利用涡旋光场计算水中前向散射的频率响应

载波调制水下探测激光雷达利用散射光和信号光在频域特性上的差异来抑制杂散光,而不同水质中的散射光的截止频率是载波调制水下探测激光雷达设计中的重要参数。测量散射杂波的频率响应需要将目标回波与散射杂波分开,尤其是前向散射,与目标回波空间上重合,不容易被分开。文中提出了一种在载波强度调制激光雷达中分别测量水下目标和散射杂波的频率响应方法,利用散射光和目标反射的信号光在空间相干性上的差异,在回波光路上使用螺旋相位板将其分开并分别采集,再通过傅里叶变换得到它们的频谱。实验结果表明,前向散射杂波具有低通特性,而目标回波的响应是平坦的。将信号与散射在频谱中调制频率处的幅度之比定义为“信杂比”,并且用其来表示探测的有效性:当信杂比大于1时,认为探测到了目标。在较浑浊的水中,为了获得大于1的信杂比,载波的调制频率需要更高,基于蒙特卡洛方法对光子在海水中的传播进行了仿真模拟,结果与实验相符。测距实验也证明了,提高调制频率可以减小浑浊水中的测距误差。当信杂比小于1时,提高调制频率,测距误差降低明显。

CEEMDAN联合小波阈值算法在水下激光雷达中抑制散射杂波的应用

水下激光雷达回波信号中往往含有大量散射噪声.为了能够有效抑制散射噪声,提高水下激光雷达测距精度,提出了基于自适应完备噪声经验模态分解(CEEMDAN)与小波阈值相结合的去噪新方法.首先通过相关系数法对自适应完备噪声经验模态分解得到的本征模态函数(IMF)进行筛选;然后对筛选后的本征模态函数进行小波阈值去噪,进一步去除本征模态函数中的噪声成分;最后将去噪后的本征模态函数进行信号重构得到去噪后信号.将该方法应用到不同衰减系数水体的强度调制连续光水下测距实验,使用白色聚氯乙烯(PVC)反射板为探测目标,在3.75个衰减长度时,直接采用相关极值确定延时,测距误差达到19.2 cm;应用该方法处理后,测距误差减小到6.2 cm,有效提高测距精度.

涡旋光场在强散射环境中的应用

涡旋光场具有螺旋形的波前和相位奇点,光场中的每个光子都携带轨道角动量。其独特的性质使得涡旋光场可以在空间上区分不具有空间相干性的散射光与具有空间相干性的非散射光,从而可以作为系统中的空间滤波器件使用,并且在强散射环境里这种空间滤波效果尤为显著。分析了涡旋光场所具有的空间滤波作用的原理,并介绍了近年来利用涡旋光场在强散射环境中进行空间滤波的研究。设计了使用涡旋光场的水下激光雷达测距实验,从而证明涡旋光场在强散射环境中可以通过其空间滤波作用提高激光雷达水下测距的精度,并且散射越强,这种空间滤波作用对测距精度的提高越明显。

基于小波变换的激光水下测距

提出一种基于小波变换思想的水下测距方法.根据信号的能量一致性以及小波的带通滤波特性,并以二元样条插值为架构,实现信号的时频结合.该方法先将时域信号进行小波时域分解滤波,获得较为完整的时域有效信息,然后对初步处理的时域信号进行小波频域分解,通过找寻信号时频域对应的能量最值位置锁定目标,实现精确测距目的.进行不同衰减长度水体的连续光水下测距实验,分析该方法对连续光水下探测的影响.经实验验证,该测距方法在输出功率2.3 W内,成功实现对8个衰减长度内目标的准确测量,其测距精度小于1 cm.