一种基于激光声源探测水下目标方位及尺寸的测量系统及其测量方法.pdf

本发明公开了一种基于激光声源探测水下目标方位及尺寸的测量系统及其测量方法，其利用激光产生声源，将激光能量转换为声波能量，使用声光耦合干涉型光纤水听器阵列作为接收传感器，既避免了光学测量中使用光波衰减大、测量距离小的缺点，也克服了传统声学探测中声纳传感器的缺点，具有可移动性强、灵敏度高的优点。同时本发明采用激光致声系统产生声源信号，所产生的声信号具有声压级高、频谱宽，可进行非接触式控制等优势；所用声信号传感器为声光耦合干涉型光纤水听器，它具有非接触式探测水下声信号、可移动性强、体积小、结构设计灵活等优点。

1.  一种基于激光声源探测水下目标方位及尺寸的测量系统，其特征在于，包括：高强度脉冲激光器、凸透镜、反射镜、水听器阵列以及上位机，所述的水听器阵列由多个基于水面声光耦合的光纤水听器组成；其中：
所述的高强度脉冲激光器用于产生激光，所述的激光依次经过凸透镜和反射镜后入射至水中并根据光声效应在水下聚焦从而产生光学击穿后向周围辐射声波，所述的声波经水下目标物体反射后至水面引起水面振动；
所述的光纤水听器用于向水面垂直发射探测光并采集水下光学击穿所辐射的声波信号，所述的探测光经水面反射后的反射光耦合了水面的振动信息，光纤水听器接收各自的反射光使其与参考光进行干涉产生两路光信号，并对这两路光信号进行光电转换后对应输出两路电信号；
所述的上位机对每个光纤水听器输出的两路电信号进行解调得到声波信号，并根据解调得到的各路声波信号通过计算处理，估计得到水下目标物体的方位以及深度；同时对任一光纤水听器采集得到的声波信号以及解调得到声波信号进行计算处理，得到水下目标物体的系统冲激响应并解析出水下目标物体反射的时间宽度，进而估算出水下目标物体的尺寸。

2.  根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于：所述的光纤水听器配置有连续激光光源，光纤水听器对所述的连续激光光源产生的激光进行耦合分成两路，分别作为探测光和参考光。

3.  根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于：所述的水听器阵列还包括两条固定支架，两条固定支架在同一水平面上呈十字交叉，所有光纤水听器以等间距安装于两条固定支架上。

4.  根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于：所述的光纤水听器包括连续激光光源、1×2光纤耦合器、环形器、准直器、信号发生器、倍频器、相位调制器、2×2光纤耦合器以及两个光电探测器G1～G2；其中，连续激光光源产生的激光经过1×2光纤耦合器后分成两路，分别作为探测光和参考光；
所述的探测光依次经过环形器和准直器调整角度后垂直射向水面，经水面的反射光由准直器收集后进入环形器，并由环形器输出至2×2光纤耦合器；
所述的参考光进入相位调制器由信号发生器产生的调制方波调制后，输出至2×2光纤耦合器与反射光进行干涉产生两路光信号，2×2耦合器输出的两路光信号分别经过两个光电探测器G1～G2转换成两路电信号输出至上位机。

5.  根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于：所述的上位机利用差分定位算法对各路声波信号进行计算处理，估计得到水下目标物体的方位以及深度。

6.  根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于：所述的上位机对任一光纤水听器采集得到的声波信号以及解调得到声波信号进行解卷积处理，得到水下目标的系统冲激响应。

7.  一种如权利要求1所述的测量系统的测量方法，包括如下步骤：
步骤1：将水听器阵列安装在水上机载平台上，且使所有光纤水听器组合成正交十字阵列；
步骤2：将高强度脉冲激光器安装在水上机载平台上，高强度脉冲激光器通过凸透镜将高能量密度的激光聚焦到水下从而产生光学击穿后向周围辐射声波，声波经水下目标物体反射后至水面引起水面振动；
步骤3：各光纤水听器分别向水面垂直发射探测光，其经水面的反射光耦合了水面的振动信息，光纤水听器接收自身的反射光使其与参考光进行干涉，并解调得到声波信号；
步骤4：运用差分定位算法处理各光纤水听器解调出的声波信号，进而估计得到水下目标物体的方位和深度；
步骤5：对解调出的声波信号以及水下光学击穿所辐射的声波信号进行解卷积处理，得到水下目标物体的系统冲激响应并解析出水下目标物体反射的时间宽度，进而估算出水下目标物体的尺寸。

一种基于激光声源探测水下目标方位及尺寸的测量系统及其测量方法
技术领域
本发明属于水下探测技术领域，具体涉及一种基于激光声源探测水下目标方位及尺寸的测量系统及其测量方法。
背景技术
水声学的研究历史悠久，水下声源技术作为现代水声研究的一项重要技术，受到世界各国水声研究者的关注。在海洋探测领域中，水下声源应用广泛，例如深海地质探测、海洋石油探测、水下目标探测等。目前，水下声源大致可分为以下几种：炸药爆炸声源、电声换能器声源、参量阵声源、流体动力式声源、电磁式声源、激光声源等。这些声源的发生机理及其产生的声波特性各异，使用方式也不尽相同。激光声源利用光声效应，将高能量密度的激光聚焦到水下产生光学击穿从而向外辐射声波，该方法产生的声信号具有声压级高、频谱宽，可进行非接触式控制等优势。
波达方向定位技术(DOA)在雷达、声呐、通讯、地震勘探、声源跟踪等多种军事和国民经济领域有着广泛的应用，引起了人们极大的研究兴趣。水听器是水中监听声场信号的仪器，将水下声信号转换成电信号，再通过信号处理系统，把水下声信号解调出来。对于水下目标的方位估计，通常在水下布置物理的水听器阵，接收水下目标的反射信号，再通过阵列信号处理技术，估计水下目标的方位。这种方法的优点是定位的精度高，技术比较成熟，但是缺点是水听器阵列布置麻烦，阵列的可移动性差，不能实现大海域范围内的搜索。
近年来，随着光声探测技术的发展，出现了一种新的水中声场监听仪器，基于声光耦合的干涉型光纤水听器。光发生干涉的条件为：两个光波的频率相同、振动方向相同、相位差恒定。当这两个光波的相位差发生变化的时候，干涉条纹就会发生移动，根据干涉条纹移动的数目，就可以算出相位差的变化，从而进一步推算出引起这种变化的外界信号的幅度频率等等。基于声光耦合干 涉型光纤水听器的激光光源经耦合器产生探测光与参考光，探测光再通过准直器照射到水面上，激光声源的声波经水下待测目标反射使水表面形成受迫振动，振动频率和幅度分别和反射声波的频率和强度一致，探测光经水面的反射光的频率受水表面的受迫振动的振动速度调制，经过干涉、解调后便可解调出水表面的振动速度，进而获得经过水下待测目标反射的声波信号。
在水下目标探测中，水下目标的反射信号作为携带目标特性的唯一有效载体，携带着目标的信息，包括水下目标的几何形状、尺度等。将水下目标看作一个线性时不变系统，反射声波就是入射声波作用于这个系统之后的响应。水下目标的系统冲激响应描述了水下目标的散射特性，它的冲激响应脉冲持续时间即为最快经水下目标反射到达水面的反射声波与最迟经水下目标反射到达水面的反射声波的时间差，它的脉冲幅度即为水下目标对入射声波反射强度的大小。
目前，水下目标探测主要有两种手段：光学探测和声学探测。光学探测主要利用成像的方法探测水下目标。然而在水下，光波的传播衰减非常大，传播和测量的距离有限。相比之下，声波在水中的传播性能较好。声波在遇到水下目标后反射系数较大，利于获取物体信息。在传统声波测量中，声呐传感器被广泛使用作为接收传感器，然而声呐传感器本身又存在探测精度低，功耗大、重量大，需要布置较大空间体积，不利用移动探测的缺点。
发明内容
针对现有技术所存在的上述技术问题，本发明提供了一种基于激光声源探测水下目标方位及尺寸的测量系统及其测量方法，避免了光学测量中使用光波衰减大、测量距离小的缺点，具有可移动性强、灵敏度高的优点。
一种基于激光声源探测水下目标方位及尺寸的测量系统，包括：高强度脉冲激光器、凸透镜、反射镜、水听器阵列以及上位机，所述的水听器阵列由多个基于水面声光耦合的光纤水听器组成；其中：
所述的高强度脉冲激光器用于产生激光，所述的激光依次经过凸透镜和反射镜后入射至水中并根据光声效应在水下聚焦从而产生光学击穿后向周围辐射声波，所述的声波经水下目标物体反射后至水面引起水面振动；
所述的光纤水听器用于向水面垂直发射探测光并采集水下光学击穿所辐射的声波信号，所述的探测光经水面反射后的反射光耦合了水面的振动信息，光纤水听器接收各自的反射光使其与参考光进行干涉产生两路光信号，并对这两路光信号进行光电转换后对应输出两路电信号；
所述的上位机对每个光纤水听器输出的两路电信号进行解调得到声波信号，并根据解调得到的各路声波信号通过计算处理，估计得到水下目标物体的方位以及深度；同时对任一光纤水听器采集得到的声波信号以及解调得到声波信号进行计算处理，得到水下目标物体的系统冲激响应并解析出水下目标物体反射的时间宽度，进而估算出水下目标物体的尺寸。
所述的光纤水听器配置有连续激光光源，光纤水听器对所述的连续激光光源产生的激光进行耦合分成两路，分别作为探测光和参考光。
所述的水听器阵列还包括两条固定支架，两条固定支架在同一水平面上呈十字交叉，所有光纤水听器以等间距安装于两条固定支架上。
所述的光纤水听器包括连续激光光源、1×2光纤耦合器、环形器、准直器、信号发生器、倍频器、相位调制器、2×2光纤耦合器以及两个光电探测器G1～G2；其中，连续激光光源产生的激光经过1×2光纤耦合器后分成两路，分别作为探测光和参考光；
所述的探测光依次经过环形器和准直器调整角度后垂直射向水面，经水面的反射光由准直器收集后进入环形器，并由环形器输出至2×2光纤耦合器；
所述的参考光进入相位调制器由信号发生器产生的调制方波调制后，输出至2×2光纤耦合器与反射光进行干涉产生两路光信号，2×2耦合器输出的两路光信号分别经过两个光电探测器G1～G2转换成两路电信号输出至上位机。
所述的上位机利用差分定位算法对各路声波信号进行计算处理，估计得到水下目标物体的方位以及深度。
所述的上位机对任一光纤水听器采集得到的声波信号以及解调得到声波信号进行解卷积处理，得到水下目标的系统冲激响应。
上述测量系统的测量方法，包括如下步骤：
步骤1：将水听器阵列安装在水上机载平台上，且使所有光纤水听器组合成 正交十字阵列；
步骤2：将高强度脉冲激光器安装在水上机载平台上，高强度脉冲激光器通过凸透镜将高能量密度的激光聚焦到水下从而产生光学击穿后向周围辐射声波，声波经水下目标物体反射后至水面引起水面振动；
步骤3：各光纤水听器分别向水面垂直发射探测光，其经水面的反射光耦合了水面的振动信息，光纤水听器接收自身的反射光使其与参考光进行干涉，并解调得到声波信号；
步骤4：运用差分定位算法处理各光纤水听器解调出的声波信号，进而估计得到水下目标物体的方位和深度；
步骤5：对解调出的声波信号以及水下光学击穿所辐射的声波信号进行解卷积处理，得到水下目标物体的系统冲激响应并解析出水下目标物体反射的时间宽度，进而估算出水下目标物体的尺寸。
本发明利用激光产生声源，将激光能量转换为声波能量，使用声光耦合干涉型光纤水听器阵列作为接收传感器，既避免了光学测量中使用光波衰减大、测量距离小的缺点，也克服了传统声学探测中声纳传感器的缺点，具有可移动性强、灵敏度高的优点。
同时本发明采用激光致声系统产生声源信号，所产生的声信号具有声压级高、频谱宽，可进行非接触式控制等优势；所用声信号传感器为声光耦合干涉型光纤水听器，它具有非接触式探测水下声信号、可移动性强、体积小、结构设计灵活等优点。
由此，本发明通过将多个基于声光耦合干涉型光纤水听器放置于水上机载平台的滑动轨道上并布置成正交十字阵列，可实现大范围海域的快速探测，实现水下目标方位、尺寸的全方位估计；通过调节光纤水听器在滑动轨道上的位置，使正交十字阵列可适用于不同尺寸的水下目标的定位。
附图说明
图1为本发明激光声源探测水下目标方位的系统结构示意图。
图2为声光耦合干涉型光纤水听器的工作原理示意图。
图3为声光耦合干涉型光纤水听器的结构示意图。
图4为8元声光耦合干涉型光纤水听器正交十字阵列的示意图。
图5为激光声源探测水下目标方位的坐标系示意图。
图6为激光声源探测水下目标方位的工作原理示意图。
图7为激光声源探测水下目标尺寸的计算模型示意图。
图8为激光致声系统产生的声源信号的波形示意图。
图9为y轴方向的23号声光耦合干涉型光纤水听器接收到的声波信号波形示意图。
图10为根据x轴方向27号声光耦合干涉型光纤水听器接收到的声波信号计算得到的水下目标冲激响应波形示意图。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。
如图1所示，本发明基于激光声源探测水下目标方位及尺寸的测量系统，包括：强激光器1、透镜2、反射镜3、由所有声光耦合干涉型光纤水听器构成正交十字阵列6以及PC机；本实施方式基于激光声源探测水下目标方位、尺寸的方法具体过程如下：
将激光致声系统安装在水上机载平台上，强激光器1作为光源产生激光，激光经过透镜2聚焦，再经反射镜3改变传播方向入射到水中。激光声源利用光声效应，将高能量密度的激光聚焦到水下产生光学击穿从而向外辐射声波4。将声光耦合干涉型光纤水听器安装在水上机载平台的正交滑动轨道上，且所有声光耦合干涉型光纤水听器构成正交十字阵列6。声波传播过程中遇到水下目标5反射，改变传播路径反射向水面，引起水面振动。各路探测光经水面反射后耦合了水面振动信息，各自返回原声光耦合光纤水听器，并由原声光耦合干涉型光纤水听器对返回的探测光进行相干解调得到水下目标反射后信号。运用差分定位算法处理各声光耦合干涉型光纤水听器解调出的水下目标反射信号，估计得到水下目标方位和深度。对反射信号和发射信号进行解卷积处理，得到水下目标反射的时间宽度，估算出水下目标的尺寸。
如图2所示，探测光由光纤水听器7发射到水面上，声波信号经水下目标反射后到达水面，声波使水表面产生几十纳米到微米量级的水表面横向微波；水面横向微波对入射激光进行调制使之发生多普勒频移，光相位信息便耦合了水面振动信息。
图3给出了本实施方式中声光耦合干涉型光纤水听器的结构，它的工作方式如下：
连续激光光源8发出激光，经过1×2耦合器9后分成两路，分别作为参考光和探测光。探测光从端口12进入环形器10，经端口13通过准直器11调整角度后垂直射向水面。水面反射后，探测光返回，由准直器11收集后从端口13再次进入环形器，并由环形器10的端口14输出。参考光进入相位调制器15，被信号发生器16产生的方波调制后，输入2×2耦合器18与探测光发生干涉。2×2耦合器18的两路输出光分别经过光电探测器19、20后转换成电信号，经过微分交叉相乘算法21处理后解调出声波信号，采集系统22采集解调出的数据，采集系统的触发信号为信号发生器16产生的调制方波经过倍频17后的信号。
如图4所示，声光耦合光纤水听器正交十字阵列组成方式如下：两条滑动轨道正交与O点，光纤水听器23、24、25、26放置于同一条滑动轨道上，它们两两之间的距离相等为d，另一组光纤水听器27、28、29、30放置于另一条滑动轨道上且距离也为d。由此，这8个光纤水听器构成正交十字阵列，并以滑动轨道的交点O作为阵列的中心点。对于不同大小尺寸的水下目标，水听器之间的距离应该满足d<<a的关系，其中a为水下目标的尺寸。因此可以通过调节水听器之间的距离，使阵列适用于不同尺寸的水下目标的定位。
由于本实施方式中的声光耦合光纤水听器是通过非接触方式探测水下声源，因此，对本实施方式光纤水听器构成的正交阵列建立如图5所示三维坐标系：以滑动轨道在水面的投影作为坐标系的x-y平面，正交滑动轨道在x-y平面的投影作为x轴、y轴，z轴垂直与x-y平面，且z轴正方向向下；坐标系的原点与滑动轨道交点在水面的投影重合。在以下的说明中，所涉及的坐标均建立在此坐标系下。
如图6所示，当激光声源经路径r₁入射到水下目标，再经路径r₂反射，到达正交声光耦合光纤水听器阵列23号光纤水听器探测光入射水表面，引起该处水 面振动的信号可表示为：
&Integral;&Integral;s(t-r1+r2v)r12r22dxdy=&Integral;&Integral;s(t-(x-xs)2+(y-ys)2+(z-zs)2+(x-x23)2+(y-y23)2+(z-z23)2v)((x-xs)2+(y-ys)2+(z-zs)2)((x-x23)2+(y-y23)2+(z-z23)2)dxdy]]>
其中：v为声音在水中的传播速度，s(t)为声源信号，(x_s,y_s,z_s)激光声源爆炸点位置坐标，(x₂₃,y₂₃,z₂₃)表示序号为23的声光耦合干涉型光纤水听器的位置坐标。23号声光耦合光纤水听器通过解调耦合了声波信息的反射光，便可得到反射到达该处水面的声波信号。同理，位于同一条滑动轨道上的24、25、26声光耦合光纤水听器可以分别解调得到它们下方水面的反射声波信号。另一条正交的滑动轨道上的声光耦合光纤水听器27、28、29、30也可以解调得到各个光纤水听器探测光入射处的声波信号。
假设在t₀时刻发射一个脉冲激光声源信号，位于y轴方向的滑动轨道上的23、24、25、26声光耦合光纤水听器接收到反射声波信号的时间分别为t₂₃、t₂₄、t₂₅、t₂₆，位于x轴方向的滑动轨道上的27、28、29、30声光耦合光纤水听器接收到反射声波信号的时间分别为t₂₇、t₂₈、t₂₉、t₃₀。每个光纤水听器的接收信号可以在时间上等效视为激光声源信号分别经过水下目标上某一点反射后到达探测光入射水面处，以y方向声光耦合光纤水听器23、24、25、26为例，它们解调得到的信号在时间上可视为激光声源分别经过水下目标上未知的四个点反射到达它们各个探测光检测的水面。为简化计算，将这四点假设为同一未知点(x,y,z)，只要解出这一未知点的坐标，就可以估计出水下目标的位置。
根据差分定位算法，先选取一个声光耦合干涉型光纤水听器作为参考光纤水听器，如选取23号光纤水听器作为参考，则它的位置坐标为(x_r,y_r,z_r)，声波信号到达参考光纤水听器的时间为t_r，(x_i,y_i,z_i)表示序号为i的声光耦合干涉型光纤水听器的位置坐标，t_i为声波信号到达序号为i的声光耦合干涉型光纤水听器的时间。选取24号光纤水听器建立一个基本观测方程如下：
(x-x24)2+(y-y24)2+(z-z24)2-(x-xr)2+(y-yr)2+(z-zr)2=v(t24-tr)]]>
当有4个光纤水听器同时接收声波信号时，就可以得到3个独立的观测方程如下：
(x-x24)2+(y-y24)2+(z-z24)2-(x-xr)2+(y-yr)2+(z-zr)2=v(t24-tr)(x-x25)2+(y-y25)2+(z-z25)2-(x-xr)2+(y-yr)2+(z-zr)2=v(t25-tr)(x-x26)2+(y-y26)2+(z-z26)2-(x-xr)2+(y-yr)2+(z-zr)2=v(t26-tr)]]>
已知声音信号在水中的传播平均速度v，就可根据以上方程求出水下目标反射点的y方向坐标值。同理，根据x轴方向的4个声光耦合光纤水听器接收到声波信号的时间，也可得到3个观测方程，解得水下目标的x方向坐标值。这样就可以得到水下目标的空间坐标，得到水下目标的方位和深度信息。
在激光声源水下目标探测中，水下目标的反射信号作为携带目标特性的唯一有效载体，携带着目标的信息，包括水下目标的几何形状、尺度等。将水下目标看作一个线性时不变系统，反射声波就是入射声波作用于这个系统之后的响应。因此，水下目标的系统函数可表示为：
H(w)＝A(r,w)e^jwτ
其中：A(r,w)是幅度因子，τ是时间延迟，r是声波传播路径。当已知发射的声源信号和接收解调的反射声波信号，对它们进行反解卷计算后即得到它的冲激响应h(t)。
根据前面接收到的信号，通过差分定位算法，可以估计得到水下目标的中心位置坐标，图9所示为y轴方向的23号声光耦合干涉型光纤水听器接收到的声波信号计算得到的水下目标冲激响应，冲激响应的脉冲持续时间即为最早被水下目标反射到达水面的声波信号与最迟被水下目标反射到达水面的声波信号的时间差，设这个时间差为Δt。显然最早到达水面的声波信号必然为经过水下目标中心点反射的声波信号，最迟到达水面的声波信号则为经过水下目标边缘反射的声波信号。
图7所示为水下目标尺寸估计的计算模型，h为通过水下目标差分定位算法求得的水下目标深度，也是激光声源的最短传播路径，L为激光声源与水下目标边缘点的距离，即是激光声源最远传播距离。已知声波在水中的传播速度v，则 L可写为：
L=h+Δt2&CenterDot;v]]>
通过几何关系，可以计算出水下目标的尺寸：
a=2(L2-h2)]]>
其中，a为水下目标的尺寸长度。
仿真条件：激光声源信号为持续时间约为500μs的高斯脉冲信号，激光声源的坐标为(8,10,0.2)，水下目标的中心点坐标为(4,5,10)，其中坐标的单位均为m。水下目标为边长为6m的正方形铝板，正交十字阵列声光耦合光纤水听器之间的距离d为0.1m。
图8所示为激光声源产生的高斯脉冲声源信号波形图，x轴方向27、28、29、30号声光耦合光纤水听器接收到反射波信号的时间分别为26.063ms、26.086ms、26.109ms、26.132ms。
图9所示为y轴方向23号声光耦合光纤水听器接收到的声波信号，y轴方向23、24、25、26号声光耦合光纤水听器接收到反射波信号的时间分别为26.054ms、26.083ms、26.112ms、26.140ms。可以解得水下目标反射点的空间坐标为(4.4400,5.6202,9.8870)，与水下目标中心点十分接近。对解调信号和发射信号进行解卷积处理，得到水下目标的冲激响应波形。
图10所示为x轴方向12号声光耦合干涉型光纤水听器接收到的信号进行解卷积处理得到的冲激响应，冲激响应的脉冲时间宽度为1.31ms，可以计算出水下目标尺寸为6.346m；说明利用激光声源，将声光耦合干涉型光纤水听器布置成正交阵列，可以实现水下目标方位和尺寸的估计。