水下目标光学隐蔽参数测量方法研究

蔡 鹏，朱海荣，朱 海，王光辉，赵海军，姜 璐

（海军潜艇学院，山东 青岛 266000）

水下目标光学隐蔽参数测量方法研究

蔡 鹏，朱海荣，朱 海，王光辉，赵海军，姜 璐

（海军潜艇学院，山东 青岛 266000）

水下目标光学隐蔽参数测量技术在光学侦察、探测水下目标等军事运用中发挥了非常重要的作用。为了改变以往使用透明度盘测量海洋光学参数方式，提高测量的效率和测量结果精准度，在分析水下目标光学隐蔽参数的基础上，设计了船载水下目标光学隐蔽参数测量方法，利用lightools软件优化光学探头设计，采用无线方式实时传输海水光学参数数据，并进行了海上实验，测量得到了海水辐照比、海水体衰减系数和漫衰减系数，完成水下目标光学隐蔽参数分析，实验证明了该测量方法的可行性和可靠性。

水下目标；光学隐蔽；测量方法

我国近海海域水深较浅，伴随着水下航行器消音、消磁技术的发展，光学探测依旧是基本的、不可或缺的探测水下目标手段，水下航行器光学隐蔽也是最基本的航行安全保证条件之一。水下目标光学隐蔽性与所处的海水光学参数、水下目标大小及所在深度等因素息息相关。目前，军事上常用卫星遥感、航空侦察探测的手段获取海水表面光学参数，进而得到水下目标光学隐蔽性，但由于大气、海水性质垂向分布复杂，传统的探测方法受到卫星轨道和航空线路的制约，无法更精确地获取较深处海水的光学性质，船载水下目标光学参数测量可以准确地测量到海水光学参数的垂向分布特征，经处理最终得到水下目标的光学隐蔽性[1-2]。

1 水下目标光学隐蔽参数分析

分析水下目标光学隐蔽参数的特征，首先要确定海洋光场的分布特点，探索光场测量的影响因素。

根据海洋渐近光场分布的模型[3]：

式中：E0为海水中的标量辐照度；k为海水漫衰减系数；c为海水体衰减系数；b为海水散射系数。

由式（1）得到的海洋渐近光场的辐射率空间分布如图1所示，渐近光场相对水平线的垂直方向对称分布，[0,90°]和[270°,360°]是上行光场部分，[90°, 270°]是下行光场部分，图中可得上行光场辐射率值普遍大于下行光场辐射率值，且渐近光场分布的形状主要受海水的漫衰减系数和体衰减系数决定。

图1 海洋光场的渐近分布

下行辐照度[4]的定义式为：

将式(1)代入式(2)并积分得：

可见，下行辐照度由标量辐照度、散射系数、体积衰减系数和漫衰减系数共同决定。

海洋下行辐照度为海洋辐射率在下行2π立体角内的积分，下行辐照度探测系统需要一光轴沿天顶方向，立体角为2π的余弦集光器[5]，理想的2π立体角的余弦集光器是不存在的，由于漫射片的反射特性与入射角的大小相关[6]，因此，当入射角较大时，余弦误差较大。由式(1)、式(2)得，当2π立体角的余弦集光器光轴方向偏离天顶时，下行辐射率为：

式中：α为集光器光轴与天顶方向的夹角。

为了补偿因集光器姿态变化所造成的测量误差，将辐射率分布模型简化为各向同性辐射率分量和沿天顶方向的准直分量，则式（1）改写为：

式中：L1为漫射辐射率分量；L2θ=0为垂直下行辐射率分量。

海水的衰减系数：

式中：φi为入射光通量，φa为吸收光通量，φb为散射光通量，在两个位置上测量辐亮度，有：

根据海洋两流辐射传输理论[7-10]，海水漫衰减系数：

水下目标表面对入射光的反射作用近似为朗伯反射，水下目标反射率可表示为：

2 测量设计与优化

对辐照度测量模块进行设计仿真，其中设计参数d=50 mm，r1=20 mm，r2＝15 mm，光源为输出功率10 W，半径10 mm的体积光源。

图2 辐照度单元

图3 辐照度单元Janus排布

辐射功率10 W，光源波长480～520 nm，半径r=10 mm的光源光谱区如图4所示。

图4 光源光谱区

辐照度测量模块接收到的辐照度光栅如图5所示。

图5 辐照度光栅

设计的辐照度单元孔径略大，不利于探测装置的小型化，现利用LightTools对辐照度单元进行光学优化设计，优化后的辐照度单元如图6所示。

图6 优化后的辐照度单元

优化后的辐照度测量模块接收到的辐照度光栅如图7所示。

图7 优化后辐照度光栅

比较图5和图7可以得到，优化后的辐照度单元照度更集中，强度更大，孔径更小，根据优化结果，采用直径1 in，焦距f=50 mm的聚光透镜。

为了提高探头的安装适应性，辐照度探头在壳体制作上采用了一体化设计，辐照度探测模块聚光透镜、镜筒均采用Thorlabs标准产品，并与加工后的余弦集光器、光电二极管组装后如图8所示。

图8 辐照度光学探头

图9 余弦集光器

完成装置各探测模块、信息处理模块研制和水密外壳体加工、装置总体集成后，在实验室进行系统的调试，如图10所示。

3 海上测量与结果

2015年1月24日，在青岛某码头进行测量装置的海上试验。测量装置用缆绳吊放，如图11，由专用的计算机操作平台通过无线传输向探测装置发送启动信号，在吊放过程中完成海水上行辐照度、海水下行辐照度、海水体衰减系数、海水漫衰减系数和深度的测量，测量完成后，测量的结果通过无线传输的方式发送到计算机。

图10 系统调试

图11 海上测量

下行辐照度测量值如图12所示，上行辐照度测量值如图13所示，漫衰减系数测量值如图14所示，体衰减系数测量值如图15所示。

图12 下行辐照度测量值

图13 上行辐照度测量值

图14 漫衰减系数测量值

图15 体衰减系数测量值

根据海水下行辐照度和上行辐照度数据就可进一步处理可以得到辐照比。

本次海上实验完成了对所在水域处海水上行辐照度、下行辐照度、海水漫衰减系数和体衰减系数的测量，得到了各光学参数随深度的变化趋势，为分析水下目标光学隐蔽性提供实时数据支持。

4 结论

设计了船载水下目标光学隐蔽参数测量系统，对光学探头进行了优化设计，实现了测量探头设计的小型化，在实验室完成集成装置的调试后，进行近岸海上试验，获取了分析水下目标光学隐蔽性所需要的海洋光学参数，测量得到了海水上行辐照度、下行辐照度、海水体衰减系数和漫衰减系数垂向分布，实验证明了测量方法的可行性和可靠性，下一步工作是提高测量方法的可靠性，提高测量精度，研究姿态对测量的影响。

[1]朱海,姜璐,梁波，等.水下目标光学隐蔽深度遥感获取方法[J].中国激光,2007,34(5):699-702.

[2]姜璐,朱海,于运治.基于蒙特卡罗方法的水下目标光学隐蔽性影响因素分析[J].弹箭与制导学报,2006,26(4):401-404.

[3]李源慧.激光水下目标探测的Monte Carlo模拟[D].成都:西南交通大学,2009.

[4]杨曦光,黄海军,刘艳霞，等.水-气界面辐射能量的方向性特征及水体透射特征研究[J].武汉大学学报：信息科学版,2013,38 (8):1003-1009.

[5]陈永华,李思忍.基于S2000光谱仪的小型海面高光谱辐射计的研制[J].海洋科学，2009,33(3):1-4.

[6]李彩,柯天存,曹文熙，等.锚链式水下多光谱辐射计的设计[J].光学技术,2004,30(6):665-668.

[7]黄昌春,李云梅,孙德勇，等.秋季太湖水下光场结构及其对水生态系统的影响[J].湖泊科学,2009,21(3):420-428.

[8]杨顶田,潘德炉.水下剖面测量中离水辐亮度的提取[J].仪器仪表学报,2005,26(8):94-96.

[9]徐洪梅.水下非均匀光场的目标探测研究[D].青岛:中国海洋大学,2009.

[10]吴东,刘智深,张凯临，等.海洋激光雷达测量海中悬移质[J].光学学报,2003,16(2):245-248.

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

国家自然科学基金资助项目（61573040）

蔡鹏（1980-），男，主要从事海洋光学与水下航行安全方面研究。E-mail：846770081@qq.com