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复杂水文微弱多目标 探测仿真与实验

宗思光 杨劭鹏 张鑫 彭丹 段子科 陈报

宗思光, 杨劭鹏, 张鑫, 彭丹, 段子科, 陈报. 复杂水文微弱多目标 探测仿真与实验[J]. , 2024, 17(3): 560-571. doi: 10.37188/CO.2023-0141
引用本文: 宗思光, 杨劭鹏, 张鑫, 彭丹, 段子科, 陈报. 复杂水文微弱多目标 探测仿真与实验[J]. , 2024, 17(3): 560-571. doi: 10.37188/CO.2023-0141
ZONG Si-guang, YANG Shao-peng, ZHANG Xin, PENG Dan, DUAN Zi-ke, CHEN Bao. Simulation and experiment of weak multi-target laser detection in complex hydrology[J]. Chinese Optics, 2024, 17(3): 560-571. doi: 10.37188/CO.2023-0141
Citation: ZONG Si-guang, YANG Shao-peng, ZHANG Xin, PENG Dan, DUAN Zi-ke, CHEN Bao. Simulation and experiment of weak multi-target laser detection in complex hydrology[J]. Chinese Optics, 2024, 17(3): 560-571. doi: 10.37188/CO.2023-0141

复杂水文微弱多目标 探测仿真与实验

基金项目: 国防科研基金(No. 2019-JCJQ-JJ-056)
详细信息
    作者简介:

    宗思光(1979—),男,河南开封人,博士,2009年于海军工程大学获得工学博士学位,海军工程大学电子工程学院副教授,主要从事下 探测、 通信、 致声等方面的研究。E-mail:41119749@qq.com

    张 鑫(1998—),男,山东临沂人,硕士,2023年于海军工程大学获得工学硕士学位。海军航空大学助教,主要从事 探测等方面的研究。E-mail:1714308601@qq.com

  • 中图分类号: TN249

Simulation and experiment of weak multi-target laser detection in complex hydrology

Funds: Supported by The National Defense Foundation of China (No. 2019-JCJQ-JJ-056)
More Information
  • 摘要:

    为了探究在近岸复杂水体中 探测对微弱目标的探测能力,研究水质、目标特征、目标距离对水下 探测的影响具有重要理论和应用价值。论文建立了水下微弱目标 探测模型,采用蒙特卡洛仿真验证了不同浊度微弱多目标 探测性能,模拟了不同距离下微弱目标的 后向散射回波信号,对多个不同反射系数的目标后向散射回波特性进行了分析。同时设计并研制了灵巧便携式水下微弱目标 探测系统,进行了实验室及外场湖泊环境下的多目标探测、测距测试验证。在浊度为12.87 NTU的近岸湖泊水域,该系统可在10 m范围内对3~4个直径为80~400 μm的不同低反射系数的混合小目标进行有效探测,平均测量误差为±0.11 m,与理论仿真结果一致。本文研究结果可为蓝绿 水下多微弱目标探测链路计算、系统设计及参数优化提供参考,可以支撑近海浑浊水体下水下障碍物 探测工程实践。

     

  • 图 1  单目标测距

    Figure 1.  Single target ranging

    图 2  多目标测距

    Figure 2.  Multi-target ranging

    图 3  光子模拟运动程序

    Figure 3.  Program of photon simulation motion

    图 4  不同水质、不同距离下单个目标 后向散射峰值图

    Figure 4.  Laser backscattering peak values of a single target at different distances under different water quality conditions

    图 5  不同浊度下三目标回波信号图

    Figure 5.  Echo signal diagrams of three targets with different turbidity values

    图 6  不同反射率目标回波信号图

    Figure 6.  Echo signal diagrams of target with different reflectance values

    图 7  不同浊度下四目标回波信号图

    Figure 7.  Echo signal diagrams of four targets with different turbidity values

    图 8  多目标探测系统组成图

    Figure 8.  Composition of laser detection system for multi-target

    图 9  试验样机

    Figure 9.  Experimental prototype

    图 10  系统信号处理模块组成

    Figure 10.  Composition of system signal processing module

    图 11  测距算法原理图

    Figure 11.  Principle diagram of ranging algorithm

    图 12  探测系统工作流程图

    Figure 12.  Working flow chart of detection system

    图 13  近岸实验场景

    Figure 13.  Nearshore experimental scenarios

    图 14  某湖泊多目标 探测实验系统

    Figure 14.  An experimental system for multi-target laser detection in a certain lake

    图 15  三目标探测原始回波信号图

    Figure 15.  Original echo signal diagram for three target detection

    图 16  峰值提取信号图

    Figure 16.  Peak extraction signal diagram

    图 17  四目标探测原始回波信号图

    Figure 17.  Original echo signal diagram for four-target detection

    图 18  峰值提取信号图

    Figure 18.  Peak extraction signal diagram

    图 19  不同目标 后向散射回波时间图

    Figure 19.  Laser backscattering echo time plots with different targets

    图 20  不同目标 后向散射回波强度图

    Figure 20.  Laser backscatter echo intensity plots with different targets

    表  1  不同目标反射系数[25]

    Table  1.   Reflection coefficients of different targets[25]

    目标类型反射系数
    气泡群0.05
    鱼线0.1
    渔网0.23
    多孔礁石0.36
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    表  2  不同水质下4种探测目标最远距离统计

    Table  2.   Statistics of the farthest distances of four detection targets under different water quality conditions (m)

    水质 目标类型
    气泡群 鱼线 渔网 多孔礁石
    东海台湾海峡 17.2 25.4 30.5 38.8
    黄海中部 15.8 22.7 25 32
    渤海中部 12.4 19.6 22 26
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    表  3  不同水质下3种目标探测距离

    Table  3.   Three target detection distances under different water quality conditions

    目标类型 时间/ns 探测距离/m
    渔网 47.8 5.5
    气泡群 87.0 10
    鱼线/多孔礁石 113.1 13
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    表  4  不同水质下4种目标探测距离

    Table  4.   Four target detection distances under different water quality conditions

    目标类型时间/ns探测距离/m
    渔网17.42
    气泡群34.84
    鱼线69.68
    多孔礁石87.010
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    表  5  测试目标尺寸

    Table  5.   Size of test target

    目标类型 尺寸
    气泡群 D为70~90 μm
    鱼线 D=210 μm
    渔网 Φ=2.5 cm;D=280 μm;l=3 m
    多孔礁石 L=15 cm;W=13 cm;H=20 cm
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    表  6  三目标探测距离与实际距离结果对比

    Table  6.   Comparison of detection distance and actual distance for three targets

    目标类型探测距离/m时间/ns实际探测距离/m平均值/m相对误差/m标准差
    渔网5.551.246.548.65.8945.3455.5825.6070.1070.1548
    气泡群1091.987.8584.0510.3669.9099.4759.9160.0840.210
    鱼线13114.8116.55115.612.95513.3513.03913.150.1500.0538
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    表  7  四目标探测距离与实际距离结果对比

    Table  7.   Comparison of detection distance and actual distance for four targets

    目标类型探测距离/m时间/ns实际探测距离/m平均值/m相对误差/m标准差
    鱼线218.518.318.052.1282.1052.0752.1020.1020.03
    气泡群434.536.237.73.9684.1634.3344.1550.1550.259
    渔网870.169.368.38.057.9707.8557.9580.0420.133
    多孔礁石1091.186.587.1510.4779.94010.01010.1420.1420.413
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  • 收稿日期:  2023-08-20
  • 修回日期:  2023-09-08
  • 网络出版日期:  2023-12-05

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