一種基于激光聲源探測(cè)水下目標(biāo)方位及尺寸的測(cè)量系統(tǒng)及其測(cè)量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于水下探測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于激光聲源探測(cè)水下目標(biāo)方位及 尺寸的測(cè)量系統(tǒng)及其測(cè)量方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 水聲學(xué)的研宄歷史悠久，水下聲源技術(shù)作為現(xiàn)代水聲研宄的一項(xiàng)重要技術(shù)，受到 世界各國(guó)水聲研宄者的關(guān)注。在海洋探測(cè)領(lǐng)域中，水下聲源應(yīng)用廣泛，例如深海地質(zhì)探測(cè)、 海洋石油探測(cè)、水下目標(biāo)探測(cè)等。目前，水下聲源大致可分為以下幾種：炸藥爆炸聲源、電聲 換能器聲源、參量陣聲源、流體動(dòng)力式聲源、電磁式聲源、激光聲源等。這些聲源的發(fā)生機(jī)理 及其產(chǎn)生的聲波特性各異，使用方式也不盡相同。激光聲源利用光聲效應(yīng)，將高能量密度的 激光聚焦到水下產(chǎn)生光學(xué)擊穿從而向外輻射聲波，該方法產(chǎn)生的聲信號(hào)具有聲壓級(jí)高、頻 譜寬，可進(jìn)行非接觸式控制等優(yōu)勢(shì)。
[0003] 波達(dá)方向定位技術(shù)（DOA)在雷達(dá)、聲吶、通訊、地震勘探、聲源跟蹤等多種軍事和 國(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，引起了人們極大的研宄興趣。水聽器是水中監(jiān)聽聲場(chǎng)信號(hào) 的儀器，將水下聲信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再通過(guò)信號(hào)處理系統(tǒng)，把水下聲信號(hào)解調(diào)出來(lái)。對(duì)于 水下目標(biāo)的方位估計(jì)，通常在水下布置物理的水聽器陣，接收水下目標(biāo)的反射信號(hào)，再通過(guò) 陣列信號(hào)處理技術(shù)，估計(jì)水下目標(biāo)的方位。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是定位的精度高，技術(shù)比較成 熟，但是缺點(diǎn)是水聽器陣列布置麻煩，陣列的可移動(dòng)性差，不能實(shí)現(xiàn)大海域范圍內(nèi)的搜索。
[0004] 近年來(lái)，隨著光聲探測(cè)技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了一種新的水中聲場(chǎng)監(jiān)聽儀器，基于聲光 耦合的干涉型光纖水聽器。光發(fā)生干涉的條件為：兩個(gè)光波的頻率相同、振動(dòng)方向相同、相 位差恒定。當(dāng)這兩個(gè)光波的相位差發(fā)生變化的時(shí)候，干涉條紋就會(huì)發(fā)生移動(dòng)，根據(jù)干涉條紋 移動(dòng)的數(shù)目，就可以算出相位差的變化，從而進(jìn)一步推算出引起這種變化的外界信號(hào)的幅 度頻率等等?；诼暪怦詈细缮嫘凸饫w水聽器的激光光源經(jīng)耦合器產(chǎn)生探測(cè)光與參考光， 探測(cè)光再通過(guò)準(zhǔn)直器照射到水面上，激光聲源的聲波經(jīng)水下待測(cè)目標(biāo)反射使水表面形成受 迫振動(dòng)，振動(dòng)頻率和幅度分別和反射聲波的頻率和強(qiáng)度一致，探測(cè)光經(jīng)水面的反射光的頻 率受水表面的受迫振動(dòng)的振動(dòng)速度調(diào)制，經(jīng)過(guò)干涉、解調(diào)后便可解調(diào)出水表面的振動(dòng)速度， 進(jìn)而獲得經(jīng)過(guò)水下待測(cè)目標(biāo)反射的聲波信號(hào)。
[0005] 在水下目標(biāo)探測(cè)中，水下目標(biāo)的反射信號(hào)作為攜帶目標(biāo)特性的唯一有效載體，攜 帶著目標(biāo)的信息，包括水下目標(biāo)的幾何形狀、尺度等。將水下目標(biāo)看作一個(gè)線性時(shí)不變系 統(tǒng)，反射聲波就是入射聲波作用于這個(gè)系統(tǒng)之后的響應(yīng)。水下目標(biāo)的系統(tǒng)沖激響應(yīng)描述了 水下目標(biāo)的散射特性，它的沖激響應(yīng)脈沖持續(xù)時(shí)間即為最快經(jīng)水下目標(biāo)反射到達(dá)水面的反 射聲波與最遲經(jīng)水下目標(biāo)反射到達(dá)水面的反射聲波的時(shí)間差，它的脈沖幅度即為水下目標(biāo) 對(duì)入射聲波反射強(qiáng)度的大小。
[0006] 目前，水下目標(biāo)探測(cè)主要有兩種手段：光學(xué)探測(cè)和聲學(xué)探測(cè)。光學(xué)探測(cè)主要利用成 像的方法探測(cè)水下目標(biāo)。然而在水下，光波的傳播衰減非常大，傳播和測(cè)量的距離有限。相 比之下，聲波在水中的傳播性能較好。聲波在遇到水下目標(biāo)后反射系數(shù)較大，利于獲取物體 信息。在傳統(tǒng)聲波測(cè)量中，聲吶傳感器被廣泛使用作為接收傳感器，然而聲吶傳感器本身又 存在探測(cè)精度低，功耗大、重量大，需要布置較大空間體積，不利用移動(dòng)探測(cè)的缺點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)所存在的上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種基于激光聲源探測(cè)水下 目標(biāo)方位及尺寸的測(cè)量系統(tǒng)及其測(cè)量方法，避免了光學(xué)測(cè)量中使用光波衰減大、測(cè)量距離 小的缺點(diǎn)，具有可移動(dòng)性強(qiáng)、靈敏度高的優(yōu)點(diǎn)。
[0008] 一種基于激光聲源探測(cè)水下目標(biāo)方位及尺寸的測(cè)量系統(tǒng)，包括：高強(qiáng)度脈沖激光 器、凸透鏡、反射鏡、水聽器陣列以及上位機(jī)，所述的水聽器陣列由多個(gè)基于水面聲光耦合 的光纖水聽器組成；其中：
[0009] 所述的高強(qiáng)度脈沖激光器用于產(chǎn)生激光，所述的激光依次經(jīng)過(guò)凸透鏡和反射鏡后 入射至水中并根據(jù)光聲效應(yīng)在水下聚焦從而產(chǎn)生光學(xué)擊穿后向周圍輻射聲波，所述的聲波 經(jīng)水下目標(biāo)物體反射后至水面引起水面振動(dòng)；
[0010] 所述的光纖水聽器用于向水面垂直發(fā)射探測(cè)光并采集水下光學(xué)擊穿所輻射的聲 波信號(hào)，所述的探測(cè)光經(jīng)水面反射后的反射光耦合了水面的振動(dòng)信息，光纖水聽器接收各 自的反射光使其與參考光進(jìn)行干涉產(chǎn)生兩路光信號(hào)，并對(duì)這兩路光信號(hào)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換后對(duì) 應(yīng)輸出兩路電信號(hào)；
[0011] 所述的上位機(jī)對(duì)每個(gè)光纖水聽器輸出的兩路電信號(hào)進(jìn)行解調(diào)得到聲波信號(hào)，并根 據(jù)解調(diào)得到的各路聲波信號(hào)通過(guò)計(jì)算處理，估計(jì)得到水下目標(biāo)物體的方位以及深度；同時(shí) 對(duì)任一光纖水聽器采集得到的聲波信號(hào)以及解調(diào)得到聲波信號(hào)進(jìn)行計(jì)算處理，得到水下目 標(biāo)物體的系統(tǒng)沖激響應(yīng)并解析出水下目標(biāo)物體反射的時(shí)間寬度，進(jìn)而估算出水下目標(biāo)物體 的尺寸。
[0012] 所述的光纖水聽器配置有連續(xù)激光光源，光纖水聽器對(duì)所述的連續(xù)激光光源產(chǎn)生 的激光進(jìn)行耦合分成兩路，分別作為探測(cè)光和參考光。
[0013] 所述的水聽器陣列還包括兩條固定支架，兩條固定支架在同一水平面上呈十字交 叉，所有光纖水聽器以等間距安裝于兩條固定支架上。
[0014] 所述的光纖水聽器包括連續(xù)激光光源、1X2光纖耦合器、環(huán)形器、準(zhǔn)直器、信號(hào)發(fā) 生器、倍頻器、相位調(diào)制器、2X2光纖耦合器以及兩個(gè)光電探測(cè)器Gl~G2 ;其中，連續(xù)激光 光源產(chǎn)生的激光經(jīng)過(guò)I X 2光纖耦合器后分成兩路，分別作為探測(cè)光和參考光；
[0015] 所述的探測(cè)光依次經(jīng)過(guò)環(huán)形器和準(zhǔn)直器調(diào)整角度后垂直射向水面，經(jīng)水面的反射 光由準(zhǔn)直器收集后進(jìn)入環(huán)形器，并由環(huán)形器輸出至2X2光纖耦合器；
[0016] 所述的參考光進(jìn)入相位調(diào)制器由信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的調(diào)制方波調(diào)制后，輸出至2X2 光纖耦合器與反射光進(jìn)行干涉產(chǎn)生兩路光信號(hào)，2X2耦合器輸出的兩路光信號(hào)分別經(jīng)過(guò)兩 個(gè)光電探測(cè)器Gl~G2轉(zhuǎn)換成兩路電信號(hào)輸出至上位機(jī)。
[0017] 所述的上位機(jī)利用差分定位算法對(duì)各路聲波信號(hào)進(jìn)行計(jì)算處理，估計(jì)得到水下目 標(biāo)物體的方位以及深度。
[0018] 所述的上位機(jī)對(duì)任一光纖水聽器采集得到的聲波信號(hào)以及解調(diào)得到聲波信號(hào)進(jìn) 行解卷積處理，得到水下目標(biāo)的系統(tǒng)沖激響應(yīng)。
[0019] 上述測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量方法，包括如下步驟：
[0020] 步驟1 :將水聽器陣列安裝在水上機(jī)載平臺(tái)上，且使所有光纖水聽器組合成正交 十字陣列；
[0021] 步驟2 :將高強(qiáng)度脈沖激光器安裝在水上機(jī)載平臺(tái)上，高強(qiáng)度脈沖激光器通過(guò)凸 透鏡將高能量密度的激光聚焦到水下從而產(chǎn)生光學(xué)擊穿后向周圍輻射聲波，聲波經(jīng)水下目 標(biāo)物體反射后至水面引起水面振動(dòng)；
[0022] 步驟3 :各光纖水聽器分別向水面垂直發(fā)射探測(cè)光，其經(jīng)水面的反射光耦合了水 面的振動(dòng)信息，光纖水聽器接收自身的反射光使其與參考光進(jìn)行干涉，并解調(diào)得到聲波信 號(hào)；
[0023] 步驟4:運(yùn)用差分定位算法處理各光纖水聽器解調(diào)出的聲波信號(hào)，進(jìn)而估計(jì)得到 水下目標(biāo)物體的方位和深度；
[0024] 步驟5 :對(duì)解調(diào)出的聲波信號(hào)以及水下光學(xué)擊穿所輻射的聲波信號(hào)進(jìn)行解卷積處 理，得到水下目標(biāo)物體的系統(tǒng)沖激響應(yīng)并解析出水下目標(biāo)物體反射的時(shí)間寬度，進(jìn)而估算 出水下目標(biāo)物體的尺寸。
[0025] 本發(fā)明利用激光產(chǎn)生聲源，將激光能量轉(zhuǎn)換為聲波能量，使用聲光耦合干涉型光 纖水聽器陣列作為接收傳感器，既避免了光學(xué)測(cè)量中使用光波衰減大、測(cè)量距離小的缺點(diǎn)， 也克服了傳統(tǒng)聲學(xué)探測(cè)中聲納傳感器的缺點(diǎn)，具有可移動(dòng)性強(qiáng)、靈敏度高的優(yōu)點(diǎn)。
[0026] 同時(shí)本發(fā)明采用激光致聲系統(tǒng)產(chǎn)生聲源信號(hào)，所產(chǎn)生的聲信號(hào)具有聲壓級(jí)高、頻 譜寬，可進(jìn)行非接觸式控制等優(yōu)勢(shì)；所用聲信號(hào)傳感器為聲光耦合干涉型光纖水聽器，它具 有非接觸式探測(cè)水下聲信號(hào)、可移動(dòng)性強(qiáng)、體積小、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)靈活等優(yōu)點(diǎn)。
[0027] 由此，本發(fā)明通過(guò)將多個(gè)基于聲光耦合干涉型光纖水聽器放置于水上機(jī)載平臺(tái)的 滑動(dòng)軌道上并布置成正交十字陣列，可實(shí)現(xiàn)大范圍海域的快速探測(cè)，實(shí)現(xiàn)水下目標(biāo)方位、尺 寸的全方位估計(jì)；通過(guò)調(diào)節(jié)光纖水聽器在滑動(dòng)軌道上的位置，使正交十字陣列可適用于不 同尺寸的水下目標(biāo)的定位。
【附圖說(shuō)明】
[0028] 圖1為本發(fā)明激光聲源探測(cè)水下目標(biāo)方位的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
[0029] 圖2為聲光耦合干涉型光纖水聽器的工作原理示意圖。
[0030] 圖3為聲光耦合干涉型光纖水聽器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0031] 圖4為8元聲光耦合干涉型光纖水聽器正交十字陣列的示意圖。
[0032] 圖5為激光聲源探測(cè)水下目標(biāo)方位的坐標(biāo)系示意圖。
[0033] 圖6為激光聲源探測(cè)水下目標(biāo)方位的工作原理示意圖。
[0034] 圖7為激光聲源探測(cè)水下目標(biāo)尺寸的計(jì)算模