最小的最佳波长。但是在所有的水中，由于粒子大小的分布范围很广，因此水的散射系数也就并不密切依赖于波长。同时，对于大粒子来说，其散射界面基本上与入射光波长无关，而且水在蓝绿窗口外的极大吸收也将最终减弱或消除蓝绿窗口外的所有的散射光。入射到水中的光束受到散射的作用，其光能量将分布在很宽的角度范围内。因此，散射光的强度随入射角而变化的函数关系就显得十分重要。与纯水相比，水的体积散射函数与散射角度的关系十分密切，最重要的特点是水的散射都具有很相似的前向散射峰值。虽然水粒子散射使后向和侧向散射比纯水都增加了一些，但增加最多的是在前向散射区域，即水都存在着一个尖锐的前向散射区域。对于多种自然水

15、，尽管它们的浑浊度、盐度、地理区域等方面有所不同，但它们的体积散射函数在前向散射区域的图形都极为相似。这里需要特别指出的是，虽然水的后向散射相对于其尖锐的前向散射要小许多，但对于机载激光测深来说，激光入射到水面下一定深度内的水的后向散射强度仍远远高于海底返回的光信号，它的存在会对机载激光测深系统的工作造成很大困难，需要采取有效的措施予以抑制。光在水中传播时，会遇到许多散射粒子而不断被散射，所以非散部分的直射光将变得越来越少。水中传输的光被散射粒子散射而偏离光轴，经过二、三、四等多级散射后，部分光子又能重新进入光轴，这一部分光就被称为多次散射光。从理论上讲，入射到水中每个体积元的光能都会按照体积

16、散射函数向各个方向散射，水中每个体积元都会接收到其他任意体积元散射的光。由于水具有的尖锐前向散射区域，大部分光还是沿着光的传输方向。但随着光的传输距离增加，光的直射部分将逐渐减少。当传输路程足够长时，在传输方向没有遇到散射而到达的光会迅速减少，多次散射光将逐渐占据主导地位。根据国外的研究表明，当光在水中传输1.3个衰减长度以后，直射光和散射光各占一半；而当传输11.2个衰减长度后，则基本为散射光，直射光只占很少的一部分。虽然散射光是发散的，但在靠近光束中心处的光仍然较强，这说明多次散射仍保留着较强的前向散射特性。这部分光对于激光在水中的能量传输十分重要，多次散射光在机载激光测深中增加了到达海底

17、的光能量，从而增加了返回的光信号强度。但另一方面，由于多次散射光子的传输路径要比几何路径长，这样就会造成脉冲激光的时间展宽，即多通道效应，从而导致测深精度的降低。（3）水中光传输的总衰减特性光在水中的衰减来自两种不同的过程:吸收和散射。吸收是一种光能转换成其它形式能量的过程，而散射是使光在传播中被发散而使传输方向的光能不断减少的过程。这两者共同作用的结果使光在传输过程中不断地减弱。对于大洋型海水，透射率的峰值位于460nm波长处，衰减系数约为0.05。随着浑浊度的增加，透射率的最大值向长波方向移动。这主要是由于水中黄色物质等因素的选择性吸收的结果。近海海水的透射峰值波长位于550nm左右，衰减

18、系数约为0.2。水的衰减系数与水中的浮游生物浓度、水中的悬浮粒子、盐分及温度有关。因此，不同海域、不同气侯特征,衰减系数值就有可能不同。2.2现有探测技术概况为了验证载波调制激光雷达探测系统的探测效果，近10年来陆续有试验研究被报道。美国费城Drexel大学的MULLEN等人9先后进行了多次试验，包括计算机仿研究，以及利用光纤模拟水信道环境进行的后向散射研究试验，还有在大西洋进行的载波调制激光雷达系统实地探测试验。通过这些研究，MULLEN等人提出了该技术对后向散射的抑制可达到20dB以上的结论10。2002年法国PELLEN等人宣称进行了载波调制激光雷达系统的水槽实验11，激光脉冲进行了1.

19、5GHz的载波调制，利用添加粘土粉末的方法改变水质参量，实验验证了该方法在衰减系数不同的水中，都具有显著抑制后向散射的作用，目标对比度获得了显著增强。实验研究中发现，载波调制脉冲激光雷达系统的技术关键，在于可调制激光器的研制。典型的激光雷达实验系统采用的是窄脉冲激光器。通常的激光雷达的激光脉宽范围是5ns-20ns,如果需要这样的脉冲上加载几个微波脉冲，则意味着调制频率要达到吉赫兹的数量级。目前有4种调制方法。（1） LD直接调制。LD直接调制方法通过调节注入电流的方式调制LD的输出光强，说以简单、方便。由于LD的注入电流和输出功率之间的关系是非线性的，该方法只能在特定的带宽范围内使用，以免在

20、输出信号中引入非线性噪声。（2） 外调制。通过电子器件驱动光学LiNbO3相位调制器，当激光光束经过相位调制器即被调制。外调制方式复杂、费用高、光损耗较大，但可以达到很宽的调制宽度。（3） 锁模。利用谐振腔内一个受外部信号控制的调制器，用一定的调制频率周期性的改变谐振腔的损耗或光程（谐振调制和相位调制）。当选择的调制频率与纵模的频率一致。由于模之间的相互作用，使所有的模在足够强的调制下达到同步，各模将会发生相干叠加，形成锁模序列脉冲。相对外调制激光器和直接调制激光器，锁模激光器的相对噪声要低约5dB，并能产生功率更高的输出调制信号。目前设计出的4电极锁模激光二极管脉冲重复频率接近40GHz。激

21、光锁模方式带宽极窄，直接用于频率调制效果不佳。（4） 两束单模激光外差法。用两个相同的光学谐振腔分别输出单模激光，当两束激光被混合、耦合进入单模光纤，发送到高速光电二极管中，由于光信号的自外差，产生微波信号。激光外差方法带宽很宽，若频率足够稳定，是较理想的可调微波副载波的产生方式。由于激光器的本身的特性，输出信号会产生相位噪声。2.3载波调制激光雷达的工作原理时间门控方法利用多重散射和没有发生散射的光子返回接收器的时间不同这一现象，对两者进行分辨，将这样的思想应用于频域，利用调制光学信号在相位上的差异来实现分辨多次散射的光子和没有发生散射的光子。经历了多次散射的光子导致了发射脉冲的时间扩展，在

22、频域中，这种现象转化成高频信息的损失。没有发生散射的光子无失真的通过传输介质，保持了发射脉冲中存在的所有频率成分12。通过采用适当的调制频率，调制光学信号幅度和相位上的差异能将散射程度较大的光子与未经散射和最低限度散射的光子相区分。在激光雷达水下探测中，水后向散射信号的频域响应近似于低通滤波器响应，即主要存在于低频区域，当频率大于某个特定值后响应曲线幅度迅速减小，该频率称为水后向散射信号的截止频率。据研究，截止频率一般在2MHz10MHz的范围内，较为清澈的水中，其数值更小13。MULLEN等人14建立的水后向散射模型和水下目标信号模型较直观地说明了这一问题，该模型的激光雷达回波信号幅频响应曲

23、线如下图所示：目标反射Ht(f)幅频响应曲线/dB后向散射Hb(f)频率/Hz 图1 激光雷达回波信号的幅频响应曲线应用载波调制方法时，调制频率应远大于后向散射信号频域响应曲线的截止频率，一般取值在之间。这样，载波调制激光雷达系统的后向散射信号由于高频部分受到抑制，所以表现出低频特性。而直接由水下目标产生的回波信号能保持与探测信号一致的频域特性，是高频信号15。因此，目标信号和后向散射噪声在频域特性上得到显著区分。频域滤波法的信号处理流程图如下图所示。图2频率滤波方法的信号处理示意图载波调制光信号的水后向散射信号和水下目标反射信号的频域响应示意图如下图所示。b0mRt(t)图3载波调制脉冲激光

24、雷达系统接收信号的频域响应曲线a水后向散射信号的频谱b目标反射信号的频谱图3反映了两种信号在频域上的能量分布情况。图3a为水后向散射信号的幅频响应曲线，其能量主要集中在低频部分，相比之下，高频部分的能量极为微弱，在高频无法分辨出目标信号。图3b为目标反射信号的幅频响应曲线，该响应曲线保持了探测信号中的所有频率成分，即调制频率fm、调制前的脉冲频率1/及各次谐波分量，因此在fm处存在一个能量较高的峰。图3直观说明了当调制频率远高于截止频率时，利用带通滤波器就能抑制后向散射产生的噪声干扰，而目标反射信号不受太大影响。根据图2所示的方法和图3的幅频响应曲线，用一个高速调制器，将微波副载波加载到光脉冲

25、上，使载波光脉冲可以携带微波信号在水下传输，经过水下目标反射，被一个高速光电探测器所接收，就形成了载波调制激光雷达系统。在接收端，系统接收信号由光学接收器输出后，被分为两路，一路经过低通滤波器,滤除保留了调制特性的信号，另一路经过中心频率等于调制频率的带通滤波器，滤除散射噪声。两路信号在数字示波器的两个独立通道上被同时显示和数字化，可以分别检测到传统的激光雷达信号和调制脉冲信号。最后，由计算机对探测数据进行收集、存储和分析。该系统可以实现水下目标的探测和测距。第三章 水下目标探测仿真及分析3.1水后向散射激光雷达方程激光雷达方程在实际应用中，需要考虑背景噪声，如进入光学接收器的水后向散射光、海

26、平面反射光、阳光等。在此引入水后向散射激光雷达方程，即系统同时接收了目标反射信号和水后向散射信号的激光雷达方程。根据水粒子后向散射叠加模型，知水后向散射系统的系统函数为： （1）根据目标反射模型，知水下目标反射系统的系统函数为： （2）式（1）表示单个光子在水中发生N次后向散射的回波能量叠加。其中，N为单个光子在水中传输时发生的总散射次数，为光子发生第i次后向散射时的后向散射系数，它可以近似为一个常数，表示光子在时刻发生第i次后向散射，i的取值为1N，a为水衰减系数，v为光在水中的传输速率；式（2）表示单个光子在时刻遇到水下目标后的反射回波能量。其中，表示遇到水下目标的时刻，表示目标反射率。由

27、式（1）可知水时域中的光学特性主要表现在水后向散射能量是大量不同时刻的光子后向散射回波能量的叠加；由式（2）可知光子与目标的相互作用（主要是反射作用）在于相互“碰撞”的瞬间作用。综上所述，对于发射信号而言，整个机载激光雷达水下探测模型可以简化成水后向散射叠加模型和水下目标发射模型，同时要考虑机载激光雷达的效率、接收视场角等因素，得到系统函数为： （3）则光探测器探测到的激光雷达回波信号为： （4）其中：P（t）是发射信号；光接收系统效率；是光接收器的有效接收面积，即，D为光学接收装置有效孔径；表示为卷积算子；R表示探测距离，它可被看作是一个常数，因为飞机的高度要远高于水深；单个散射体的反射率为

28、，目标的反射率是，由水下散射和吸收造成的能量衰减系数组合起来为a；F为由接收视场、目标投影面积和激光束光斑大小共同决定的因子，称之为截获因子。对式（1）和式（2）做傅立叶变换可得到水及水下目标的频域特性的系统函数： （5） （6）在用matlab工具仿真时所取的参数为：水衰减系数： a0.15； 水中光速： v2.25m/s；后向散射总次数： N=； 水后向散射系数：0.0027；水下目标反射率： 0.01； 目标深度： 50ns；水深度： 100ns； 水折射率： n=1.341。（注：这里目标深度和水深度以时间表示是为了方便计算，实际上深度应为时间与速度的乘积。）3.2未调制时水下目标仿真

29、分析3.2.1时域分析用matlab仿真软件进行仿真，可以得到下面关于未调制激光水后向散射信号和水下目标反射信号的时域图形。其程序和仿真图分别如下：程序一：a=0.15;%水衰减系数，单位1/m；v=2.25*(108);%水中光速，单位m/s；N=1000;%后向散射总次数；p=0.0027;%水后向散射系数；pt=0.01;%水下目标反射率；tt=50*(10(-9);%目标深度，单位s,又可为50ns;td=100*(10(-9);%水深度，单位s,又可为100ns;P0=2*(106);%激光脉冲峰值功率，单位W;tp=10*(10(-9);%脉宽，单位s,又可为10ns;lv=0.4

30、5;%光学系统效率；F=50*(10(-3);%接收视场角，单位rad,又可为50mrad;Ar=50*(10(-6);%光电探测器有效接收面积，单位m2,又可为50mm2;R=500;%飞机的飞行高度，单位m;A=lv*F*Ar/(R2);t=0:10(-9):100*(10(-9);Pdi=0;for i=1:NPdi=Pdi+P0*A*p*exp(-2*a*v*td*i/N).*(stepseq(109)*td*i/N,0,100)-stepseq(td*i/N+tp)*(109),0,100);end%未调制时水后向散射回波信号（时域）；Pdt=P0*A*pt*exp(-2*a*v*t

31、t).*(stepseq(tt*(109),0,100)-stepseq(tt*(109)+tp*(109),0,100);%未调制时水下目标回波信号（时域）；subplot(2,1,1);plot(t,Pdi); %未调制时水后向散射回波信号的时域包络；title(未调制时水后向散射和水下目标反射信号时域包络分析);xlabel(Time /s);ylabel(Backscattering power of the seawater /w);subplot(2,1,2);plot(t,Pdt); %未调制时水下目标反射信号的时域包络；xlabel(Time /s);图4 未调制时水后向散射信

32、号和水下目标反射信号时域分析通过上图的仿真结果，我们可以得出以下结论：（1）水后向散射信号的功率比水下目标回波信号的功率高出很多；这也就告诉我们如果就这样直接采用脉冲激光探测，则水后向散射信号将会淹没水下目标的返回信号。（2）随着水深度的增加，被光电探测器所探测到的水后向散射信号强度先增加到达一个极大值，然后按指数衰减；这是由于当10ns的激光脉冲完全进入水里时，接收到的水后向散射信号强度最大。（3）当目标深度不变时光电探测器探测到目标回波信号的功率，从接触到目标的时刻起在随后的一个脉冲时间宽度内的功率峰值不变；这是由于我们的目标模型只考虑了其反射特性的缘故。3.2.2频域分析首先，分析未调制

33、激光的水后向散射信号和水下目标反射信号的频域响应特性。水后向散射信号的频谱： （7）水下目标反射信号的频谱： （8）用matlab工具可以得到下面关于未调制时水后向散射信号和水下目标反射信号的频域图形。其程序和仿真图如下：程序二：a=0.15;%水衰减系数，单位1/m；v=2.25*(108);%水中光速，单位m/s；N=1000;%后向散射总次数；p=0.0027;%水后向散射系数；pt=0.01;%水下目标反射率；tt=50*(10(-9);%目标深度，单位s,又可为50ns;td=100*(10(-9);%水深度，单位s,又可为100ns;P0=100*(106);%激光脉冲峰值功率，单

34、位W;tp=10*(10(-9);%脉宽，单位s,又可为10ns;lv=0.45;%光学系统效率；F=1;%截获因子;D=0.5;%光电探测器有效接收孔径，单位m,又可为500mm;Ar=0.25*pi*(D2);%光电探测器有效接收面积，单位m2;R=500;%飞机的飞行高度，单位m;A=lv*F*Ar/(R2);t=0:0.1*10(-9):100*(10(-9);Hdb=0;for i=1:NHdb=Hdb+P0*A*p*exp(-2*a*v*td*i/N).*(stepseq(10*(109)*td*i/N,0,1000)-stepseq(10*(td*i/N+tp)*(109),0,

35、1000);end%未调制时水后向散射回波信号（时域）；Hdt=P0*A*pt*exp(-2*a*v*tt).*(stepseq(10*tt*(109),0,1000)-stepseq(10*tt*(109)+10*tp*(109),0,1000);%未调制时水下目标回波信号（时域）；%利用快速傅立叶fft变换计算频谱包络；FF=fft(Hdb);PP=fft(Hdt);dt=t(2)-t(1);df=1/dt;f=df*(1:1001)/1001;subplot(2,1,1);plot(f(1:900),abs(FF(1:900); %水后向散射信号的频谱包络；title(未调制时水后向散射

36、信号和水下目标反射信号频域分析);xlabel(Frequency /Hz);ylabel(Backscattering of the seawater /w);subplot(2,1,2);plot(f(1:900),abs(PP(1:900); %水下目标反射信号的频谱包络；xlabel(Frequency /Hz);ylabel(Reflecting of the Target /w);图5未调制时水后向散射信号和水下目标反射信号频域分析通过以上图形可以看出在光脉冲信号频谱中，低频噪声干扰信号为主要部分，它严重地掩盖了目标反射信号，不容易将水下目标反射信号和水后向散射干扰信号分离出来。3

37、.3调制后水下目标探测仿真分析3.3.1调制频率的选择激光雷达由于采用蓝绿光可以使信号很好的穿透水体，这在探测水下目标的领域具有很大的优势。但是基于相干探测的技术却不能在激光雷达上得到应用，这是因为光信号在穿透水体的过程中其相干特性会迅速消失。这些不利因素都将导致探测系统的灵敏度和水下目标信号的对比度减弱。在另一方面，微波雷达被广泛地应用于地面、空中和海面上远距离目标搜索的领域。微波雷达技术在其发展历史上经历了很多次技术改良，包括精密复杂的相干探测技术的出现，使得微波雷达技术在探测方面拥有很多的优点。然而微波雷达的这些优点都不能直接应用于水下探测，这是因为微波信号不能穿透水体。因此，现在产生了

38、一种将激光雷达和微波雷达技术相结合的系统，这种新的探测系统也叫载波调制激光雷达系统，它实现了对传统激光雷达在探测和测距上分辨率及灵敏度的提高。在这里我们可以用一个激光器产生一个载波光信号，用一个微波发生器产生一个编码了的微波信号，再由一个调制器进一步将微波信号调制到载波光信号上，从而可以产生调制激光信号。当用调制频率为fm，调制深度为m的余弦调制信号来调制光脉冲信号时，可以得到经过调制了的光脉冲信号为： （9）其中：为激光的峰值功率；为脉冲的宽度，这里取10纳秒；调制深度m为调制器对激光脉冲峰值的调制能力，m的大小通常在0100%之间。在载波调制的过程中调制频率fm的选取是非常重要的，它直接关

39、系到我们探测能力及目标分辨率的提高，并且对于水后向散射的抑制是有很大帮助的。 由前面可知： 上式可以变形为： （10）其中：为发射信号；是由水体产生的时域响应，它包含了后向散射部分和目标部分；探测时间为L/v，L为对应的水下探测深度；v为光在水中传播的速度；在这里可以看着一个常数，近似为。当载波调制激光信号的调制频率为：3Hz，调制深度为：m=0.9时，我们可以得到调制后的激光脉冲信号如下图所示：图6调制后的激光脉冲信号 由上图可知调制后的激光脉冲信号拥有近30个包络信号，光脉冲信号能量较高，同时频率达到了预定探测的要求，可以利用该激光脉冲信号来进行水下目标的探测。3.3.2 时域分析载波调制

40、后的激光脉冲信号发射出去以后，在接收端可以接收到由水中返回的载波调制激光信号为： （11）此回波信号包含了原始的未经过调制的激光雷达产生的回波信号，和一个表现了与水体进行作用了的微波包络信号。 （12）其中：和为相位量，分别表示微波雷达信号在水体微粒和水下目标作用时产生的相位延迟。整个叠加的作用表现在微波包络信号的累积上，其相位延迟是随机性的。为了仿真时的方便，并且使图形更加直接简单、便于分析问题，我们根据上述分析可以将水后向散射回波信号和水下目标回波信号的时域方程分别来表示，各自进行仿真。 此时调制激光脉冲水后向散射回波信号为： （13）调制激光脉冲水下目标回波信号为： （14） 对于载波调

41、制激光脉冲信号中的单个子脉冲来说，它的水后向散射回波信号的程序与时域仿真图形如下所示：程序三：a=0.15;%水衰减系数，单位1/m；v=2.25*(108);%水中光速，单位m/s；N=1000;%后向散射总次数；p=0.0027;%水后向散射系数；pt=0.01;%水下目标反射率；tt=50*(10(-9);%目标深度，单位s,又可为50ns;td=100*(10(-9);%水深度，单位s,又可为100ns;P0=2*(106);%激光脉冲峰值功率，单位W;tp=10*(10(-9);%脉宽，单位s,又可为10ns;lv=0.45;%光学系统效率；F=1;%截获因子;D=0.2;%光电探测

42、器有效接收孔径，单位m,又可为200mm;Ar=0.25*pi*(D2);%光电探测器有效接收面积，单位m2;R=1;%飞机的飞行高度，单位m;A=lv*F*Ar/(R2);fm=0.5*(109);%调制频率,单位Hz;m=0.9;%调制深度；t=0:10(-9):100*(10(-9);P1=0;for i=1:NP1=P1+(1+m*cos(2*pi*fm*(t-td*i/N).*exp(-2*a*v*td*i/N).*(stepseq(109)*td*i/N,0,100)-stepseq(td*i/N+tp)*(109),0,100);endPmb=P0*A*p*P1;%水后向散射回波

43、信号；P2=exp(-2*a*v*tt).*(1+m*cos(2*pi*fm*(t-tt).*(stepseq(tt*(109),0,100)-stepseq(tt*(109)+tp*(109),0,100);Pmt=P0*A*pt*P2;%水下目标回波信号；subplot(2,1,1);plot(t,Pmb); %水后向散射信号的时域包络；title(调制后水后向散射信号和水下目标反射信号时域分析);xlabel(Time /s);ylabel(Backscattering of the seawater /w);subplot(2,1,2);plot(t,Pmt); %水下目标反射信号的时

44、域包络；xlabel(Time /s);ylabel(Reflecting of the Target /w);图7调制后水后向散射信号和水下目标反射信号的时域分析微波调制后探测信号的时域分析：（1）采用微波调制后，水后向散射回波信号的功率随水深度的增加先增大，达到某一极大值后按指数衰减，这与未调制时的情形相似；调制频率fm越高，水后向散射信号的曲线越趋于平滑，曲线纹波越小，这是由于调制频率越高，激光脉冲包含的子脉冲也越多，它们的回波信号叠加越充分，曲线也就越平滑；水后向散射回波信号功率峰值点对应的水深位置不变（在相同的水介质条件下），其功率峰值大致相同。（2）调制深度只影响水后向散射回波信号

45、在各处的波动程度，不影响水后向散射回波信号的功率幅值；调制深度越大，波动越大，这是由于调制深度越大，单个子脉冲的幅值也越大，它们的回波信号的波动也越大，使得叠加后的曲线不平滑，波动较大。（3）水深度变化时，水后向散射信号功率峰值不变，它们的区别在于信号曲线下的面积不等，水越深，其回波信号曲线显得越宽，所包含的面积也越大。这是由于水越深，光在水中的传输时间就会延长，使得信号曲线变宽。（4）当发射脉冲的峰值功率不变时，脉宽越宽，水后向散射信号功率峰值越大，同时峰值对应的水深也越深，这是由于脉宽越宽，所包含的子脉冲个数也就越多，叠加后的峰值也就越大。（5）调制频率越高水下目标回波信号所包含的子脉冲个数也就越多；回波信号宽度不变；接收到回波信号的时刻不变；目标回波信号功率峰值不变。（6）调制深度越大，水下目标回波信号功率越高，持续时间不变。这是由于调制深度越大，所包含的子脉冲的幅值也就越大，使得水下目标回波信号功率越高。（7）随着目标深度的增加，调制激光脉冲的水下目标回波信号功率幅值按指数逐渐衰减。（8）当发射脉冲的峰值功率不变时，脉宽越宽，则目标回波信号持续的时间越长，其峰值功率相同，探测到目标的时刻相同。由调制激光脉冲的回波信号时域分析可知，在时域中水后向散射信号的功率幅值比水下目