水下目標(biāo)光學(xué)隱蔽參數(shù)測(cè)量方法研究

蔡 鵬，朱海榮，朱 海，王光輝，趙海軍，姜 璐

（海軍潛艇學(xué)院，山東 青島 266000）

水下目標(biāo)光學(xué)隱蔽參數(shù)測(cè)量方法研究

蔡 鵬，朱海榮，朱 海，王光輝，趙海軍，姜 璐

（海軍潛艇學(xué)院，山東 青島 266000）

水下目標(biāo)光學(xué)隱蔽參數(shù)測(cè)量技術(shù)在光學(xué)偵察、探測(cè)水下目標(biāo)等軍事運(yùn)用中發(fā)揮了非常重要的作用。為了改變以往使用透明度盤測(cè)量海洋光學(xué)參數(shù)方式，提高測(cè)量的效率和測(cè)量結(jié)果精準(zhǔn)度，在分析水下目標(biāo)光學(xué)隱蔽參數(shù)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了船載水下目標(biāo)光學(xué)隱蔽參數(shù)測(cè)量方法，利用lightools軟件優(yōu)化光學(xué)探頭設(shè)計(jì)，采用無(wú)線方式實(shí)時(shí)傳輸海水光學(xué)參數(shù)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行了海上實(shí)驗(yàn)，測(cè)量得到了海水輻照比、海水體衰減系數(shù)和漫衰減系數(shù)，完成水下目標(biāo)光學(xué)隱蔽參數(shù)分析，實(shí)驗(yàn)證明了該測(cè)量方法的可行性和可靠性。

水下目標(biāo)；光學(xué)隱蔽；測(cè)量方法

我國(guó)近海海域水深較淺，伴隨著水下航行器消音、消磁技術(shù)的發(fā)展，光學(xué)探測(cè)依舊是基本的、不可或缺的探測(cè)水下目標(biāo)手段，水下航行器光學(xué)隱蔽也是最基本的航行安全保證條件之一。水下目標(biāo)光學(xué)隱蔽性與所處的海水光學(xué)參數(shù)、水下目標(biāo)大小及所在深度等因素息息相關(guān)。目前，軍事上常用衛(wèi)星遙感、航空偵察探測(cè)的手段獲取海水表面光學(xué)參數(shù)，進(jìn)而得到水下目標(biāo)光學(xué)隱蔽性，但由于大氣、海水性質(zhì)垂向分布復(fù)雜，傳統(tǒng)的探測(cè)方法受到衛(wèi)星軌道和航空線路的制約，無(wú)法更精確地獲取較深處海水的光學(xué)性質(zhì)，船載水下目標(biāo)光學(xué)參數(shù)測(cè)量可以準(zhǔn)確地測(cè)量到海水光學(xué)參數(shù)的垂向分布特征，經(jīng)處理最終得到水下目標(biāo)的光學(xué)隱蔽性[1-2]。

1 水下目標(biāo)光學(xué)隱蔽參數(shù)分析

分析水下目標(biāo)光學(xué)隱蔽參數(shù)的特征，首先要確定海洋光場(chǎng)的分布特點(diǎn)，探索光場(chǎng)測(cè)量的影響因素。

根據(jù)海洋漸近光場(chǎng)分布的模型[3]：

式中：E0為海水中的標(biāo)量輻照度；k為海水漫衰減系數(shù)；c為海水體衰減系數(shù)；b為海水散射系數(shù)。

由式（1）得到的海洋漸近光場(chǎng)的輻射率空間分布如圖1所示，漸近光場(chǎng)相對(duì)水平線的垂直方向?qū)ΨQ分布，[0,90°]和[270°,360°]是上行光場(chǎng)部分，[90°, 270°]是下行光場(chǎng)部分，圖中可得上行光場(chǎng)輻射率值普遍大于下行光場(chǎng)輻射率值，且漸近光場(chǎng)分布的形狀主要受海水的漫衰減系數(shù)和體衰減系數(shù)決定。

圖1 海洋光場(chǎng)的漸近分布

下行輻照度[4]的定義式為：

將式(1)代入式(2)并積分得：

可見，下行輻照度由標(biāo)量輻照度、散射系數(shù)、體積衰減系數(shù)和漫衰減系數(shù)共同決定。

海洋下行輻照度為海洋輻射率在下行2π立體角內(nèi)的積分，下行輻照度探測(cè)系統(tǒng)需要一光軸沿天頂方向，立體角為2π的余弦集光器[5]，理想的2π立體角的余弦集光器是不存在的，由于漫射片的反射特性與入射角的大小相關(guān)[6]，因此，當(dāng)入射角較大時(shí)，余弦誤差較大。由式(1)、式(2)得，當(dāng)2π立體角的余弦集光器光軸方向偏離天頂時(shí)，下行輻射率為：

式中：α為集光器光軸與天頂方向的夾角。

為了補(bǔ)償因集光器姿態(tài)變化所造成的測(cè)量誤差，將輻射率分布模型簡(jiǎn)化為各向同性輻射率分量和沿天頂方向的準(zhǔn)直分量，則式（1）改寫為：

式中：L1為漫射輻射率分量；L2θ=0為垂直下行輻射率分量。

海水的衰減系數(shù)：

式中：φi為入射光通量，φa為吸收光通量，φb為散射光通量，在兩個(gè)位置上測(cè)量輻亮度，有：

根據(jù)海洋兩流輻射傳輸理論[7-10]，海水漫衰減系數(shù)：

水下目標(biāo)表面對(duì)入射光的反射作用近似為朗伯反射，水下目標(biāo)反射率可表示為：

2 測(cè)量設(shè)計(jì)與優(yōu)化

對(duì)輻照度測(cè)量模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)仿真，其中設(shè)計(jì)參數(shù)d=50 mm，r1=20 mm，r2＝15 mm，光源為輸出功率10 W，半徑10 mm的體積光源。

圖2 輻照度單元

圖3 輻照度單元Janus排布

輻射功率10 W，光源波長(zhǎng)480～520 nm，半徑r=10 mm的光源光譜區(qū)如圖4所示。

圖4 光源光譜區(qū)

輻照度測(cè)量模塊接收到的輻照度光柵如圖5所示。

圖5 輻照度光柵

設(shè)計(jì)的輻照度單元孔徑略大，不利于探測(cè)裝置的小型化，現(xiàn)利用LightTools對(duì)輻照度單元進(jìn)行光學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化后的輻照度單元如圖6所示。

圖6 優(yōu)化后的輻照度單元

優(yōu)化后的輻照度測(cè)量模塊接收到的輻照度光柵如圖7所示。

圖7 優(yōu)化后輻照度光柵

比較圖5和圖7可以得到，優(yōu)化后的輻照度單元照度更集中，強(qiáng)度更大，孔徑更小，根據(jù)優(yōu)化結(jié)果，采用直徑1 in，焦距f=50 mm的聚光透鏡。

為了提高探頭的安裝適應(yīng)性，輻照度探頭在殼體制作上采用了一體化設(shè)計(jì)，輻照度探測(cè)模塊聚光透鏡、鏡筒均采用Thorlabs標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，并與加工后的余弦集光器、光電二極管組裝后如圖8所示。

圖8 輻照度光學(xué)探頭

圖9 余弦集光器

完成裝置各探測(cè)模塊、信息處理模塊研制和水密外殼體加工、裝置總體集成后，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行系統(tǒng)的調(diào)試，如圖10所示。

3 海上測(cè)量與結(jié)果

2015年1月24日，在青島某碼頭進(jìn)行測(cè)量裝置的海上試驗(yàn)。測(cè)量裝置用纜繩吊放，如圖11，由專用的計(jì)算機(jī)操作平臺(tái)通過(guò)無(wú)線傳輸向探測(cè)裝置發(fā)送啟動(dòng)信號(hào)，在吊放過(guò)程中完成海水上行輻照度、海水下行輻照度、海水體衰減系數(shù)、海水漫衰減系數(shù)和深度的測(cè)量，測(cè)量完成后，測(cè)量的結(jié)果通過(guò)無(wú)線傳輸?shù)姆绞桨l(fā)送到計(jì)算機(jī)。

圖10 系統(tǒng)調(diào)試

圖11 海上測(cè)量

下行輻照度測(cè)量值如圖12所示，上行輻照度測(cè)量值如圖13所示，漫衰減系數(shù)測(cè)量值如圖14所示，體衰減系數(shù)測(cè)量值如圖15所示。

圖12 下行輻照度測(cè)量值

圖13 上行輻照度測(cè)量值

圖14 漫衰減系數(shù)測(cè)量值

圖15 體衰減系數(shù)測(cè)量值

根據(jù)海水下行輻照度和上行輻照度數(shù)據(jù)就可進(jìn)一步處理可以得到輻照比。

本次海上實(shí)驗(yàn)完成了對(duì)所在水域處海水上行輻照度、下行輻照度、海水漫衰減系數(shù)和體衰減系數(shù)的測(cè)量，得到了各光學(xué)參數(shù)隨深度的變化趨勢(shì)，為分析水下目標(biāo)光學(xué)隱蔽性提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)支持。

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)了船載水下目標(biāo)光學(xué)隱蔽參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)，對(duì)光學(xué)探頭進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了測(cè)量探頭設(shè)計(jì)的小型化，在實(shí)驗(yàn)室完成集成裝置的調(diào)試后，進(jìn)行近岸海上試驗(yàn)，獲取了分析水下目標(biāo)光學(xué)隱蔽性所需要的海洋光學(xué)參數(shù)，測(cè)量得到了海水上行輻照度、下行輻照度、海水體衰減系數(shù)和漫衰減系數(shù)垂向分布，實(shí)驗(yàn)證明了測(cè)量方法的可行性和可靠性，下一步工作是提高測(cè)量方法的可靠性，提高測(cè)量精度，研究姿態(tài)對(duì)測(cè)量的影響。

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Study on the Shipboard Measurement Method for the Optical Concealment Parameters of Underwater Targets

CAI Peng,ZHU Hai-rong,ZHU Hai,WANG Guang-hui,ZHAO Hai-jun,JIANG Lu
Naval Submarine Academy,Qingdao 266000,Shandong Province,China

The techniques of measuring the optical concealed parameters of underwater targets play a very important role in optical reconnaissance,underwater target detection and other military applications.In order to measure the optical concealment parameters of underwater targets on ship and improve the efficiency and precision of measurement,this paper designs a shipboard concealed optical parameter measuring system based on the analysis of optical converting parameters of underwater targets.Using the Lightools software to achieve the optimal design of the optical probe,the design adopts the method of wireless real-time transmission of seawater optical parameter data,with experiments completed in real sea state.It also measures the radiation ratio,the volume attenuation coefficient and the diffuse attenuation coefficient of the sea.The analysis on the optical concealment parameters of underwater targets is completed through experiments,which proves the feasibility and reliability of the presented measurement method.

underwater targets;optical concealment;measurement methods

TP722

A

1003-2029（2017）03-0040-05

10.3969/j.issn.1003-2029.2017.03.008

2017-03-25

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（61573040）

蔡鵬（1980-），男，主要從事海洋光學(xué)與水下航行安全方面研究。E-mail：846770081@qq.com