水下航行器激光同步扫描与磁复合探测机理研究

Underwater laser synchronous scanning technology can directly reduce the backscattering noise of the seawater in the structural design, and when applied to the imaging detection in the strong attenuation medium of seawater, it has inherent advantages. However, due to the existing underwater laser synchronous scanning technology cannot measure the target orientation and generate three-dimensional images, its application has been severely limited. There is an urgent need to address its deficiencies in the azimuth measurement and imaging accuracy. The project takes the underwater vehicle as the carrier, combines magnetic azimuth detection technology and laser synchronous scanning detection technology, researches the mechanism of laser synchronous scanning and magnetic measurement composite lateral detection of underwater vehicle. The variation pattern of the detection area of laser synchronous scanning system will be revealed. The method of measuring the three-axis coordinate of the target point combined with the laser ranging and the magnetic azimuth measurement will be established. The method of superimposing and subtracting seawater noise signal based on adaptive filtering will be explored. It aims to realize the three-dimensional imaging and target azimuth recognition and improve the imaging accuracy and maximum detection distance of underwater synchronous scanning laser detection. This study will enrich the underwater photodetection theory system, and provide an efficient and accurate detection method for underwater mapping, mine search and underwater characteristics monitoring.

水下激光同步扫描技术能够通过结构上的设计减小水体后向散射噪声，应用于海水强衰减介质中的成像探测，具有先天优势。但由于现有水下激光同步扫描技术无法测量目标方位、成像精度低、不能生成三维图像，使其应用受到了严重限制，迫切需要解决其在方位测量和成像精度方面不足的问题。本项目以水下航行器为载体，将磁方位探测技术与激光同步扫描探测技术结合，开展水下航行器激光同步扫描与磁复合侧视探测机理研究。揭示激光同步扫描系统探测区分布变化规律；建立激光测距与磁测方位相结合的目标点三轴坐标测量方法；探索基于自适应滤波的水体噪声信号叠加消减方法，旨在实现水下同步扫描激光探测三维成像与目标方位识别并提高系统成像精度和最大探测距离。研究将丰富水下光电探测理论体系，为水下测绘、水雷搜索、监控水下特征等方面提供一种高效的精确探测方式。

水下激光同步扫描技术是水下激光成像重要的技术之一。面对水下三维成像的迫切需求，限制水下激光同步扫描技术发展的原因包括：水体后向散射噪声对探测距离的限制、同步扫描技术在方位测量和成像精度方面的不足。本项目围绕形成一套水下航行器激光同步扫描与磁复合侧视探测系统设计原理和方法，提高水下激光探测距离展开研究，研究内容主要分为以下方面：水下航行器激光同步扫描侧视探测机理研究；激光同步扫描与磁复合精确定位研究；提高脉冲激光海水探测最大距离的方法研究。建立了激光同步扫描侧视探测系统模型，优化系统参数，获得行扫描点不小于2000，行扫描精度不小于4.5mm的系统参数设计方法；建立了激光与磁信号复合信号模型，建立了方位角与目标坐标位置的映射关系，形成激光测距与磁侧方位相结合的精确目标定位方法；通过系统结构参数优化与设计变步长LMS算法提高探测距离，有效滤除了海水后向散射噪声信号，相较于传统LMS算法数据处理效率提高近1倍。本项目的研究经过进一步深化拓展后，未来也可应用于鱼雷引信智能打击，水下航行器水雷搜索，实现高效无人化水雷清除等其他相关领域。在本项目的资助下，共发表论文19篇，其中SCI二区论文2篇，其他SCI/EI论文17篇，论文发表于IEEE ACCESS(2篇)，Optics Communications(1篇)，物理学报(1篇)，中国激光(2篇)等；发明专利7项，其中5项已授权；登记软件著作权3项。培养博士研究生5名，硕士研究生2名，参与国际会议2次。以本项目作为重要支撑之一，获得2020年度国家技术发明二等奖，2019年度国防技术发明二等奖。项目负责人查冰婷入选2020-2022年度青年托举人才工程（特殊领域）。