2024年1月13日发(作者：瓮子濯)
水下航行器光学隐蔽深度测量系统
朱海荣;朱海;刘金涛;温亚楠;李惟羽
【摘 要】为了实现对水下航行器光学隐蔽深度的实时测量,研制了水下航行器光学隐蔽深度测量系统.根据目标背景对比度的传输理论,分析了目标背景对比度在海水、大气、海面的传输特性,建立了水下航行器光学隐蔽深度模型.基于该模型分析了测量水下航行器光学隐蔽深度所需要的参数,设计了测量海水上行辐照度、海水下行辐照度、海水体衰减性系数、海水漫衰减性系数和水下航行器表面反射率的测量方法,并完成一次海上试验.试验测得良好天气情况下特征尺度为12 m的水下航行器的光学隐蔽深度为25～35m.试验结果表明,设计的测量系统可以实现对水下航行器光学隐蔽深度测量,并适用于各类潜艇.由于改变了传统的在水面进行深度测量的方式,该系统工作稳定可靠,提高了隐蔽性和对海域测量的准度,可为水下作战决策提供帮助.
【期刊名称】《光学精密工程》
【年(卷),期】2015(023)010
【总页数】7页(P2778-2784)
【关键词】光学隐蔽深度测量;水下航行器;目标背景;对比度
【作 者】朱海荣;朱海;刘金涛;温亚楠;李惟羽
【作者单位】海军潜艇学院,山东青岛266000;海军潜艇学院,山东青岛266000;中国海洋大学信息科学与工程学院,山东青岛266000;青岛市光电工程技术研究院,山东青岛266000;海军潜艇学院,山东青岛266000
【正文语种】中 文
【中图分类】TJ67;U666.16
1 引 言
非声学水下航行器的探测手段主要有光学探测、微波遥感探测、磁探测、电场探测等。随着水下航行器消音、消磁技术的应用，光学探测成为了基本的水下目标探测手段［1］，因此水下航行器的光学隐蔽是最基本的航行安全保证条件之一。水下航行器的光学隐蔽深度是指在平静海面和大气能见度较好的情况下，在海面200m高处航空侦察机上通过目力、望远镜或光学相机能够观测到的水下目标的最大深度［2］。中国近海水深较浅，实时获取所在海洋环境的光学隐蔽深度，对确保水下航行器活动过程中航行的安全性，提高航行器的隐蔽能力和作战能力，正确指导指挥员反光学侦查及辅助作战的意义重大。
目前，国内军事上水下航行器反光学探测的航行深度依旧是参照透明度盘深度来估计的，即约30cm直径的白色圆盘下沉到恰好看不到的深度［3］。然而在形状和颜色上，白盘和水下航行器对光传输的影响有明显的差异，因此该方法的测量误差较大，仅适用于水面状态测量。传统的海洋光学环境测量有遥感手段和光学浮标获取，但传统的测量方法无法实时地将数据传给执行水下任务的无人机或潜艇。在战术运用上，潜艇的反光学探测手段主要是利用气象、水文条件增加航行深度，减少上浮次数和通气管状态下的航行时间［4］。综上，光学隐蔽深度测量系统可以实时获取水下航行器所在海洋环境的光学隐蔽深度，对保障其航行安全具有重要的军事应用价值。本文基于辐射传输理论和目标背景对比度理论［5］建立了水下航行器的光学隐蔽深度模型，并设计了光学隐蔽深度测量系统。该系统通过实时获取海
水上行辐照度、海水下行辐照度、海水体衰减系数、海水漫衰减系数以及航行器表面反射率［6］及实时计算得到光学隐蔽深度。
2 水下航行器的光学隐蔽深度模型
2．1 目标背景对比度传输理论
目标背景对比度是识别目标的判定标准之一。它是表述水下目标与背景之间辐射差别的参量，水下航行器的固有对比度可表示为：
式中：Lb0，L0分别是水下航行器处的背景辐亮度和固有辐亮度。距离航行器r处的对比度为表观对比度［3］，为：
式中：Lr，Lbr分别是距离航行器r处的航行器辐亮度和背景辐亮度。
海水中辐射传递方程为：
式中：c是海水体积衰减系数，L＊是辐射总增量。
目标背景对比度的传输过程如下：第一个过程是在海水中的传输，第二个过程是在海面传输，第三个过程是在空气中传输。
2．1．1 海水中的传输特性
根据式（3），航行器辐亮度和背景辐亮度的辐射方程分别为：
两式相减得到：
将式（1）、（2）代人式（6）得到：
又因为Lb0＝Lbre-kcosθr，得到对比度传输方程为：
式中：k为海水漫衰减系数。那么两个连续路径r和s的海水漫衰减系数为：
2．1．2 海面传输特性
忽略太阳直射的影响，海面的反射效应可表示为：
式中：Lu（0-）为水次表面向上辐亮度，ρs为海面反射率，nw是海水折射率。根据Preisendorfer结论，海面折射及波浪效应为：
式中：φ为海水次表面航行器的半视角，σ2为海面光学状态。
2．1．3 在空气中传输特性
消光［7-8］是指大气对辐射强度的衰减作用，经过路径传输后的大气光谱透射比为：
其中μ为消光系统。
2．2 模型的建立
航空侦察观测到的表观对比度为：
由于航行器本身不会发光，所以航行器的固有对比度为：
式中：Eu是海水上行辐照度，Ed是海水下行辐照度，rt是航行器表面反射率。
从海水背景中识别航行器所需要的目标背景阈值对比度Ct为［9］：
式中：α为目标视角，与航行器的特征尺度L、观察距离H以及探测器的放大倍率
M有关。M是辅助目视器材的放大倍率，裸眼无助目视时M＝1。即有：
当Cr下降到Ct时，航行器的深度就是光学隐蔽深度，有：
化简后得：
式中：D为航行器的光学隐蔽深度，H为侦察机的飞行高度。因此，在已知海面反射效应折射及波浪效应的情况下，通过测量海水体积衰减系数、漫衰减系数、海水下行辐照度、海水上行辐照度、航行器表面反射率可以得到光学隐蔽深度。
3 测量系统的设计
3．1 海水下行辐照度测量
海洋渐近光场中的下行辐射存在极强的方向性［10］，辐射通量集中在天顶方向较窄的立体角内，航行器的姿态变化会造成集光器的光轴偏离天顶方向［11］，余弦误差也会影响海水中下行辐照度的测量［12］。
当余弦集光器的光轴方向偏离天顶时，基于海洋渐近光场的二分量简化模型为：
式中：L1为漫反射辐射率分量，角分布与方向无关，对辐照度的贡献不随集光器姿态的变化而变化；L2｜θ＝0为垂直下行辐射率分量，对辐照度的贡献与集光器姿态角的余弦成正比。
图1 下行辐照度双光学探头测量Fig．1 Measurement of downward irradiance
with double optical probes
如图1所示，用光轴共处同一垂直面的两个2π立体角辐照度测量传感器来同时测量海洋的下行辐照度，则有：
式中：α为两传感器底座在它们的光轴平面内的姿态角，β为两传感器光轴之间的夹角，有：
由式（22）和（23）可见，根据姿态传感器测量的姿态数据，利用两个传感器就可以解算下行辐射率的两个分量。这样，海洋的实际下行辐照度为：
3．2 海水上行辐照度测量
上行辐照度测量最大的干扰源为阴影效应。根据上行渐近光场的各向同性分布简化模型，只要在任意方向测量海洋渐近光场的上行辐射率，然后在上行的2π立体角内积分，就可获得上行辐照度。如图2所示，采用在水平方向测量辐射率的方式对上行辐照度实施间接测量，图中箭头代表光学探头的光轴方向。
式中：Lu为海水中的上行辐射率，Lmin为下俯辐射率探头的测量结果，Lmax为上仰辐射率探头的测量结果，k为潜艇遮挡效应的校正系数。采用横向辐射率测量法，只要选取合适的遮挡效应校正系数，就能最大限度地降低阴影效应的影响。
图2 上行辐照度双辐射率光学探头测量Fig．2 Measurement of upward
irradiance with double radiance optical probes
3．3 海水体积衰减系数测量
海水的衰减系数为：
式中：φi为平行入射光通量，φa为吸收光通量，φb为散射光通量。若采用人工准直光源，式（26）可简化为：
因此，在两个位置上测量辐亮度，即有：
3．4 海水漫衰减系数测量
根据海洋两流辐射传输理论［11］，可将海水看作是一种水平平面分层介质，下行辐照度的传输方程为：
式中Kd是海水的下行漫衰减系数。忽略漫衰减系数随深度的变化，在两个深度上测量下行辐照度，则有：
3．5 航行器表面反射率测量
航行器表面对入射光的反射作用近似为朗伯反射，所以航行器反射率可表示为：
式中：Ls（z，λ）是航行器上表面的反射光辐射率，Ed（z，λ）是海洋下行辐照度。
水下航行器光学隐蔽深度测量系统的研制主要包括各探测模块和信息处理模块的设计、水密外壳体加工及装置总体集成。该系统可实现水下自主工作，采集和处理辐照度、辐射率光电流；采用的存储卡和无线传输的设计，可实现数据的离线存储及实时传输，便于测量数据的分析。该系统调试如图3所示。
图3 测量系统调试Fig．3 Debugging of measurement system
4 实验与结果
2015年1月18日，在青岛某码头对水下航行器光学隐蔽深度测量装置进行了海上试验，如图4所示。探测装置利用缆绳吊放，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下行辐照度、上行辐照度、深度、海水漫衰减系数的测量。测量完成后，数据通过无线传输的方式发送到计算
机。
图4 海上试验Fig．4 Experiment on sea
图5 ～图7分别为测量得到的海水下行辐照度、海水上行辐照度和漫衰减系数随深度的变化曲线。
图5 下行辐照度Fig．5 Variation of downward irradiance with depth
良好天气条件下，计算得到200m高空裸眼无助目视，特征尺度为12m，表面反射率为0．02的水下航行器的光学隐蔽深度，如图8所示。
图6 上行辐照度Fig．6 Variation of upward irradiance with depth
图7 漫衰减系数Fig．7 Variation of diffuse attenuation coefficient with
depth
图8 光学隐蔽深度测量结果Fig．8 Measurement result of optical
concealment depth
5 结 论
本文建立了水下航行器光学隐蔽深度模型，完成了光学隐蔽深度测量系统的设计，并进行了海上试验测量，获取了计算光学隐蔽深度需要的海洋参数，得到了试验码头水域下行辐照度、上行辐照度随深度的变化情况。用测量得到的辐照度相对值的比值得到模型中的海水衰减系数和漫衰减系数，因此不需进行辐照度定标。测量过程中海流会干扰漫衰减系数的测量，这可以通过增加采样频率和减慢测量系统的升降速度来优化。试验得到良好天气情况下，该码头水域特征尺度为12m时，水下航行器的光学隐蔽深度为25～35 m；而且在不同的水深测量会得到不同的光学隐蔽深度，这主要受海水光学参数垂向分布的影响。
水下航行器光学隐蔽深度测量系统适用于各型潜艇，改变了出海前需要潜艇浮起在水面测量的方式，提高了隐蔽性和对海域测量的准度，有助于水下作战辅助决策。
下一步工作主要是系统测量精度的提高、测量系统的小型化设计、测量系统与潜艇的共形设计，以及姿态和阴影效应对测量的影响研究。
参考文献：
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2024年1月13日发(作者：瓮子濯)
水下航行器光学隐蔽深度测量系统
朱海荣;朱海;刘金涛;温亚楠;李惟羽
【摘 要】为了实现对水下航行器光学隐蔽深度的实时测量,研制了水下航行器光学隐蔽深度测量系统.根据目标背景对比度的传输理论,分析了目标背景对比度在海水、大气、海面的传输特性,建立了水下航行器光学隐蔽深度模型.基于该模型分析了测量水下航行器光学隐蔽深度所需要的参数,设计了测量海水上行辐照度、海水下行辐照度、海水体衰减性系数、海水漫衰减性系数和水下航行器表面反射率的测量方法,并完成一次海上试验.试验测得良好天气情况下特征尺度为12 m的水下航行器的光学隐蔽深度为25～35m.试验结果表明,设计的测量系统可以实现对水下航行器光学隐蔽深度测量,并适用于各类潜艇.由于改变了传统的在水面进行深度测量的方式,该系统工作稳定可靠,提高了隐蔽性和对海域测量的准度,可为水下作战决策提供帮助.
【期刊名称】《光学精密工程》
【年(卷),期】2015(023)010
【总页数】7页(P2778-2784)
【关键词】光学隐蔽深度测量;水下航行器;目标背景;对比度
【作 者】朱海荣;朱海;刘金涛;温亚楠;李惟羽
【作者单位】海军潜艇学院,山东青岛266000;海军潜艇学院,山东青岛266000;中国海洋大学信息科学与工程学院,山东青岛266000;青岛市光电工程技术研究院,山东青岛266000;海军潜艇学院,山东青岛266000
【正文语种】中 文
【中图分类】TJ67;U666.16
1 引 言
非声学水下航行器的探测手段主要有光学探测、微波遥感探测、磁探测、电场探测等。随着水下航行器消音、消磁技术的应用，光学探测成为了基本的水下目标探测手段［1］，因此水下航行器的光学隐蔽是最基本的航行安全保证条件之一。水下航行器的光学隐蔽深度是指在平静海面和大气能见度较好的情况下，在海面200m高处航空侦察机上通过目力、望远镜或光学相机能够观测到的水下目标的最大深度［2］。中国近海水深较浅，实时获取所在海洋环境的光学隐蔽深度，对确保水下航行器活动过程中航行的安全性，提高航行器的隐蔽能力和作战能力，正确指导指挥员反光学侦查及辅助作战的意义重大。
目前，国内军事上水下航行器反光学探测的航行深度依旧是参照透明度盘深度来估计的，即约30cm直径的白色圆盘下沉到恰好看不到的深度［3］。然而在形状和颜色上，白盘和水下航行器对光传输的影响有明显的差异，因此该方法的测量误差较大，仅适用于水面状态测量。传统的海洋光学环境测量有遥感手段和光学浮标获取，但传统的测量方法无法实时地将数据传给执行水下任务的无人机或潜艇。在战术运用上，潜艇的反光学探测手段主要是利用气象、水文条件增加航行深度，减少上浮次数和通气管状态下的航行时间［4］。综上，光学隐蔽深度测量系统可以实时获取水下航行器所在海洋环境的光学隐蔽深度，对保障其航行安全具有重要的军事应用价值。本文基于辐射传输理论和目标背景对比度理论［5］建立了水下航行器的光学隐蔽深度模型，并设计了光学隐蔽深度测量系统。该系统通过实时获取海
水上行辐照度、海水下行辐照度、海水体衰减系数、海水漫衰减系数以及航行器表面反射率［6］及实时计算得到光学隐蔽深度。
2 水下航行器的光学隐蔽深度模型
2．1 目标背景对比度传输理论
目标背景对比度是识别目标的判定标准之一。它是表述水下目标与背景之间辐射差别的参量，水下航行器的固有对比度可表示为：
式中：Lb0，L0分别是水下航行器处的背景辐亮度和固有辐亮度。距离航行器r处的对比度为表观对比度［3］，为：
式中：Lr，Lbr分别是距离航行器r处的航行器辐亮度和背景辐亮度。
海水中辐射传递方程为：
式中：c是海水体积衰减系数，L＊是辐射总增量。
目标背景对比度的传输过程如下：第一个过程是在海水中的传输，第二个过程是在海面传输，第三个过程是在空气中传输。
2．1．1 海水中的传输特性
根据式（3），航行器辐亮度和背景辐亮度的辐射方程分别为：
两式相减得到：
将式（1）、（2）代人式（6）得到：
又因为Lb0＝Lbre-kcosθr，得到对比度传输方程为：
式中：k为海水漫衰减系数。那么两个连续路径r和s的海水漫衰减系数为：
2．1．2 海面传输特性
忽略太阳直射的影响，海面的反射效应可表示为：
式中：Lu（0-）为水次表面向上辐亮度，ρs为海面反射率，nw是海水折射率。根据Preisendorfer结论，海面折射及波浪效应为：
式中：φ为海水次表面航行器的半视角，σ2为海面光学状态。
2．1．3 在空气中传输特性
消光［7-8］是指大气对辐射强度的衰减作用，经过路径传输后的大气光谱透射比为：
其中μ为消光系统。
2．2 模型的建立
航空侦察观测到的表观对比度为：
由于航行器本身不会发光，所以航行器的固有对比度为：
式中：Eu是海水上行辐照度，Ed是海水下行辐照度，rt是航行器表面反射率。
从海水背景中识别航行器所需要的目标背景阈值对比度Ct为［9］：
式中：α为目标视角，与航行器的特征尺度L、观察距离H以及探测器的放大倍率
M有关。M是辅助目视器材的放大倍率，裸眼无助目视时M＝1。即有：
当Cr下降到Ct时，航行器的深度就是光学隐蔽深度，有：
化简后得：
式中：D为航行器的光学隐蔽深度，H为侦察机的飞行高度。因此，在已知海面反射效应折射及波浪效应的情况下，通过测量海水体积衰减系数、漫衰减系数、海水下行辐照度、海水上行辐照度、航行器表面反射率可以得到光学隐蔽深度。
3 测量系统的设计
3．1 海水下行辐照度测量
海洋渐近光场中的下行辐射存在极强的方向性［10］，辐射通量集中在天顶方向较窄的立体角内，航行器的姿态变化会造成集光器的光轴偏离天顶方向［11］，余弦误差也会影响海水中下行辐照度的测量［12］。
当余弦集光器的光轴方向偏离天顶时，基于海洋渐近光场的二分量简化模型为：
式中：L1为漫反射辐射率分量，角分布与方向无关，对辐照度的贡献不随集光器姿态的变化而变化；L2｜θ＝0为垂直下行辐射率分量，对辐照度的贡献与集光器姿态角的余弦成正比。
图1 下行辐照度双光学探头测量Fig．1 Measurement of downward irradiance
with double optical probes
如图1所示，用光轴共处同一垂直面的两个2π立体角辐照度测量传感器来同时测量海洋的下行辐照度，则有：
式中：α为两传感器底座在它们的光轴平面内的姿态角，β为两传感器光轴之间的夹角，有：
由式（22）和（23）可见，根据姿态传感器测量的姿态数据，利用两个传感器就可以解算下行辐射率的两个分量。这样，海洋的实际下行辐照度为：
3．2 海水上行辐照度测量
上行辐照度测量最大的干扰源为阴影效应。根据上行渐近光场的各向同性分布简化模型，只要在任意方向测量海洋渐近光场的上行辐射率，然后在上行的2π立体角内积分，就可获得上行辐照度。如图2所示，采用在水平方向测量辐射率的方式对上行辐照度实施间接测量，图中箭头代表光学探头的光轴方向。
式中：Lu为海水中的上行辐射率，Lmin为下俯辐射率探头的测量结果，Lmax为上仰辐射率探头的测量结果，k为潜艇遮挡效应的校正系数。采用横向辐射率测量法，只要选取合适的遮挡效应校正系数，就能最大限度地降低阴影效应的影响。
图2 上行辐照度双辐射率光学探头测量Fig．2 Measurement of upward
irradiance with double radiance optical probes
3．3 海水体积衰减系数测量
海水的衰减系数为：
式中：φi为平行入射光通量，φa为吸收光通量，φb为散射光通量。若采用人工准直光源，式（26）可简化为：
因此，在两个位置上测量辐亮度，即有：
3．4 海水漫衰减系数测量
根据海洋两流辐射传输理论［11］，可将海水看作是一种水平平面分层介质，下行辐照度的传输方程为：
式中Kd是海水的下行漫衰减系数。忽略漫衰减系数随深度的变化，在两个深度上测量下行辐照度，则有：
3．5 航行器表面反射率测量
航行器表面对入射光的反射作用近似为朗伯反射，所以航行器反射率可表示为：
式中：Ls（z，λ）是航行器上表面的反射光辐射率，Ed（z，λ）是海洋下行辐照度。
水下航行器光学隐蔽深度测量系统的研制主要包括各探测模块和信息处理模块的设计、水密外壳体加工及装置总体集成。该系统可实现水下自主工作，采集和处理辐照度、辐射率光电流；采用的存储卡和无线传输的设计，可实现数据的离线存储及实时传输，便于测量数据的分析。该系统调试如图3所示。
图3 测量系统调试Fig．3 Debugging of measurement system
4 实验与结果
2015年1月18日，在青岛某码头对水下航行器光学隐蔽深度测量装置进行了海上试验，如图4所示。探测装置利用缆绳吊放，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下行辐照度、上行辐照度、深度、海水漫衰减系数的测量。测量完成后，数据通过无线传输的方式发送到计算
机。
图4 海上试验Fig．4 Experiment on sea
图5 ～图7分别为测量得到的海水下行辐照度、海水上行辐照度和漫衰减系数随深度的变化曲线。
图5 下行辐照度Fig．5 Variation of downward irradiance with depth
良好天气条件下，计算得到200m高空裸眼无助目视，特征尺度为12m，表面反射率为0．02的水下航行器的光学隐蔽深度，如图8所示。
图6 上行辐照度Fig．6 Variation of upward irradiance with depth
图7 漫衰减系数Fig．7 Variation of diffuse attenuation coefficient with
depth
图8 光学隐蔽深度测量结果Fig．8 Measurement result of optical
concealment depth
5 结 论
本文建立了水下航行器光学隐蔽深度模型，完成了光学隐蔽深度测量系统的设计，并进行了海上试验测量，获取了计算光学隐蔽深度需要的海洋参数，得到了试验码头水域下行辐照度、上行辐照度随深度的变化情况。用测量得到的辐照度相对值的比值得到模型中的海水衰减系数和漫衰减系数，因此不需进行辐照度定标。测量过程中海流会干扰漫衰减系数的测量，这可以通过增加采样频率和减慢测量系统的升降速度来优化。试验得到良好天气情况下，该码头水域特征尺度为12m时，水下航行器的光学隐蔽深度为25～35 m；而且在不同的水深测量会得到不同的光学隐蔽深度，这主要受海水光学参数垂向分布的影响。
水下航行器光学隐蔽深度测量系统适用于各型潜艇，改变了出海前需要潜艇浮起在水面测量的方式，提高了隐蔽性和对海域测量的准度，有助于水下作战辅助决策。
下一步工作主要是系统测量精度的提高、测量系统的小型化设计、测量系统与潜艇的共形设计，以及姿态和阴影效应对测量的影响研究。
参考文献：
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