基于混沌激光的浅海水下目标探测研究

The severe backscattering of the shallow seawater hinders the application of laser detection in the offshore. The backscattering of the return signal restricts the depth, resolution and contrast of underwater target detection. Therefore, it is necessary to study how to suppress the large amount of backscattering for laser transferring in seawater. The purpose of this study is to investigate the ability of chaotic lidar to suppress the backscattering of seawater. Firstly, the backscattering model of chaotic laser should be established. The models of the time, frequency and spatial domains of chaotic laser backscattering from seawater are established under different water quality conditions, by the combination of underwater radiative transfer theory of Preisendorfer, frequency response theory of Mullen and Mie scattering theory in this study. The backscattering can be analyzed comprehensively. A Monte Carlo radiative transfer model is proposed to calculate and analyze the complex backscattering of seawater. Secondly, the chaotic lidar underwater target detection system of chaotic lidar is constructed. The ability of suppressing the backscattering of chaotic lidar with high frequency modulation (>1GHz) is explored. In order to achieve the best effect of suppressing the backscattering of sea water, a method is proposed to find the optimal laser chaotic state. Finally, the backscattering model of chaotic laser and the ability of suppressing backscattering of chaotic lidar are verified, and the previous theoretical methods and the numerical results are revised.

浅海海水严重的后向散射是阻碍激光近海水下探测应用的一个关键问题，回波信号中的后向散射制约了水下目标探测深度、分辨率和对比度。因此，需要研究如何抑制激光在海水中传输时产生的大量后向散射。本项目旨在研究探索混沌激光雷达对海水后向散射的抑制能力。首先，建立混沌激光海水后向散射模型，将Preisendorfer水下辐射传输理论、Mullen频率响应理论、米氏散射理论相结合，建立不同水质条件下混沌激光海水后向散射的时域、频域和空域模型，对海水后向散射进行全面分析。针对海水复杂的多级后向散射，使用蒙特卡洛辐射传输模型计算分析。其次，构建混沌激光雷达水下目标探测体系，研究具有高频调制（>1GHz）特性的混沌激光雷达抑制海水后向散射的能力。针对不同水质环境，为达最佳抑制海水后向散射效果，寻求最优激光混沌态。再次，通过试验验证混沌激光水下传输后向散射模型和抑制后向散射的能力，修正前期理论方法和数值计算结果。

激光在海水中传输产生的强烈后向散射是激光水下探测技术需要解决的一个难题，严重的后向散射大大增加了水下目标信号的提取难度。本项目从理论和实验两个方面研究了混沌激光抑制海水后向散射的能力。. 在理论研究方面，1）首先，建立了基于辐射传输方程小角度散射近似的多次前向散射-单次后向散射混沌激光水下传输模型。2）针对海水复杂的多级后向散射，使用蒙特卡洛辐射传输模型建模分析。3）从频域上建立了目标返回信号光和水体后向散射光的数学模型，得出了内在高频强度调制特性的混沌激光具有抑制水体后向散射光的抗干扰能力。. 在实验研究方面，1）首先研究了基于布尔混沌电路产生的小功率连续混沌激光水下测距实验，验证了混沌激光水下探测的可行性，但混沌信号带宽仅为200MHz，不能充分验证其抗水体后向散射的能力。2）因此，设计了基于空间光光反馈的紧凑型高功率连续混沌激光源，获得了520nm波长、1GHz带宽、6.25%电光效率、30mW光功率的连续混沌激光。研究了不同驱动电流和反馈强度下所有可能的混沌态，发现最佳混沌态出现在注入电流与阈值电流比为1.5~2.1。并开展了混沌激光水下3D成像实验，测距分辨率±1.5cm，平均测距误差1.08cm。得出空间光反馈产生的宽带宽混沌激光相比于较窄带宽布尔混沌电路调制的混沌激光具有更高的测距精度。进一步说明宽带宽混沌激光源能充分抑制海水严重后向散射，增加从浑浊水体中提取目标回波信号的能力。3）最后，我们展开混沌脉冲激光与普通脉冲激光水下测距的对比研究。首先研制不同调制参数的混沌宏脉冲激光源，在调制频率15MHz、占空比50%、水下目标距离1.32m的情况下，分析了不同浊度下混沌脉冲激光测距的精度，随着浊度增大，获取目标信号难度增加，通过对脉冲混沌互相关曲线的多次累积，在浊度为4.5NTU下，仍可精确获取目标距离信息。测距精度为2~5mm，测距分辨率为4~5cm。相比于普通脉冲激光测距，充分体现其抑制海水后向散射的能力。因此，混沌宏脉冲激光在水下测距方面具有广阔的应用前景。