基于激光干涉的水下目标空中探测技术研究

水下目标的特征提取及识别技术是未来海洋工程所要研究的主要技术之一。本项目旨在利用激光干涉法从水表面声波中提取出水下目标信息，为航空遥测潜艇等水下目标的探索奠定技术基础，推动"激光-声"联合探测技术的进一步发展。.目前，"激光-声"联合探潜技术大多采用激光通量法，即利用光电接收器件直接接收水面的反射光，是对光强信号的直接处理。本项目与以往研究不同，在反馈信号获取方式上是一种全新的尝试，提出了基于激光干涉的水下目标空中探测方法。.简而言之，当水下目标发声时，将引起水表面波动。此时，空中发射一束探测激光，照射波动水面，则水面的散射光中携带了水表面声波信息。尽管散射光很微弱，但各个方向都有，令其与预先设置的参考光干涉，干涉信号中包含了水表面声波信息。那么，通过数据采集和处理系统可以从在干涉信号中解调出水表面声波信息，从而探测水下目标。

水下目标探测是海洋工程领域的重要问题之一，研究新的水下目标特征提取和识别的理论及方法成为世界各国海洋科技博弈的热点。本项目研究一种基于激光多普勒干涉的水下发声目标空中探测技术，将激光多普勒干涉作为主要技术手段对水下声源激励的水表面声波进行探测，获取其频率、振幅等信息，从这些信息中提取水下发声目标特征，为航空遥测潜艇等水下目标以及空中对潜通信等技术奠定基础，推动“激光-声”联合探潜技术的发展。.本项目的研究历时3年，主要进行如下工作：.1）对激光干涉探测水下发声目标的相关理论问题进行了研究和探讨。这些理论问题主要包括：水下声源激励产生水表面横向微幅波（水表面声波）的理论模型、激光在水表面横向微幅波区域的散射理论模型、激光干涉探测水表面微幅波的数学描述。从水波动力学出发对水表面声波形成机理进行了研究，指出水表面的波动分为水下声源直接激励的本振波动和本振波动边界扰动产生的水表面横向微幅波两部分；利用相位衍射光栅的理论分析研究了激光束在水表面横向微幅波区域的散射问题，指出激光束在水表面声波的衍射光栅作用下形成了多条反射光束，其中0级反射光具有最大的光强；对激光干涉法探测水表面声波的过程进行了理论建模，分析了激光干涉探测信号的频谱特征。.2）搭建了基于激光干涉原理的水下发声目标的探测系统，开发了相应的软件处理平台，进行了水下目标探测试验，验证了探测系统的可行性。.3）对水下发声目标的激光干涉探测信号进行了研究分析，提出了一种基于小波脊的水下声信号频率的提取方法，实验表明该方法能精确测定水下声信号的频率，其最大误差不超过2Hz；在激光干涉法探测水表面声波理论分析的基础上，提出了一种基于谱分析的水表面声波振幅的计算方法。在软件平台上开发了相应的算法，利用该算法对干涉信号进行处理得到了水表面声波的振幅，其测量重复性（2σ）不大于2nm，为水下声源的发声强度及发声位置二维坐标的测量奠定了基础。.4）为了解决现有系统对发声频率的限制以及水表面横向微幅波振幅多点探测问题，研究了一种基于全光纤激光多普勒干涉的探测方法，并对其进行了理论分析，将继续推进水下目标激光干涉探测的研究。