近岸渔网激光探测特性与实验研究_张鑫.pdf

第 44 卷第 3 期2023 年 3 月激光杂志LASE JOUNALVol.44，No.3March，2023http /www laserjournal cn收稿日期:20220921基金项目:国防科研基金(No 2019JCJQJJ056)作者简介:张鑫(1998)，男，硕士研究生，主要从事水下激光探测、光电对抗等方面的研究。Email:1714308601 qq com近岸渔网激光探测特性与实验研究张鑫1，宗思光1，余扬2，梁善永11海军工程大学电子工程学院，武汉430034;2武汉大学，武汉430070摘要:在近海岸复杂水体环境下，弱小渔网目标的探测、识别、定位具有较强的挑战性。针对以上问题，采用脉冲激光探测的方式，基于积分雷达方程，仿真分析了渔网目标倾角、探测距离和漫反射强度对接收回波能量的影响，搭建了渔网后向散射回波探测系统，对不同条件下的回波信号进行了验证分析。结果表明，探测距离 4 m 时渔网目标探测信噪比最高;随距离的增加，目标回波信号峰值幅度逐渐降低;目标倾角为正值的回波强度强于目标倾角为负值的回波强度。验证了脉冲激光探测技术在水下渔网探测理论及方法的可行性。可为水下渔网探测技术工程化提供支撑。关键词:积分雷达方程;渔网探测;激光雷达;仿真研究;实验研究中图分类号:TN249文献标识码:Adoi:10.14016/j cnki jgzz.2023.03.105Laser detection characteristics and experimental study of inshore fishing netZHANG Xin1，ZONG Siguang1，YU Yang2，LIANG Shanyong11Collegeof Electronic Engineering Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China;2WUhan University，Wuhan 430070，ChinaAbstract:In the complex water environment near the coast，the detection，recognition and positioning of weakand small fishing net targets are very challenging In view of the above problems，the paper adopts the pulse laser de-tection method，based on the integral radar equation，simulates and analyzes the influence of the fishing net target in-clination，detection distance and diffuse reflection intensity on the received echo energy，builds the fishing net back-scatter echo detection system，and verifies and analyzes the echo signals under different conditions The results showthat the signaltonoise ratio of fishing net target detection is the highest when the detection distance is 4m;With theincrease of distance，the peak amplitude of target echo signal decreases gradually;The echo intensity with positive tar-get inclination is stronger than that with negative target inclination The feasibility of the theory and method of pulse la-ser detection technology in underwater fishing net detection is verified It can provide support for the engineering of un-derwater fishing net detection technologyKey words:integral radar equation;fishing net detection;lidar;simulation research;experimental study1引言水下目标探测技术在海底地质勘探、水下避障及导航、水下障碍物定位搜索等军用和民用领域有着非常重要的地位和作用1。激光水下渔网探测可应用于水下 UUV 等平台的避障及导航，还可推广应用于防登陆障碍物的定位搜索。传统的水下目标探测方式主要依靠声呐探测技术2，在近海岸，针对复杂环境下渔网等防登陆障碍物的探测，受水体混响、目标声反射率低、目标空间尺度小等因素的影响，传统的声呐技术难以快速探测、识别、分析、定位，制约了船舶安全航行、船舶登陆等行动的展开3。目前水下弱小目标探测技术主要有声呐探测和光电探测两种途径4。声呐探测技术探测距离较远，但空间分辨力较差，难以完全适应弱小目标高分辨力http /www laserjournal cn探测的需要56;尽管光电探测技术存在光线在水中传输衰减较快等限制因素，但探测分辨力高，且输出图像直观，便于作业人员及时掌控水下情况，具有探测方向性精准，定位精度高，受水体温度和盐度变化的影响小78，能直接进行二维强度成像且成像分辨率高等优点，适合水下弱小目标探测910。以近海岸水下弱小渔网目标探测为背景11，采用脉冲激光探测技术实现水下渔网障碍物的探测。基于镜面目标与糙面漫反射目标的积分雷达方程，仿真研究了目标倾角、距离和漫反射强度对激光回波接收能量的影响。搭建了渔网后向散射回波信号系统，开展了不同角度和不同距离的激光雷达回波信号测试实验，对不同情况下的激光雷达回波信号进行了验证分析。通过实验得到渔网目标在 4 m 时探测信噪比最高，随距离的增加目标峰值幅度逐渐降低，目标倾角为正值的目标回波强度强于目标倾角为负值的目标回波强度的规律。验证了脉冲激光探测在水下渔网探测理论及方法的有效性。2积分雷达方程传统的激光雷达方程一般将目标置于距发射器足够远的位置并视其为点目标来处理12。把渔网视为线目标，将传统的点目标与扩展目标改为镜面目标与漫反射目标进行处理，可得到不受探测距离和目标尺寸限制的计算结果。2.1镜面目标雷达方程线目标无限长，发射波束扇角范围为，天线长度 d 有限，则Ej=aarctanz+d22arctanzd22()(1)线目标的长度 l 有限，发射波束扇角范围为，天线无限长，则Ej=aarctanzd2+2l2arctanzd22()(2)线目标无限长，发射波束扇角，天线无限长，则Ej=a(3)以上式中:Ej为接收天线的光能量值，a 是能量角密度;为发射波束扇角;d 为天线长度;z 为天线中心和发射点距离;l 为线目标长度;为目标距离。2.2糙面目标积分雷达方程严格遵循几何反射定律的理想镜面渔网目标只存在于理论模型中，而实际中碰到的往往是具有粗糙表面的漫反射渔网目标1314。其漫反射波束服从余弦相位强度的分布规律。其中二维空间积分雷达方程:Ej=1 21()2()()f()dd(4)式中:Ej为天线的接收值;()为发射光束的能量角密度;f()为散射强度相位函数;为发射波束倾角;为散射角。令()=1，=2+2，线目标上任一糙面元的局部散射相位强度函数15 为f()=12cos，2，2()0，其他(5)则全局散射相位函数 f()f()=f()=f 2+2()()(6)其中 m()=2，M()=2+。1()=tan1cot(cot+tan)zd2(cot+tan)()()(7)2()=tan1cot(cot+tan)z+d2(cot+tan)()()(8)式中:为目标倾角;为发射波束倾角;为散射角，d 为天线长度;z 为天线中心和发射点距离;为目标距离。将()，f()，1()，2()，1，2代入二次积分式Ej=1221sin t()2+2()()sin 0()2+2()()d(9)式中:Ej为天线的接收值;为目标倾角;为发射波束倾角;为散射角。3目标特性仿真研究目标特征的参量由目标距离、目标倾角 和目标表面的漫反射分布函数 f 决定。在非同轴系统16 的情况下，研究这些参量变化对天线能量接收值影响。在线目标正置(=0)情况下，研究目标距离 对601张鑫，等:近岸渔网激光探测特性与实验研究http /www laserjournal cn天线接收值影响。现在先固定 f()=12cos，2，2()不变，参数设置如下:()=1，1=1rad，2=1rad，f()=12cos，=0，z=5 m，d=1 m且 在 0 到 100 m 范围内变化，计算得到接收能量 Ej的曲线，如图 1(a)所示，Ej随 的增大先迅速增加，达到峰值后迅速下降，之后趋于缓和。当目标表面的漫反射相位强度函数 f()改变后，天线接收能量 Ej也会随之变化。选择相位函数 f()=cos(2)，4，4()即散射能量较集中(更接近镜面反射)的情况研究。其余参数保持不变，计算得到接收能量 Ej的曲线，如图 1(b)所示 Ej随 的增大先下降，后迅速增加，达到峰值后迅速下降，之后趋于缓和。(a)(b)图 1目标距离对接收能量的影响研究当 一定的情况下，Ej随 的变化。参数设置如下:()=1，1=1rad，2=1rad，f()=12cos，=10 m，z=5 m，d=1 m。且 在1rad 到1rad 内变化，计算出 Ej的变化曲线如图 2(a)所示。再选择相位函数 f()=cos(2)，4，4()的情况进行研究，计算出 Ej的变化曲线如图 2(b)所示。计算结果看似与镜面反射法则相左，按直观的推理，在上述参数条件下，Ej应在 的某个负值处取得极大值。为分析原因，选择两种相位分布函数，给出目标距离 =d 条件下的接收能量曲线，示于图 3(a)(b)，可见 Ej峰值对应的 确实小于 0。这是因为，当非同轴激光雷达系统发射扇形波束探测无限长线目标，若距离较远，目标倾角的变化会导致目标表面雷达照射区域的剧烈变化，造成天线接收的返回波束能量与镜面反射法则不一致的现象，而当距离较近时，目标表面雷达照射区域随目标倾角变化不大，所以又可用镜面法则给予一定程度的定性解释。再研究 和 的联合变化对 Ej的影响。参数设置如下:()=1，1=1rad，2=1rad，f()=12cos，z=5 m，d=1 m。(a)(b)图 2目标倾角对接收能量的影响701张鑫，等:近岸渔网激光探测特性与实验研究http /www laserjournal cn(a)(b)图 3目标倾角对接收能量的影响且 在1rad 到1rad 内变化，同时 在0 到100 m范围内变化，计算出 Ej的曲面图和伪彩图示于图 4和图 5。通过图 4、图 5 可知，接收能量伪彩图不对称，集中在近距离区域，线目标无论正置或者倒置，其接收能量随距离增加先升高再降低，但线目标正置时变化要比倒置时要大。图 4接收能量曲面再选 择 相 位 函 数 f()=cos(2)，4，4()的情况进行研究，计算出 Ej的变化曲线如图 6、图 7 所示。通过图 6、图 7 所示，其接收能量伪彩图同样也不对称，接收能量同样集中在近距离区域，当线目标正置时，在一定距离上其接收能量会出现负值情况，但线目标正置时接收能量变化要比倒置时要大。图 5接收能量伪彩图图 6接收能量曲面图 7接收能量伪彩图4激光水下渔网探测实验及分析通过以上仿真，设计实验系统对渔网进行探测。由于渔网在水中回波信号比较微弱，实验系统采用非同轴、高灵敏度 APD 的探测方式，可实现大视场17，高分辨力弱小渔网的激光回波检测，实验系统图如图8 所示。脉冲激光输出波长 532 nm，实验水池长 20 m。801张鑫，等:近岸渔网激光探测特性与实验研究http /www laserjournal cn实验室的水质浊度为 16.65NTU，可近似模拟我国近海岸水域水质。对渔网在不同角度和不同距离上进行回波强度检测，实验过程如图 9 所示。首先，在时，将渔网放置在 3 m10 m 的位置上分别测量，将其回波波形进行处理，得到的回波信号对比图如图 8 所示，其信号幅度峰值变化规律如图 9 所示。其次，将渔网放置在 3 m、4 m 的位置上，将其目标倾角按 rad，变化，信号幅度峰值变化规律如图 10(a)所示，脉冲宽度变化规律如图 10(b)所示。图 8目标回波信号探测实验系统组成图 9实验过程图由图 10、图 11 可知，信号在 3 m，4 m 幅值，脉宽变化明显，4 m 时探测信噪比最高，5 m，6 m 幅度变化不是很明显，但脉宽变化明显，7 m10 m 接近水体背景信号，由图 11 与仿真图像图 1(a)比较可知，仿真与实验回波信号幅值变化规律一致。图 10渔网与水体回波信号对比图 11渔网与水体回波信号峰值幅度对比由图 12(a)可知，3 m 时的峰值幅度要比 4 m 要大，且在 4 m 渔网倾角为负值时，接近水体背景信号。整体峰值幅度随目标倾角地增加呈上升趋势，且目标倾角为正值时大于为负值时，可与图 2 仿真相互验证。由图 12(b)可知，在 4 m 渔网倾角为 0 时的脉冲宽度最大，倾角为正值时大于倾角为负值时，倾角为负值时接近水体背景，在 4 m 整体脉冲宽度呈下降趋势，渔网倾角为负值时大于为正值时。(a)峰值幅度(b)脉冲宽度图 12目标倾角对接收信号的影响通过以上分析，在 010 m 采用非同轴复合探测模式可实现对微弱渔网目标的高信噪比探测，解决微901张鑫，等:近岸渔网激光探测特性与实验研究http /www laserjournal cn弱渔网目标低反射率与目标倾斜角度制约的难题，从而实现对微弱渔网目标高精度探测功能。5总结以近海岸复杂水体渔网目标探测为应用背景，基于镜面目标与糙面漫反射目标的积分雷达方程，通过仿真研究了渔网目标倾角、距离和漫反射强度对激光回波接收能量的影响。搭建了渔网后向散射回波信号系统，开展了不同角度和不同距离的激光雷达回波信号测试实验，对不同情况下的激光雷达回波信号进行了验证分析，渔网目标在 4 m 时探测信噪比最高，随距离的增加目标峰值幅度逐渐降低，目标倾角为正值时的目标回波强度强于目标倾角为负值时。验证了脉冲激光探测在水下渔网探测理论及方法的有效性，解决微弱渔网目标低反射率与目标倾斜角度制约的难题，从而实现对微弱渔网目标高精度探测功能。可为水下激光雷达渔网探测技术工程化提供支撑。下一步可通过对激光器参数控制和实验系统内部结构的改进来实现更远距离和更高精度的水下渔网探测。参考文献 1 强伟，贺昱曜，郭玉锦，等 基于改进 SSD 的水下目标检测算法研究 J 西北工业大学学报，2020，38(04):747754 2 黄海宁，李宇 水声目标探测技术研究现状与展望J 中国科学院院刊，2019，34(03):264271 3 王秀博 基于深度学习的渔网检测方法研究D 哈尔滨:哈尔滨工程大学，2019 4谭亚运 水下脉冲激光近程周向扫描探测技术研究 D 南京:南京理工大学，2017 5 刘陈 多波束系统、侧扫声呐与磁力仪在海底沉船探测中的比较分析 D 北京:中国地质大学(北京)，2015 6 李鹏，赵扬，周志权，等 一种跨介质的空中水下激光致声探测技术研究 J 红外与激光工程，2021，50(05):6371 7 刘怡华，郑华丹，谢戆志，等 光纤耦合的全固态中红外QEPAS 光声探测模块 J 光学学报，2021，41(20):216224 8 张硕 基于视觉的水下渔网检测及避障方法研究D 哈尔滨:哈尔滨工程大学，2020 9 刘广荣，黄睿，金伟其，等 水下探测光电成像技术及其进展 J 光学技术，2004(06):732734+737 10 杨露寒，张家振，徐煌，等 碳纳米管薄膜制备及其光电探测应用进展J 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