华中科技大学硕士学位论文
modulate摘要
随着激光雷达水下探测技术的广泛使用，更多的注意力被转移到了探测过程中遇到的严重的后向散射信号上来。如何抑制后向散射信号成为激光雷达技术的核心问题之一。
近年来载波调制激光雷达技术被作为一项抑制海水后向散射信号的先进技术被提出。由于激光雷达目标反射信号可以保持探测信号的频率特性，而海水后向散射来自随机分布的散射体的反射，大量随机反射的叠加导致后向散射信号呈现出低频特性。该方法利用这一特点，提出将微波雷达成熟的相干检测技术与激光雷达能穿透海水的特性相结合，引入频域滤波法抑制后向散射，即在发射端将探测信号调制到高频、在接收端进行频域检测、利用带通滤波器滤除低频信号。
为了考察该方法的正确性，本文以蒙特卡罗方法为基础，详细分析了光子从发射机发射到回到接收机的整个传播过程，构建了光子水下传输的模型，并以该模型为基础对光子水下传输的整个过程以及信号处理部分进行了软件仿真。通过仿真，可以发现目标回波信号的对比度增强，从而从微观上证明了该方法的可行性。
此外，本文还通过固定滤波器带宽研究与比较不同调制频率下目标回波信号分辨率，以及固定调制频率
研究和比较不同滤波器带宽下目标信号的分辨率的方法，研究了这两个参数对整个系统性能的影响，并结合实际情况给出了较合适的调制频率和滤波器带宽参数，为该方法付诸实践提供了理论研究与理论支持。
关键字：调制脉冲激光雷达海洋探测后向散射频域滤波蒙特卡罗
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Abstract
As the more widely use of lidar for underwater detection, more attentions have been focused on the serious backscattering noised during detection. How to restrain the backscattering signal has become the core problem of the lidar technology.
Recently modulated-pulse lidar has been raised as an advanced technic to restrain the backscattering noise. As the target reflection signal can keep the frequency characters of the detection signal, and backscattering noise the reflection of randomly distributed scattering volume, the overlaps of lots of randomly reflection can make the scattering signal to show a low-frequency character. This method takes advantage of this character, and combines the mature coherent detecti
on technology and the water-penetrating ability, and introduces the method of using frequency filtering to restrain the backscattering signal. This is a method to modulate the detection signal to a high frequency at the transmitter, do frequency detection at the receiver, and use bandpass filter to cease the low frequency signal.
In order to exam the correctness of this method, this paper analyzed the whole transmission process of photon from transmitter to receiver, constructed the underwater transmission model of photon, and simulated the whole transmission process and signal processing part with software based on Monte Carlo method. By this simulation, it shows the contrast of the target reflection signal has been enhanced. This way, the feasibility of this method is proved from the micro-level.
Moreover, this paper studied the influence of the bandwidth of the filter and the modulating frequency to the whole system by comparing the target resolution with different modulating frequency with fixed bandwidth, and different bandwidth with fixed modulating frequency. Considering the actual conditions, a proper modulating frequency and filter bandwidth has been given. This gives theory research and theoretical support for the actual application.
Keywords: modulated-pulse lidar  ocean exploration  backscattering
frequency filtering  Monte Carlo method
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1 绪论
1.1 激光雷达水下探测的意义
海洋占地球表面积的71%，是人类生存环境的重要组成部分，并且蕴藏着各种丰富的自然资源。因此无论在地球环境方面还是在人类社会的经济发展方面，海洋都有着十分重要的地位和作用。特别是近几十年来，世界面临人口、资源、环境问题的巨大挑战，海洋作为一个具有巨大开发利用潜力而又基本上未开发利用的重要领域，已经受到越来越大的重视。另一方面，我国海域辽阔，有300多万平方千
米，海岸线长18000千米以上，海底丰富资源的开发，以及近代史上我国多次从海上受到外敌入侵的教训，都凸显出保卫我国海域的重要军事意义。
水下探测在海洋领域具有重大的军事和民用价值，如对海底地貌测绘，并获得海图，或探测失事船只、暗礁、、潜艇和鱼等。
从三十年代早期开始，采用声呐探测在水下探测领域就占有了统治地位。声波是目前已知的唯一能在海水中远程传播的波，所以声呐被广泛用于海军的各个兵种。在民用方面，声呐被用于捕鱼、海底地质勘探、水下定位、导航、石油开发等方面。声呐水下探测的缺点主要有[1]：
1) 声呐只能装载在船上，水面船只的低速运动限制了探测的覆盖效率；即使是装载在飞机上，声呐探测器也必须拖放在水中，因此搜索速度受到很大的限制。
2) 测量船需要工作在有一定深度的水域里，这样对浅水水域的探测仍然是一个挑战。
3) 声呐在浅海中的多径效应，使信号处理的难度增大。
4) 影响声呐工作性能的因素很多，如温度、盐度、风浪、海流、内波、海底类型和海中悬浮物等。在深海中的传播规律，已有系统的理论；但在浅海中传播时，由于海底和水文条件的多变性，理论计算很困难。
5) 海洋声学的实验规模较大，除依靠调查船外，还需大量采用浮标和固定岸站来完成，有些实验因耗资过大，往往需要几个国家联合进行。
由于声呐水下探测存在以上缺点，因此需要发展更为快速、高效和更为精确的探测技术以实现浅水水域的探测。这就导致了机载激光雷达水下目标探测和测距系统的发展[2,3]。利用激光进行探测和测距的设备，通常称为激光雷达。激光是光波波段的电磁辐射，波长比微波和毫米波短得多，可以用振幅、频率、相位和偏振来
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搭载信息，作为信息的载体。除载波不同外，激光雷达与微波雷达并无本质区别。但激光光束发散角小，能量集中，探测灵敏度和分辨率高，天线和系统的结构尺寸可做得很小，这些独特之处使激光雷达有别于微波雷达的应用领域和应用方式，如机载激光雷达海洋探测。
机载激光雷达海洋探测是利用机载的蓝绿激光发射和接收设备，通过发射大功率、窄脉冲激光，探测水下目标的一种先进的遥感技术[4]。它的优点包括[5-9]：
(1)激光束受海水盐分、水温和水压等因素影响小，其测深和定位精度可高达±0.25m；
(2)能提供快捷、大面积搜索，机动性强，掩蔽性好，测量面积可达70×250㎡/s，测点距离10m；
(3)不仅能确定水下目标的位置，还能测绘出几何形状；
(4)操作方便，运行成本低。例如用直升机进行机载探测对海底地貌测绘并获得海图，其速度比用声呐探测技术要快数百倍，而且分辨率更高。
因此，尽管激光雷达的水下探测距离较小，声呐在深水探测方面仍然是最主要的技术手段，但是在浅水探测方面，激光雷达已经显示出比声呐更强的竞争力，是一种极有发展前景的技术。
1.2 激光雷达水下探测的研究现状及应用前景
1.2.1 国内外研究状况
1.2.1.1 激光雷达发展状况
蓝绿激光比其它波长的电磁波有更强的海水穿透能力，激光雷达探测系统多采用蓝绿光作为探测光源，且一般采取机载的工作方式[10]。机载激光雷达海洋探测系统的工作原理主要是机载蓝绿激光器向海平面发射高峰值功率激光脉冲，激光脉冲经过大气、大气－海水界面和海水介质的传输到达水下目标或海底表面，然后，被反射回来，沿上述信道逆向传输，最后，由机载信号接收系统将回波信号接收并经过光电转换和信号处理，就得到了被测目标的信息了。国内外对机载激光雷达探测系统的研究，大致经历了三个阶段。
(1)初始阶段
美国、加拿大和澳大利亚等国先后研制和试验了第一代激光水深测量系统。1968年，美国Syracuse大学的Hickman和Hogg建造了世界上第一个激光海水深

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