水下目标激光探测-讲课
第8章水下目标识别
第8章水下目标识别水下目标识别是指通过使用各种水下传感器和技术，对水下目标进行识别和分类的过程。
水下目标识别在水下活动和研究中具有重要的意义，它可以帮助人们更好地理解和研究海洋生态系统，保护和管理海洋资源，以及实施海洋救援、勘测和战争行动等。
水下目标的识别与在陆地上识别目标的方式有所不同，主要是由于水下环境对传感器和数据获取的限制。
水下目标识别的挑战主要体现在以下几个方面：1.水下光学特性：水下环境中，光线透明度较差，光线衰减快，因此使用光学传感器进行目标识别会面临困难。
为了解决这个问题，可以采用激光雷达、声纳等其他传感器来获取目标信息。
2.水下声音特性：声纳是水下目标识别的重要手段之一，声纳波在水中传播时会发生衍射、多次反射和散射等现象，这会导致声纳信号受到干扰和变形。
因此，研究人员需要设计合适的声纳信号处理算法，以提高目标识别的准确度和可靠性。
3.水下目标形状变化：水下目标的形状和姿态可能会随着时间和环境的变化而改变，这会对目标识别造成困难。
因此，研究人员需要开发具有鲁棒性的识别算法，能够适应不同形状和姿态的目标。
为了解决水下目标识别的问题，研究人员采用了多种技术和方法。
下面介绍几种常用的水下目标识别技术：1.声纳成像：声纳成像是通过使用声纳波来获取水下目标的图像和特征。
声纳成像技术可以采用单波束声纳、多波束声纳和合成孔径声纳等方式。
通过对声纳数据进行处理和分析，可以识别和分类水下目标。
2.激光雷达：激光雷达是使用激光束来扫描和测量水下目标的距离、形状和表面特征的技术。
激光雷达可以提供高分辨率的图像数据，能够准确地识别和分类水下目标。
3.水下图像处理：水下图像处理技术可以对水下图像进行去噪、增强、分割和特征提取等处理，以提高目标识别的准确性和鲁棒性。
常用的水下图像处理方法包括自适应直方图均衡化、边缘检测和特征匹配等。
4.水声信号处理：水声信号处理技术可以对声纳数据进行滤波、降噪和特征提取等处理，以提高目标识别的性能。
激光致声探测水下目标分析
当激光 脉 冲能量 较 小 、 相 互 作 用 区 的 能量 密 度 较
７ ４
实
验
技
术
与
管
理
低、 水 表面加 热达 不 到沸点 温度 时 ， 声 波 的产 生是 由于
ｋ Ｈｚ 时环 境 噪 声 大 ， 同 时 高频 分 量 在 水 中衰 减 快 ， 因
（ 电子 科 技 大 学 物 理 电 子 学 院 ，四川 成 都 ６ １ ０ ０ ５ ４ ）
摘
要： 针对激光热膨胀致声 ， 研 究 声 波 的 接 收 信 号 及 特 性 。 分 析 了 微 音 器 接 收 端 声 波 信 号 的产 生 原 因是 水
底反射波和水面反射波 ， 但 是 由于 受 实 验 条 件 限制 没 能分 辨 出 这 两 种 声 波 信 号 区 别 ， 对 这 一 问题 有 待 继 续 探 究 。结合 实 验 现 象 ， 利 用 Ｍａ ｔ ｌ ａ ｂ分 析 微 音 器 接 收 声 波 信 号 的 时 问 差 与 水 深 相 互 关 系 ， 并 得 出 一 组 声 波 传 播 时 间 与 距 离 和 声 波 速 度 在 两 种 介 质 的 折 射 关 系 表 达 式 。通 过 仿 真 可 以 在 理 论 上 对 探 测 水 深 进 行 计 算 。
ｗｉ ｌ ｌ ｂ ｅ ｒ ｅ ｆ ｌ ｅ ｃ ｔ ｅ ｄ ｂｙ ｔ ｈｅ ｔ ａ ｒ ｇｅ ｔ ｕ ｎｄ ｅ ｒ ｗａ ｔ ｅ ｒ ． Ｔ ｈｕ ｓ ｔ ｈｅ ｓ ｏｕ ｎｄ ｗａ ｖ ｅ ｃ ａ ｒ ｒ ｉ ｅ ｓ ｉ ｎｆ ｏｒ ｍａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏｆ ｔ ｈ ｅ ｔ ａ ｒ ｇｅ ｔ ， ｗ ｈｉ ｃ ｈ ｃ ａ ｎ ｂｅ ｕｓ ｅ ｄ ｔ ｏ ｄｅ ｔ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏｎ． Ｔｈｉ ｓ ｐ ａ ｐｅ ｒ ｄ ｅ ｓ ｃ ｒ ｉ ｂ ｅ ｓ ｔ ｈ ｅ ｃ ｈａ ｒ ａ ｃ ｔ ｅ ｒ ｓ ｏ ｆ ｓ ｏ ｕｎ ｄ ｗａ ｖｅ ｇｅ ｎｅ ｒ ａ ｔ ｅ ｄ ｂ ｙ ｔ ｈ ｅｒ ｍｏ ｅ ｌ ａ ｓ ｔ ｉ ｃ ｍｅ ｃ ｈａ ｎｉ ｓ ｍ ａ ｎ ｄ ａ ｎ ａｌ ｙｓ ｅ ｓ ｔ ｈｅ ｔ ｗｏ ｐａ ｒ ｔ ｓ ｏ ｆ ｔ ｈｅ ｓ ｉ ｇｎａ ｌ ｓ ｃ ｏｍ ｉ ｎｇ ｆ ｒ ｏｍ ｔ ｈ ｅ ｂ ｏｔ ｔ ｏｍ ｏ ｆ ｗａ ｔ ｅ ｒ ａ ｎｄ ｗａ ｔ ｅ ｒ ｓ ｕ ｒ ｆ ａ ｃ ｅ ． Ｈｏ ｗｅ ｖｅ ｒ， ｄｕｅ ｔ ｏ ｔ ｈｅ ｅ ｑｕ ｉ ｐ ｍｅ ｎｔ ’ Ｓ ｄｅ ｆ ｅ ｃ ｔ ｓ ， ｔ ｈｅ ｅ ｘｐｅ ｒ ｉ ｍｅ ｎｔ ｄｏ ｅ ｓ ｎｏｔ ｓ ｕｃ ｃ ｅ ｅ ｄ ｉ ｎｔ ｏ ｄｉ ｓ ｔ ｉ ｎ ｇｕｉ ｓ ｈｉ ｎ ｇ ｔ ｈｅ ｍ．Ｗｉ ｔ ｈ ｔ ｈｅ ｏｕ ｔ ｃ ｏ ｍｅ ｏ ｆ ｔ ｈｅ ｅ ｘ ｐｅ ｒ ｉ ｍｅ ｎｔ ， Ｍａ ｔ ｌ ａ ｂ ｉ ｓ ａ ｌ ｓ ｏ ｕｓ ｅ ｄ ｔ ｏ ｉ ｍｉ ｔ ａ ｔ ｅ ｔ ｈ ｅ ｉ ｎｔ ｅ ｒ ｎ ａ ｌ ｌ ｉ ｎｋ ｏｆ ｗａ ｔ ｅ ｒ’ Ｓ ｄｅ ｐｔ ｈ ａ ｎ ｄ ｔ ｈｅ ｔ ｉ ｍｅ ａ ｕ ｄｉ ｏ ｍｏｎｉ ｔ ｏ ｒ ｉ ｎｇ ｒ ｅ ｃ ｅ ｉ ｖ ｅ ｒ ． Ａｄ ｄｉ ｔ ｉ ｏｎａ ｌ ｌ ｙ，ｔ ｈｉ ｓ ｐ ａ ｐｅ ｒ ｏ ｆ ｆ ｅ ｒ ｓ ｅ ｑ ｕａ ｔ ｉ ｏ ｎｓ ｗｈｉ ｃ ｈ ｃ ａ ｎ ｌ ｅ ａ ｄ ｔ ｏ ｔ ｈｅ ｅｘ ａ ｃ ｔ ｄｅ ｐｔ ｈ ｏ ｆ ｗ ａ ｔ ｅ ｒ ｉ ｎ ｔ ｈ ｉ ｓ ｅ ｘ ｐｅ ｒ ｉ ｍｅ ｎｔ ， ｗｉ ｔ ｈ ｗ ｈｉ ｃ ｈ， Ｍａ ｔ ｌ ａｂ ｃ ａ ｎ ｇｉ ｖｅ ａ ｔ ｈｅ ｏｒ ｅ ｔ ｉ ｃ ａ ｌ ｒ ｅ ｓ ｕｌ ｔ ． Ｋｅ ｙ ｗｏｒ ｄ ｓ：ｄｅ ｐｔ ｈ ｄｅ ｔ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｗａ ｔ ｅ ｒ ；ｌ ａ ｓ ｅ ｒ ｔ ｈｅ ｒ ｍ ａｌ ｅ ｘｐ ａ ｎｓ ｉ ｏ ｎ；ｓ ｏｕ ｎｄ ｗａ ｖｅ ；ａ ｕ ｄｉ ｏ ｍｏ ｎｉ ｔ ｏｒ ｉ ｎｇ ｒ ｅ ｃ ｅ ｉ ｖ ｅ ｒ
水下目标探测与识别技术
2.3.5 选通ICCD摄像机的方法
❖ ICCD摄像机主要分为非选通型和选通型两类： ❖ 非选通ICCD摄像机本身没有光快门，不具有快速开关的功能，
主要用于对微弱光图像信号的增强和放大； ❖ 选通ICCD摄像机是由具有快速开关功能的像增强器通过光纤
光在水下的衰减
❖ 水对光谱中紫外和红外部分表现出强烈 的吸收。这是由于水分子在这些谱带上 强烈的共振造成的。紫外共振起因于电 子的激发，红外共振起因于分子激发。
❖ 大部分波段的光在水下传播时都会受到强烈的吸收衰减，只有波长 在 0.5nm 左右波段的蓝绿光在水中的吸收衰减系数最小，穿透能力 最强，而且此波段又处于电磁波的“大气窗口”。
实现方法：
❖ Matlab图像处理函数； ❖ VC6.0以上版本编程； ❖ OpenCV（Open Source Computer Vision Library）专
业图像处理软件，结合Visual Studio 2005以上版本实现； ❖ Kinect ， OpenGL （ Graphics Library ） ， OpenNI
长基线带来的问题：
❖ 但实际上，长基线会引起下面两个问题: ❖ 引起双目系统联合视域缩小。随着基线的增加，区域离双目摄像机
会越来越远，使这个距离内的目标不可见。换用大视角镜头可以克 服这个难题，但同时大视角镜头又会引发严重畸变等其他问题。 ❖ 增加立体匹配的难度。两个摄像机分别从不同角度观察同一目标， 所以观察到的目标有轻微不同，当基线加长，两摄像机观察到的目 标的差异增大，两幅图像的相关性下降，导致立体匹配更加困难。
❖ 在该系统中，非常短的激光脉冲照射物体，照相机快门打开的时间相 对于照射物体的激光发射时间有一定的延迟，并且快门打开的时间很 短，在这段时间内，探测器接收从物体返回的光束，从而排除了大部 分的后向散射光。
水下目标搜索与识别技术
水下目标搜索与识别技术水下目标搜索与识别系统一般分为光视觉系统和声视觉系统，当距离物体十米以内，一般采用光视觉系统，当距离物体大于十米以上时则用声视觉系统。
当前流行的趋势是采用激光的方式来进行目标搜索与识别。
一．光视觉系统传统的光视觉系统包括水下摄像机、照明等设备用来满足获取光学图像和视频信息等基本的要求。
而现在的光视觉系统不仅要求满足上述要求，还要求具备对图像和视频信息进行处理、特征提取以及分类识别的功能。
总之，只能水下机器人中光视觉系统的使命是：快速、准确德获取水下目标的相关信息，并对信息进行实时处理，将处理结果反馈给计算机，从而指导机器人进行正确的作业。
1.光视觉系统框架水下光视觉系统主要分为三大块：(1)底层模块:图像采集系统，包括专用水下CCD感光摄像头和图像采集卡，这部分属于硬件部分；(2)中层模块：图像处理，包括图像预处理、图像分割、特征提取、根据目标模型进行学习，形成知识库和逻辑推理机制，得到单幅图像的初步理解和评价。
(3)高层模块：分类是水下目标识别最为核心的技术，也是最终实现部分。
1.1硬件组成光视觉系统硬件包括光视觉计算机、水下CCD摄像头、云台和辅助照明灯。
光视觉计算机完成视觉建模、高层视觉信息处理和理解、与机器人主控计算机的网络通讯，实时监控系统每个时间节拍的运行状态与处理参数。
1.2软件体系水下光视觉系统的软件体系涵盖了两个部分：中层模块和高层模块。
中层模块主要负责图像处理工作(图像处理一般包括图像预处理、图像分割和特征提取三方面)。
高层模块是水下目标识别系统的最终实现部分，一般采用的是神经网络识别算法进行识别分类。
二．声视觉系统理想的声视觉系统作为智能水下机器人的传感设备，应该具备灵敏度高、空间分辨率高、隐蔽性好、抗干扰能力强、自主调节和全天候作业等特点，能适合探测弱目标和鉴别多目标的需要。
同时它能在比较复杂的人为干扰和自然干扰下，实现对目标的自动识别和跟踪选择。
声视觉系统最终要完成的任务是目标的自动定位、分类识别以及对运动目标实现跟踪，而完成这一任务的核心和前提条件是拥有一台高分辨率水声探测设备。
【精选】水下目标搜索与识别技术
水下目标搜索与识别技术水下目标搜索与识别系统一般分为光视觉系统和声视觉系统，当距离物体十米以内，一般采用光视觉系统，当距离物体大于十米以上时则用声视觉系统。
当前流行的趋势是采用激光的方式来进行目标搜索与识别。
一．光视觉系统传统的光视觉系统包括水下摄像机、照明等设备用来满足获取光学图像和视频信息等基本的要求。
而现在的光视觉系统不仅要求满足上述要求，还要求具备对图像和视频信息进行处理、特征提取以及分类识别的功能。
总之，只能水下机器人中光视觉系统的使命是：快速、准确德获取水下目标的相关信息，并对信息进行实时处理，将处理结果反馈给计算机，从而指导机器人进行正确的作业。
1.光视觉系统框架水下光视觉系统主要分为三大块：(1)底层模块:图像采集系统，包括专用水下CCD感光摄像头和图像采集卡，这部分属于硬件部分；(2)中层模块：图像处理，包括图像预处理、图像分割、特征提取、根据目标模型进行学习，形成知识库和逻辑推理机制，得到单幅图像的初步理解和评价。
(3)高层模块：分类是水下目标识别最为核心的技术，也是最终实现部分。
1.1硬件组成光视觉系统硬件包括光视觉计算机、水下CCD摄像头、云台和辅助照明灯。
光视觉计算机完成视觉建模、高层视觉信息处理和理解、与机器人主控计算机的网络通讯，实时监控系统每个时间节拍的运行状态与处理参数。
1.2软件体系水下光视觉系统的软件体系涵盖了两个部分：中层模块和高层模块。
中层模块主要负责图像处理工作(图像处理一般包括图像预处理、图像分割和特征提取三方面)。
高层模块是水下目标识别系统的最终实现部分，一般采用的是神经网络识别算法进行识别分类。
二．声视觉系统理想的声视觉系统作为智能水下机器人的传感设备，应该具备灵敏度高、空间分辨率高、隐蔽性好、抗干扰能力强、自主调节和全天候作业等特点，能适合探测弱目标和鉴别多目标的需要。
同时它能在比较复杂的人为干扰和自然干扰下，实现对目标的自动识别和跟踪选择。
声视觉系统最终要完成的任务是目标的自动定位、分类识别以及对运动目标实现跟踪，而完成这一任务的核心和前提条件是拥有一台高分辨率水声探测设备。
利用激光技术探测水下目标的基本想法
激光窃听技术在水声信号检测中的研究一．研究目的如何进行有效的水下声信号检测与处理一直以来都是各国研究的重点，当前使用的水下声信号检测与处理设备大多利用布放水中的水声换能器来进行检测，再利用后续信号处理电路进行处理，对于大范围的舰载/机载扫描检测多有不便。
迄今为止,已经投入使用或正在研制的很多水中目标探测设备的接收换能器往往都置于水中，换能器置于水中,就大大限制了水下目标探测设备的数据获取速率及探测的机动性。
我们都知道声波在水中的传播是最好的,而激光在空气中能很好地传播,如果我们在空中利用激光来检测水中声波,使两种物理场在水面处结合起来,就会形成较强的技术优势。
激光窃听器技术给了我们最初的启示，利用激光窃听技术实现对水中声源声信号探测使我们研究的方向。
激光水声探测技术可远距离、非接触地在空中平台上测量水表面的振动速度,进而获得水下声场振动频率,从而得到水下目标的声信号。
它在未来的海洋探测中具有巨大的应用前景。
二．研究内容现在国外已经成功研究出了激光窃听技术，其主要利用激光照射到目标玻璃、墙壁以及天花板等介质，所产生的反射及散射光经接收后进行相关处理，便可还原所窃听目标的声信息。
激光窃听，就是利用激光具有极好的相干性、方向性等特性，用一束极细的红外激光（红外激光不易被发现），射到被窃听房间的物体表面时，只要该物体自身具有极微弱的振动，它就会对被反射的激光产生出足以能进行探测的变化。
若用一束激光对准窗玻璃进行照射，其中的一部分将会穿过玻璃而另一部分则会被反射回来。
如果这时的玻璃因受到室内人讲话声波的作用而有微小的振动，那末被反射的激光也必定会受到这种振动的调制。
只要将其接收并进行解调，就可以得到与室内人说话声音相同的波形，从而窃听到室内的讲话内容。
这就是激光窃听器的工作原理。
将光学测量与水下声波探测技术结合起来，设计一个利用激光对声信号进行探测的系统，通过检测经水面位移幅度调制后的单模连续激光的反射光信号，检测引起水面振动的水下声信号。
水下目标探测与识别技术 (2)
❖ (3) 提高图像处理算法的实时性能。水下机器人在自主作业过程 中，需要机器人具有快捷准确的反应能力，实时性是其中一个重 要性能指标，如何提高水下光视觉系统各个环节的处理速度，在 实现水下机器人可靠定位与作业规划中具有重要的意义。
2.2.2 水下光场理论
❖ 水下微光成像系统研究是一项颇具规模的工程，涉及众 多关键技术：如水下辐射衰减特性，水下辐射光谱特性， 水下辐射背向散射，成像光谱匹配，选通技术，三维信 息获得方法与技术，多谱信息融合算法与技术，运动效 应，密封技术等。
❖ 沿光线前进方向的散射最强，而垂直方向最弱；与光前进相反的 方向的散射强度比前进方向附近的散射强度小3~4个量级。
2.2.2.3 光在水下的传播
❖ 在水下这个特殊的环境中，光在水中传输时衰减很大，因为水对 光有着严重的吸收和散射作用。因此人眼在水中不能看得很远。 即使通过人工照明的水下电视摄像机，一般也只能观察到十米远 处的物体。目前扩大水下观察距离的途径主要有以下三种：
水下机器人等水下载体上，用于水中目标侦察、探测、识 别等，可实施探雷、探潜、反潜网探测和潜艇导航避碰等。 ❖ 在民用领域，水下光电探测系统可用于水下工程安装、检 修，水下环境监测、救生打捞、海底地貌勘探、石油勘探 钻井位置测定、生物研究等海洋开发。 ❖ 水下成像技术是集微光夜视技术、水下探测技术、信息、 处理技术等交又融合的一项综合性高新技术，己成为光电 信息领域发展的一个重要方面。
水下目标探测与识别技术 (2)
寻找水下沉船沉物和探测水雷
❖ 侧扫声纳分辨力高，可以发现水雷等小目标，可以发现沉船，并 能显示沉船的坐卧海底姿态和破损情况。 这是其他探测设备不 可替代的。
（2） 侧扫声纳工作原理
❖ 侧扫声纳的基本工作原理与侧视雷达类似,侧扫声纳左右各安装 一条换能器线阵，首先发射一个短促的声脉冲，声波按球面波方 式向外传播，碰到海底或水中物体会产生散射，其中的反向散射 波（也叫回波）会按原传播路线返回换能器被换能器接收，经换 能器转换成一系列电脉冲。
高速侧扫声纳 ❖ 对于单波束侧扫声纳而言，为了满足测量规
范中全覆盖的要求，侧扫声纳最大拖曳速度
V与量程R应满足如下关系：
❖ L为目标尺度，C为声速，R为量程，单位为 m，H为期望在目标上测量的点数
高速侧扫声纳
❖ 开发出了多波束和多脉冲两种新型的侧扫声纳。 多波束是在同一时刻形成多个波束的信号，多脉 冲是利用在一个发射周期内发射多个不同类型的 编码信号来实现航速的提高，其最大拖曳速度V与 量程R的关系如下
声纳图像的特点
❖ 与普通光学图像相比，声呐图像具有分辨率低，图像质量差， 随机干扰因素多，色彩单一，可读性差，无法实时比对等缺点。
❖ 有两个因素使声呐图像不同于一般图像，一是其成像机理，二 是复杂多变的海洋环境。
❖ 声波强度随传播距离的增加严重衰减，使回波信号的动态范围 增大，信噪比迅速降低；海水温、盐度的变化，造成声速变化， 影响斜距计算准确性；声波的折射，造成声波波束非直线传播; 严重的海洋环境噪声和设备噪声干扰。
（1） 侧扫声纳的应用 ❖ 海洋测绘 ❖ 海洋地质调查 ❖ 海洋工程勘探 ❖ 寻找水下沉船沉物和探测水雷
海洋测绘
❖ 侧扫声纳可以显示微地貌形态和分布，可以得到连续的有一定宽 度的二维海底声图，而且还可能做到全覆盖不漏测，这是测深仪 和条带测深仪所不能替代的，所以港口、重要航道、重要海区， 都要经过侧扫声纳测量。
探测技术▏水下目标搜索与识别技术
探测技术▏水下目标搜索与识别技术展开全文水下目标搜索与识别系统一般分为光视觉系统和声视觉系统，当距离物体十米以内，一般采用光视觉系统，当距离物体大于十米以上时则用声视觉系统。
当前流行的趋势是采用激光的方式来进行目标搜索与识别。
一、光视觉系统传统的光视觉系统包括水下摄像机、照明等设备用来满足获取光学图像和视频信息等基本的要求。
而现在的光视觉系统不仅要求满足上述要求，还要求具备对图像和视频信息进行处理、特征提取以及分类识别的功能。
总之，只能水下机器人中光视觉系统的使命是：快速、准确德获取水下目标的相关信息，并对信息进行实时处理，将处理结果反馈给计算机，从而指导机器人进行正确的作业。
水下光视觉系统主要分为三大块：①底层模块图像采集系统，包括专用水下CCD感光摄像头和图像采集卡，这部分属于硬件部分；②中层模块：图像处理，包括图像预处理、图像分割、特征提取、根据目标模型进行学习，形成知识库和逻辑推理机制，得到单幅图像的初步理解和评价。
③高层模块：分类是水下目标识别最为核心的技术，也是最终实现部分。
⒈ 硬件组成光视觉系统硬件包括光视觉计算机、水下CCD摄像头、云台和辅助照明灯。
光视觉计算机完成视觉建模、高层视觉信息处理和理解、与机器人主控计算机的网络通讯，实时监控系统每个时间节拍的运行状态与处理参数。
⒉ 软件体系水下光视觉系统的软件体系涵盖了两个部分：中层模块和高层模块。
中层模块主要负责图像处理工作(图像处理一般包括图像预处理、图像分割和特征提取三方面)。
高层模块是水下目标识别系统的最终实现部分，一般采用的是神经网络识别算法进行识别分类。
二、声视觉系统理想的声视觉系统作为智能水下机器人的传感设备，应该具备灵敏度高、空间分辨率高、隐蔽性好、抗干扰能力强、自主调节和全天候作业等特点，能适合探测弱目标和鉴别多目标的需要。
同时它能在比较复杂的人为干扰和自然干扰下，实现对目标的自动识别和跟踪选择。
声视觉系统最终要完成的任务是目标的自动定位、分类识别以及对运动目标实现跟踪，而完成这一任务的核心和前提条件是拥有一台高分辨率水声探测设备。
水下目标激光探测-讲课剖析
图3 两种同步扫描的原理图
11
三、激光探测的几种手段-〉激光电视
激光电视的两种扫描方式
图4 同步扫描的示意图
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三、激光探测的几种手段-〉线扫描
3.2 激光线扫描
该系统将激光扩束为片光源， 其照射区域成一线状。将摄像头 与光源拉开一定距离，使其照射 光路和拍摄视线成一定角度。一 方面，可以有效压制近距离水体 散射光的干扰；另一方面，片状 激光照射区域的“形变”能够间 接反映出被观测目标物体的外形 特征，摄像头在侧向可以很好地 将其记录下来。该系统一般安装 在一可移动平台上，通过平台径 向移动拍摄下来的图像数据通过 一定的算法可恢复出所扫描目标 物体的三维外形图。
图1
左边一幅是用激光做光源拍摄的水下图像， 右边是用500W灯泡照明拍摄的图像。
7
二、水下激光探测基本问题-〉散射
2.2 散射问题
海水对光线 的散射作用是 造成水下图像 模糊的另一个 重要原因。因 为水下摄像机 所接收到的光 线中有很很大 一部分并不是 由目标直接发 出的。
图2
8
Et Ed E fs Ebs
6
二、水下激光探测基本问题-〉吸收
2.1 吸收问题
海水对可见光的吸收是非常厉害的，但是在波长500多纳米左右海水有 一固有的“透射窗口” 。 某些激光器的波长恰好处在海水的这一“窗口”里，又由于激光光源 方向性好、亮度高，因而利用激光作为水下探测的光源无疑可以达到更好的 探测效果。 例： Nd：YAG激光器能够发出532nm的激光。
23
四、 国际动态-〉同步扫描
4.1.2 深海开发服务股份有限公司 (DDS) (美国)
深海开发服务股份有限公司(DDS)(美国Sachse工程联合有限公司的 子公司)研制出一种采用扫描激光传感器的水下探测系统，这种传感器 能提供低能见度水质的高分辨率光学数据。该系统的工作距离是硅增 亮管摄像机的4—5倍。 该系统用激光提供一个极窄向、高强度照明源，用一个光电倍增管 作为非成像单素能量检波器。照明光束和检波器视界(FOV)在最小和最 大景深之间的空间通量上进行同步。利用测高声呐输入的信息。测距 会自动调整跟踪与海床的距离。当一物体，如海床，激光束和检波器 视界(FOV)相交时，光会反射到检波器的表面。检波器的输入即表示这 种反射，并且作为成像的一个像素存储到控制台的存储器里。 DDS激光探测系统的研制成功是水下成像技术的一个重大突破，使 原来用常规成像系统不能完成的测量、目标识别和检测等成为可能。
利用激光技术探测水下目标的基本想法
利用激光技术探测水下目标的基本想法激光窃听技术在水声信号检测中的研究一．研究目的如何进行有效的水下声信号检测与处理一直以来都是各国研究的重点，当前使用的水下声信号检测与处理设备大多利用布放水中的水声换能器来进行检测，再利用后续信号处理电路进行处理，对于大范围的舰载/机载扫描检测多有不便。
迄今为止,已经投入使用或正在研制的很多水中目标探测设备的接收换能器往往都置于水中，换能器置于水中,就大大限制了水下目标探测设备的数据获取速率及探测的机动性。
我们都知道声波在水中的传播是最好的,而激光在空气中能很好地传播,如果我们在空中利用激光来检测水中声波,使两种物理场在水面处结合起来,就会形成较强的技术优势。
激光窃听器技术给了我们最初的启示，利用激光窃听技术实现对水中声源声信号探测使我们研究的方向。
激光水声探测技术可远距离、非接触地在空中平台上测量水表面的振动速度,进而获得水下声场振动频率,从而得到水下目标的声信号。
它在未来的海洋探测中具有巨大的应用前景。
二．研究内容现在国外已经成功研究出了激光窃听技术，其主要利用激光照射到目标玻璃、墙壁以及天花板等介质，所产生的反射及散射光经接收后进行相关处理，便可还原所窃听目标的声信息。
激光窃听，就是利用激光具有极好的相干性、方向性等特性，用一束极细的红外激光（红外激光不易被发现），射到被窃听房间的物体表面时，只要该物体自身具有极微弱的振动，它就会对被反射的激光产生出足以能进行探测的变化。
若用一束激光对准窗玻璃进行照射，其中的一部分将会穿过玻璃而另一部分则会被反射回来。
如果这时的玻璃因受到室内人讲话声波的作用而有微小的振动，那末被反射的激光也必定会受到这种振动的调制。
只要将其接收并进行解调，就可以得到与室内人说话声音相同的波形，从而窃听到室内的讲话内容。
这就是激光窃听器的工作原理。
将光学测量与水下声波探测技术结合起来，设计一个利用激光对声信号进行探测的系统，通过检测经水面位移幅度调制后的单模连续激光的反射光信号，检测引起水面振动的水下声信号。
水下目标激光探测-讲课
图1
左边一幅是用激光做光源拍摄的水下图像， 右边是用500W灯泡照明拍摄的图像。
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二、水下激光探测基本问题-〉散射
2.2 散射问题
海水对光线 的散射作用是 造成水下图像 模糊的另一个 重要原因。因 为水下摄像机 所接收到的光 线中有很很大 一部分并不是 由目标直接发 出的。
图2
8
Et Ed E fs Ebs
图22 室内ICCD示意图
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六、已完成的内容-〉距离选通初步试验
一些ICCD试验结果
图 23
34
五、所要做的工作-〉线扫描室内试验
5.3 线扫描室内试验
图17 美国南佛罗里达大学搭建的 室内实验系统
35
五、所要做的工作-〉线扫描室内试验-〉信号处理
5.3.1 三维重构算法
图18 线扫描原理图
水下目标激光探测
2003-5
1
一、绪论
2
一、绪论-〉意义
意义
在广阔的海洋面积中与人类最密切的区域是沿海、 近海和大陆架的浅海海域。据了解，世界上60％的人口 居住在离海岸100km以内的沿海地带，人们当前开发利用 海洋资源的大部分活动也主要集中在这一区域。在经济 开发上，诸如海岸防护、港湾建设、围海造田、滩涂养 殖、海洋能源的开发、制盐业、开辟和疏浚航道、铺设 海底电线、管道等各种工程设施，这些构成了人类开发 海洋的主要活动。近海的资源非常丰富，而近海自然资 源的开发和海岸、航道、港口的防护和建设等，这一切 经济活动都极需各种精确的、不同比例尺的海底地形地 貌图。从军事、国防角度看，当前全球军事的战略调整 有一个共同的趋向，就是世界各海洋大国都纷纷利用世 界战略格局变化的时机，积极地拓宽以海洋为重要方向 3 的战略空间。
水下目标探测与识别技术
常见合成孔径声纳型号
❖ 合成孔径声纳是通过小的孔径及其运动形成 等效大孔径。合成孔径声纳具有如下特点：
❖ 更为精确地的运动补偿需要利用数据自身，比较成功 的就是自聚焦等技术的引入，Eichel等在1990年申请 的Phase Gradient Autofocus(PGA)技术专利。
SAS发展过程（我国）
❖ 1997年7月，合成孔径声纳研究正式列入了国家863计划项目， 李启虎院士作为课题首席科学家主持该项目的研究工作；
❖ L为合成孔径。对于条带式系统，L的取值有一定的限 制。其中，R为到目标点的距离。分辨率与距离和波
长成正比，与孔径长度成反比。
合成阵列
❖ 实用过程中的合成孔径长度由波束宽度决定，如
❖ 其中，D为基阵孔径。 ❖ 即可以得到条带式合成孔径系统的分辨率为
❖ 成孔径系统的方位向分辨率与目标距离和成像频率无 关，这就可以实现长距离低频率获得高分辨率成像的 可能，这是真实孔径系统无法实现的。
SAS技术研究：
❖ 实际处理时,一般将运动补偿分为粗运动补偿 （ Coarse MOCOMP ） 和 细 运 动 补 偿 （ Fine MOCOMP）（或称为微导航）两个部分。
❖ 前者主要是利用导航工具获得的数据信息进行纠正, 而后者则是在前者处理的基础上，利用数据自身的 自聚焦方法进一步进行补偿纠正，从而最终获得清 晰的SAS图像。
❖ 2）大气中电磁波信号的衰减主要取决于天气状况，且对 SAR的影响微乎其微。水中声波信号的吸收情况则要明显 得多，主要取决于水体黏度和其化学过程，对于给定频率 的声波信号，其有效的作用距离基本可认为是固定的。
水下目标探测与识别技术
灰度变换
中值滤波
连续5帧分割效果图
利用混合高斯模型提取背景
获得运动目标
跟踪效果
f. 嗅觉传感器在水下跟踪中的应用技术
美军在2003年伊拉克战争中，就曾经使用水下 机器人REMUS(Remotely Environment Monitoring Units)携带水下嗅觉传感器，探测 港口的水雷或水下未知爆炸物。其在72小时之 内完成了以前猎雷艇需要2周才能完成的任务。
❖ 2007年韩国的TIN-YEONG PARK等人在PAN-MOOKLEE研 究的基础上,对REMUS对接系统进行改进,创造性的在对接装 置上布置了五个水下照明灯。该方法不仅提高了 AUV水下视 觉识别的距离,精简了自主定位的算法而且在水池试验中成功 实现了 AUV水下对接。
双目对接技术
❖ 实现精确的水下对接，AUV首先需要知道自身相对于 对接目标的距离信息；
❖ 基于视觉的管道跟踪只适用于近距离和非掩埋 情况，对于稍远距离和掩埋于海底的管道，视 觉跟踪无法实现。利用侧扫声纳成像技术,可 在稍远距离以实现对水下管道的跟踪。
❖ Heriot watt大学海洋系统实验室开展了利用测扫声纳 和多波束回声器进行实时跟踪水下管道的研究，其中 的关键技术是利用声纳成像进行管道辨识与分类。
水下无人自主航行器 （Autonomous Underwater Vehicle，AUV）
❖ 水下无人自主航行器拥有摄像机、声呐、GPS、深度计等传 感器，具有人工智能的任务控制器，高能量密度和续航力的 动力源，具有自主导航、任务规划、故障诊断、规避障碍、 收集、处理和传输信息的能力，具备高自主性和高自适应性， 灵活机动性和长航程的特点，可以用于水下侦察、测量、海 洋研究，也可用作水下无人武器系统。
水下激光探测与告警
水下激光探测与告警一、引言A. 研究背景B. 研究意义C. 国内外研究现状D. 研究内容和方法二、水下激光探测技术介绍A. 水下激光传输B. 水下激光测距C. 水下激光成像D. 水下激光雷达三、水下激光告警技术介绍A. 告警系统架构B. 水下激光告警原理C. 告警算法设计D. 告警系统的性能评估四、水下激光探测与告警的应用A. 海洋环境的实际需求B. 水下激光技术的应用案例C. 探测与告警集成应用案例D. 探测与告警系统的市场前景五、结论和展望A. 研究结论B. 研究展望C. 面临的挑战D. 研究的不足和改进方向一、引言A. 研究背景随着人类社会的发展，越来越多的关注从陆地转移到海洋。
海洋具有广阔的面积和丰富的资源，同时还扮演着重要的地球生态保护角色。
然而，海洋的深几千米处处处洋流怒涛，极端天气猛烈无比，这给人们进行深海勘探、海底地理与环境监测以及危险品探测等任务带来了极大的困难。
在这种情况下，对水下的探测和告警技术迫切需求，尤其是对于刚刚起步的深海勘探而言更是如此。
水下激光探测技术是一种高精度、高清晰度且能穿透浑浊水体的技术，它可以在长距离范围内探测目标物体，并将其实时成像和测距。
同时，结合人工智能技术，水下激光探测技术还可以实现自动化监测和告警，提高探测效率和精度。
B. 研究意义水下激光探测技术的应用领域广泛，如地质调查、海底管线监测、油气开发、水下文物保护等。
随着国家对深海勘探和开发、海洋环境保护的重视，以及水下机器人、智能控制等技术的不断发展成熟，水下激光探测技术将在未来得到越来越广泛的应用。
C. 国内外研究现状国际上，欧洲和北美是水下激光探测技术研发和应用的主要区域。
德国、法国、英国等国家拥有较为成熟的水下激光探测技术和相关企业。
美国的水下激光探测技术也居于国际领先地位。
国内，水下激光探测的研究刚刚起步。
目前，主要研究包括水下激光测距技术、水下激光成像技术、水下激光雷达等技术的研究以及一些相关的应用案例。
水下激光成像技术原理
水下激光成像技术原理
水下激光成像技术是一种应用激光技术进行水下成像的方法。
它利用激光的高能量和直线传输特性，通过水下激光扫描，将目标物体表面反射的激光信号转化成图像。
水下激光成像技术主要包括两种方式：直接成像和间接成像。
直接成像是将激光束直接照射在目标物体表面，然后将反射的光信号转换成电信号进行处理，最终得到物体表面图像。
间接成像是先将激光束照射在水下的散射介质上，产生散射光信号，然后将散射光信号转换成电信号，最终得到物体表面图像。
水下激光成像技术在水下探测、水下机器人、水下搜救等领域有着广泛的应用。
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图6 线扫描系统 示意图
图7 线扫描实际水 下工作示意图
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三、激光探测的几种手段-〉距离选通
3.3 ICCD距离选通（range gating）
ICCD摄像器件具有高速可控门控的特性，而脉冲激光器的脉冲宽度 可以做到10ns以内，将这两种特性相结合可以获得更佳的水下图像。 我们可以将ICCD系统的特色更精确地描述如下： 可控的门控 + 脉冲激光 〈----〉 水体散射 ICCD高的探测灵敏度 〈----〉 水体吸收
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四、 国际动态-〉距离选通系统
4.2 距离选通系统
4.2.1 圣地亚哥斯巴达公司
圣地亚哥斯巴达公司已实现了一种激光距离选通技 术，并制成遥控操纵的seeRay系统。 激光器产生 200mJ 的 1 ． 06Mm 波长光脉冲，持续时间 6ns，重复率30Hz。倍频效率约65％，总光效高于1％。 接收器是 Xybion Gen II 微通道板增强的 CCD 摄象机， 提供5ns时间的选通能力，有较高的增益和合适的分辨率 (400条垂直电视线)。 工作的激光距离选通水下成像系统可在六倍以上衰 减长度的距离上使可识别目标成象，并能探测 10 倍以上 衰减长度逻离上的目标。相比这下，水下视频系统一般 只能达到两倍衰减长度的性能。
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三、水下激光探测的几种手段 （分类）
激光电视（又叫激光同步扫描） （同步激光电视） 激光线扫描
距离选通
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三、激光探测的几种手段-〉激光电视
3.1 激光电视
这种方法主要利用了窄束激光方向性好、能量集中、可用于高亮度照明的特 性，并尽可能地错开照射光源和摄像机视场在近距离的重叠区域，以减少近处海 水对光源的回向散射。 由于激光光源属于点照明，所以必须采用二维扫描的方 式才能获得完整的标示目标反照率的灰度图像。
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四、 国际动态-〉同步扫描
4.1.2 深海开发服务股份有限公司 (DDS) (美国)
深海开发服务股份有限公司(DDS)(美国Sachse工程联合有限公司的 子公司)研制出一种采用扫描激光传感器的水下探测系统，这种传感器 能提供低能见度水质的高分辨率光学数据。该系统的工作距离是硅增 亮管摄像机的4—5倍。 该系统用激光提供一个极窄向、高强度照明源，用一个光电倍增管 作为非成像单素能量检波器。照明光束和检波器视界(FOV)在最小和最 大景深之间的空间通量上进行同步。利用测高声呐输入的信息。测距 会自动调整跟踪与海床的距离。当一物体，如海床，激光束和检波器 视界(FOV)相交时，光会反射到检波器的表面。检波器的输入即表示这 种反射，并且作为成像的一个像素存储到控制台的存储器里。 DDS激光探测系统的研制成功是水下成像技术的一个重大突破，使 原来用常规成像系统不能完成的测量、目标识别和检测等成为可能。
图22 室内ICCD示意图
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六、已完成的内容-〉距离选通初步试验
一些ICCD试验结果
图 23
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五、所要做的工作-〉线扫描室内试验
5.3 线扫描室内试验
图17 美国南佛罗里达大学搭建的 室内实验系统
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五、所要做的工作-〉线扫描室内试验-〉信号处理
5.3.1 三维重构算法
图18 线扫描原理图
图3 两种同步扫描的原理图
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三、激光探测的几种手段-〉激光电视
激光电视的两种扫描方式
图4 同步扫描的示意图
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三、激光探测的几种手段-〉线扫描
3.2 激光线扫描
该系统将激光扩束为片光源， 其照射区域成一线状。将摄像头 与光源拉开一定距离，使其照射 光路和拍摄视线成一定角度。一 方面，可以有效压制近距离水体 散射光的干扰；另一方面，片状 激光照射区域的“形变”能够间 接反映出被观测目标物体的外形 特征，摄像头在侧向可以很好地 将其记录下来。该系统一般安装 在一可移动平台上，通过平台径 向移动拍摄下来的图像数据通过 一定的算法可恢复出所扫描目标 物体的三维外形图。
b ( x, y, x ) ( x , y, f ) f * ctg() x
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五、所要做的工作-〉线扫描室内试验-〉信号处理
5.3.2 激光亮带提取算法
图19 激光线扫描系统 在水下拍摄的原始图像
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图20 水下物体外形 的三维重构
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物体二维灰度图与三维外形图的比较
两图中左为水雷，右为轮胎
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四、 国际动态-〉距离选通系统
前苏联也是较早研究蓝绿激光探潜技术的国家 之一。早在80年代就有报道称前苏联已能从时速为 每小时160 千米的低空飞行的飞机上利用激光扫描 技术探测水下目标。在1993年, 美国《世界武器评 论》报道: 俄罗斯已在图95“熊Ⅳ”型轰炸机的头部 安装了蓝绿激光潜艇探测系统, 以搜索沿海潜艇、 小型潜艇和水雷。 综上所述, 可见美、俄两国已逐渐完成了蓝绿 激光探潜/ 探雷系统的原理研究, 有小批量该类设备 形成装备, 投入部队使用。
图1
左边一幅是用激光ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ光源拍摄的水下图像， 右边是用500W灯泡照明拍摄的图像。
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二、水下激光探测基本问题-〉散射
2.2 散射问题
海水对光线 的散射作用是 造成水下图像 模糊的另一个 重要原因。因 为水下摄像机 所接收到的光 线中有很很大 一部分并不是 由目标直接发 出的。
图2
8
Et Ed E fs Ebs
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四、 国际动态-〉距离选通系统
4.2.2 加拿大LUCIE系统
加拿大研制的LUCIE系统，全称是Laser Underwater Camera Image Enhance ，使用 两级的ICCD和YAG532nm激光器实现的距 离选通系统。已经陆续做过大量的水下试 验，并实现搭载于Rov(HYSUB 5000)上， 获取了许多现场的图片数据。据称，实际 探测距离可以达到常规照明方案的5倍 。
水下目标激光探测
2003-5
1
一、绪论
2
一、绪论-〉意义
意义
在广阔的海洋面积中与人类最密切的区域是沿海、 近海和大陆架的浅海海域。据了解，世界上60％的人口 居住在离海岸100km以内的沿海地带，人们当前开发利用 海洋资源的大部分活动也主要集中在这一区域。在经济 开发上，诸如海岸防护、港湾建设、围海造田、滩涂养 殖、海洋能源的开发、制盐业、开辟和疏浚航道、铺设 海底电线、管道等各种工程设施，这些构成了人类开发 海洋的主要活动。近海的资源非常丰富，而近海自然资 源的开发和海岸、航道、港口的防护和建设等，这一切 经济活动都极需各种精确的、不同比例尺的海底地形地 貌图。从军事、国防角度看，当前全球军事的战略调整 有一个共同的趋向，就是世界各海洋大国都纷纷利用世 界战略格局变化的时机，积极地拓宽以海洋为重要方向 3 的战略空间。
二、水下激光探测基本问题-〉激光探测
激光用于水下目标探测
水下激光探测的最终目标就是：利用激光的 某些特性，将其和一些具有特殊功能的光电器件 相结合，最大限度地抑制海水对光线的吸收和散 射作用，以期获得质量更佳的水下图像或是较精 确的目标外形特征描述。 本人的论文就是围绕水下目标激光探测而展 开，主要内容包括：多种水下激光探测手段的比 较与可行性分析；水下激光探测原理和实验系统 （方案）设计；后期图像信号处理。
5.1 ICCD距离选通系统的实验室试验
图10 Princeton ICCD 系统
图11 ICCD拍摄系统框图
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五、所要做的工作-〉距离选通实验室试验
实验室ICCD系统框图
图12 ICCD系统总体框图
图13 工作流程图
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ICCD室内拍摄
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六、已完成的内容-〉距离选通初步试验
6.1 实验室内的ICCD距离选通 初步试验
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四、 国际动态
从事激光水下探测的国家有很多，
如美国的、澳大利亚的、加拿大的、瑞
典的、俄罗斯等。这里仅挑一些有代表
性的系统作一下简单介绍：
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四、 国际动态-〉同步扫描
4.1 同步扫描系统
4.1.1 里弗莫尔实验室科学家研制的成像系统 (美国) 这个系统能帮助海军远距操纵舰船在海洋最深处执行打捞和援救任 务。为了克服后散射，采用与Ar激光束同步的窄视场图像析像管，激光束与 探测器视场在靶面相交，一次照亮一个“象素”，高速扫描仪激光束在光栅 型靶面来回扫描，其速度足以提供视频信号。由于探测器视场精密对准，探 测器又装在离激光源2—4英尺外，因而激光束和探测器重叠处海水的体积小， 后向散射效应大为降低。
一、绪论-〉常用探测手段及其特点
常用探测手段及其特点
声学探测 穿透海水的能力强，探测距离远。 成像分辨率有限。 潜水区（浅于200ft）的应用受限制。 光学探测 分辨率高 探测距离有限
4
二、水下激光探测
基本问题
5
二、水下激光探测基本问题-〉水下目标探测难点
水下目标探测难点
水下目标图像探测一直是困扰海洋界 的一个难题，这是因为海水对光线具有的 强烈吸收和散射作用，通常的水下探测手 段距离有限而且图像质量不佳。水下探测 要获得好的效果，就必须从解决吸收和散 射这两方面入手。
6
二、水下激光探测基本问题-〉吸收
2.1 吸收问题
海水对可见光的吸收是非常厉害的，但是在波长500多纳米左右海水有 一固有的“透射窗口” 。 某些激光器的波长恰好处在海水的这一“窗口”里，又由于激光光源 方向性好、亮度高，因而利用激光作为水下探测的光源无疑可以达到更好的 探测效果。 例： Nd：YAG激光器能够发出532nm的激光。
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四、 国际动态-〉距离选通系统
4.2.3 美国和俄罗斯军方的研究
早在60年代初, 就开始探索激光探潜的可行性。在1963～1967年, 美国俄亥俄州大学科学实验室为空军航空电子实验室进行了一系列 实验和理论研究, 目的是确定机载光雷达探测水下目标( 如潜艇) 的可 行性和优化设计需要的参数。在1987年, 美国国际研究远景规划局将 蓝绿激光探潜列为正在进行的几项非声波探潜技术计划之一。在 1990～1991年海湾战争期间, 美国海军将命名为“魔灯”的ML—30 型蓝绿激光探测系统装在“弗里兰”号护卫舰上的SH—2F“海妖”直 升机上, 在海湾进行探水雷试验。 之后, 美国海军将“魔灯”蓝绿激光系统更为发展探测水雷设备 “辛勤吃鱼狗”计划中的首项发展设备。在1991年年末, 美国海军投 资 1060 万美元研制比 ML—30 更先进的 ML—90 型“魔灯”蓝绿激光 系统, 并计划在1993年夏季进行试验。与此同时, 美国海军陆战队为 实现对海滩和两栖登陆区域的雷场警戒, 投资1260万美元研制可装在 战斗机、直升机以及无人驾驶飞机上的“魔灯”改进型, 亦即ML(A) 型的蓝绿激光探测系统, 可望在1994年中进行测试。