基于激光多点相干探测的水下发声目标位置估计方法及实现该方法的装置

摘要

基于激光多点相干探测的水下发声目标位置估计方法及实现该方法的装置，涉及水下发声目标位置探测技术。为了解决“激光-声”联合探测手段无法实现水下发声目标位置探测的问题。本发明首先搭建激光相干探测系统，然后利用相干探测系统对感兴趣的水域多个位置进行水表面声波探测，利用频谱分析、相位解调等方法实现各个点水表面声波波幅的测量，最后根据水表面声波波幅分布特征，波幅最大的位置视为水下声源中心的最优估计。本发明所述的方法和装置能够实现水下发声源位置的空中探测，可根据实际需求选择同步多点相干探测或异步多点相干探测两种方法，灵活性和机动性非常好，适用于水下发声目标探测，以及空对潜通信。

说明书

技术领域

本发明涉及水下发声目标位置探测技术。

背景技术

包括水下测音器、声呐浮标及拖拽式声波定位器在内的声呐技术依然是当前水下发声 目标探测的主流技术手段，例如利用声呐技术对MH370黑匣子的搜索，声呐技术是一种利 用声波在水下的传播特性，通过电声转换和信息处理完成水下探测和通讯任务的电子设备， 分为主动式和被动式两种类型。船载声呐技术由于机动性、灵活性以及隐蔽性较差，对水 下发声目标的探测应用受到了诸多限制。

人们希望能够实现水下发声目标的遥测，于是提出了“激光-声”联合探测手段，目前 的实验室研究显示了“激光-声”联合探测技术的潜力，激光相干探测法已被研究应用到水下 声信号的提取中，取得了一定的成效，但目前“激光-声”联合探测手段仍然无法实现水下 发声目标位置的探测。

发明内容

本发明的目的是为了解决“激光-声”联合探测手段无法实现水下发声目标位置探测 的问题，提供两种基于激光多点相干探测的水下发声目标位置估计方法及实现上述两种方 法的装置。

本发明所述的第一种基于激光多点相干探测的水下发声目标位置估计方法为同步多 点探测法，该方法包括以下步骤：

步骤一、在水表面上任意选取四个点作为探测点，且四个探测点构成正方形；

步骤二、采用水下声信号激光相干探测法对四个探测点进行探测，分别得到四个探测 点的探测信号I_d(t)，即光电探测器接收到的信号，并对四个探测点的探测信号进行频谱 分析或相位解调，得到四个探测点的水表面声波振幅值；

步骤三、判断四个探测点的水表面声波振幅值是否相同，如果相同，则将探测中心、 即四个探测点构成的正方形的中心点O作为声源中心位置的最佳估计，如果不相同，则执 行步骤四；

步骤四、根据振幅最大和次大探测点计算探测系统光学探头移动的方向向量

其中，A_max1为四个探测点的水表面声波最大振幅值，A_max1对应的位置为探测点S_max1， A_max2为四个探测点的水表面声波次大振幅值，A_max2对应的位置为探测点S_max2，O为四个 探测点构成的正方形的中心；

步骤五、按照步骤四得到的向量来移动四个光学探头，然后返回步骤二。

实现上述方法的装置包括激光器(1)、光隔离器(2)、1×4光纤耦合器(3)、四个 光纤声光调制器(4)、四个光环形器(5)、四个探头(6)、四个光衰减器(7)、四个2× 1耦合器(8)、4通道的光电探测器(9)和4通道的信号解调模块(10)；

激光器(1)发出的激光经过光隔离器(2)后进入1×4光纤耦合器(3)，1×4光纤 耦合器(3)的四个输出端分别连接四个光纤声光调制器(4)的输入端；

每个光纤声光调制器(4)与一个光环形器(5)、一个光衰减器(7)、一个2×1耦合 器(8)和一个探头(6)相对应，每个光纤声光调制器(4)的一个输出端通过光衰减器 (7)连接2×1耦合器(8)的一个输入端，该光纤声光调制器(4)的另一个输出端连接 光环形器(5)的一号端口，该光环形器(5)的二号端口连接探头(6)的光纤接口，该 光环形器(5)的三号端口连接2×1耦合器(8)的另一个输入端；

四个2×1耦合器(8)的输出端连接光电探测器(9)的信号输入端，光电探测器(9) 的输出端连接信号解调模块(10)的信号输入端，信号解调模块(10)的输出端用于连接 上位机。

本发明所述的第二种基于激光多点相干探测的水下发声目标位置估计方法为异步多 点探测方法，该方法为：采用水下声信号激光相干探测法对待探测水域进行逐点探测，得 到各个探测点的探测信号I_d(t)，即光电探测器接收到的信号，并对每个探测点的探测信 号进行频谱分析或相位解调，得到每个探测点的水表面声波振幅值，将水表面声波振幅值 最大的探测点的位置作为声源中心位置的最佳估计。

实现上述方法的装置包括激光器(1)、光隔离器(2)、光纤声光调制器(4)、光环形 器(5)、探头(6)、光衰减器(7)、2×1耦合器(8)、光电探测器(9)和信号解调模块 (10)；

激光器(1)发出的激光经过光隔离器(2)后进入光纤声光调制器(4)的输入端， 光纤声光调制器(4)的一个输出端通过光衰减器(7)连接2×1耦合器(8)的一个输入 端，该光纤声光调制器(4)的另一个输出端连接光环形器(5)的一号端口，该光环形器 (5)的二号端口连接探头(6)的光纤接口，该光环形器(5)的三号端口连接2×1耦合 器(8)的另一个输入端，2×1耦合器(8)的输出端连接光电探测器(9)的信号输入端， 光电探测器(9)的输出端连接信号解调模块(10)的信号输入端，信号解调模块(10) 的输出端用于连接上位机。

本发明针对水下发声源位置的空中探测这一问题提出了解决方案。本发明所述的两种 方法可简述为如下过程：1)搭建激光相干探测系统；2)利用相干探测系统对感兴趣的水 域多个位置进行水表面声波探测；3)利用频谱分析、相位解调等方法实现各个点水表面 声波波幅的测量；4)根据水表面声波波幅分布特征，波幅最大的位置视为水下声源中心 的最优估计。

根据基本多点相干探测的水下发声目标位置评估方法的基本原理，其实现方法可采用 两种形式：1)同步多点探测；2)异步多点探测。

本发明所述的方法和装置能够实现水下发声源位置的空中探测，可根据实际需求选择 同步多点相干探测或异步多点相干探测两种方法，灵活性和机动性非常好，适用于水下发 声目标探测，以及空对潜通信。

附图说明

图1为实施方式一中的水表面声波的空间形态图；

图2为实施方式一中的水下声信号激光相干探测的基本原理示意图，11表示分光镜， 12表示平面反射镜，13表示信号发生器，14表示功率放大器，15表示水下声源，16表 示数据采集及处理系统；

图3为实施方式一中四个探测点的初始位置分布图；

图4为实施方式一中声源中心定位示意图；

图5为实施方式一所述方法的流程图；

图6为实施方式二中的根据相干信号获得水表面声波信息的原理框图；

图7为实施方式五所述装置的结构示意图；

图8为实施方式七所述装置的结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1至图5说明本实施方式，本实施方式所述的基于激光多点 相干探测的水下发声目标位置估计方法为同步多点探测法，该方法为：

步骤一、在水表面上任意选取四个点作为探测点，且四个探测点构成正方形；

步骤二、采用水下声信号激光相干探测法对四个探测点进行探测，分别得到四个探测 点的探测信号I_d(t)，即光电探测器接收到的信号，并对四个探测点的探测信号进行频谱 分析或相位解调，得到四个探测点的水表面声波振幅值；

步骤三、判断四个探测点的水表面声波振幅值是否相同，如果相同，则将探测中心、 即四个探测点构成的正方形的中心点O作为声源中心位置的最佳估计，如果不相同，则执 行步骤四；

步骤四、根据振幅最大和次大探测点计算探测系统光学探头移动的方向向量

其中，A_max1为四个探测点的水表面声波最大振幅值，A_max1对应的位置为探测点S_max1， A_max2为四个探测点的水表面声波次大振幅值，A_max2对应的位置为探测点S_max2，O为四个 探测点构成的正方形的中心；

步骤五、按照步骤四得到的向量来移动四个光学探头，然后返回步骤二。

水表面声波是由水下声辐射穿透水气界面而引起的一种横向微幅波，若以水表面声源 扰动中心为坐标原点，水面法方向作为Z坐标轴建立坐标系，那么根据液体表面横向微 幅波理论，水表面声波的三维行波解可由下式表示：

$\eta (x,y,t)=A_s{e}^{j(k\sqrt{x^2+y^2}-\omega t)}$

式中，η为位置(x,y)处水表面声波实时波幅，j为虚数符号，x为X轴坐标分量，y为Y 轴坐标分量，ω为水表面声波的角频率(也即水下声信号的角频率)，e为自然对数的底。

由于水的粘滞作用，水表面横向微幅波的波幅不可能保持不变，也即水表面横向微幅 波的范围不是无限的，水表面微幅波的振幅随着传播距离的增加而减小，即水表面微幅波 区域的质点越靠近扰动源，其振幅越大。研究表明，水表面横向微幅波的波幅将以指数形 式衰减，因此，可将上式修正为：

$\eta =A_s{e}^{[-\tau \sqrt{x^2+y^2}+j(k\sqrt{x^2+y^2}-\omega t)]}$

式中，τ为衰减系数。因此，由水下声辐射引起的水表面声波的空间形态如图1所示。整 个波形呈现同心圆的结构，且中心幅度大，外沿幅度小。同心圆的圆心位置即为水下声辐 射中心的所在位置。正是由于水表面横向微幅波的振幅衰减的特点，我们可以利用多点波 幅探测的方法来实现水下目标发声位置的估计。

水下声信号激光相干探测的原理如图2所示，该图为典型的激光相干法探测水下声信 号的光路图。激光器发出的激光束经声光调制器(AOM)衍射后，分成两束光，一束作 为测量光，另一束作为参考光。测量光直接入射到被测水面，该水面的振动因为受到了水 下声源的调制而包含有水下声源同频率的振动成分，位相被这些振动调制的反射光(实际 表现为中心光强大四周光强小的光斑)入射至分光镜，并经分光镜反射；参考光经45度 平面反射镜反射后，入射至分光镜，并经分光镜透射，在分光镜里内部，测量光与参考光 汇合，发生了相干，相干光入射至光电探测器的探测面上。光电探测器接收相干信号，并 将其转化为电信号，该电信号经过信号处理电路和数据采集及处理系统处理后，被上位机 读取，被上位机读取的相干信号做进一步处理可解调出水下声信号的特征。

同步多点相干探测法的4个探测点S₁、S₂、S₃、S₄的分布如图3所示，整体呈现正方 形，其几何中心为O点。实践时，利用同步多点相干探测系统对感兴趣的水域进行多点 探测，得到4个探测点S₁、S₂、S₃、S₄处的水表面声波信息，选出水表面声波振幅最大和 次大的两个探测位置，分别记为S_max1和S_max2，那么声源中心方向则位于振幅最大探测点 S_max1和次大探测点S_max2与中心点O组成的张角范围内。以图3为例，水表面声波振幅最 大的探测点为S₁，次大探测点为S₄，那么声源中心C相对于探测系统的方向则位于 向量和之间.为搜索水表面声波的最大振幅位置，探测系统需按照方向移动， 不断调整探测系统的位置，使4个探测点探测到的水表面声波的振幅大小基本一致，如图 4所示，此时认为探测中心点O即为声源中心的最优估计。

具体实施方式二：结合图6说明本实施方式，本实施方式是对实施方式一所述的一种 基于激光多点相干探测的水下发声目标位置估计方法的进一步限定，根据实施方式一中的 测量原理，步骤二中的探测信号I_d(t)的获得方法为：

参考光的光振幅E_b随时间t的分布为：

E_b(t)＝A_bsin(ω₀t+kz_b+φ)(1)

式中，A_b为参考光光振幅E_b的幅值；

ω₀为激光角频率；

k为激光波数；

z_b为参考光的光程；

φ为激光初始相位。

测量光的光振幅E_m随时间t的分布为：

E_m(t)＝A_msin[(ω₀+ω_d)t+kz_m+φ](2)

式中，A_m为测量光光振幅E_b的幅值；

z_m为测量光的光程；

ω_d为声光调制器调制频率。

参考光与测量光汇合后的合振幅为：

E(t)＝E_b(t)+E_m(t)＝A_msin(ω₀t+kz_m+φ)+A_bsin[(ω₀+ω_d)t+kz_b+φ](3)

则相干光光强I(t)为：

$\begin{array}{c}I\left(t\right)=|E\left(t\right){|}^2=A_m^2{\cos }^2({\omega }_{0}t+{\mathrm{kz}}_m+\phi )+A_b^2{\cos }^2[({\omega }_0+{\omega }_d)t+{\mathrm{kz}}_b+\phi ]\\ +A_m{A}_b\cos [(2{\omega }_0+{\omega }_d)t+{\mathrm{kz}}_m+{\mathrm{kz}}_b+2\phi ]+A_m{A}_b\cos [{\omega }_{d}t+k(z_m-z_b)]\end{array}---\left(4\right)$

光强由光电探测器接收，光电探测器不对高频项响应，即将和A_mA_bcos[(2ω₀+ω_d)t+kz_m+kz_b+2φ]转变为直流信号，因此，去除直流分量 后的光强信号I_d表示为：

I_d(t)＝KA_mA_bcos[k(z_m-z_b)]＝A_dcos[ω_dt+k(z_m-z_b)](5)

式中，K为光电接收器的放大倍率，记A_d＝KA_mA_b，

由上式可知，光电探测器接收的信号是关于参考光和测量光光程差的调制信号，两 束激光的光程差由两个臂的初始长度和水表面振动有关，其中水表面振动包含自然水表面 的波动以及水下声信号激发的水表面声波两部分，因此，光程差z_m-z_b表示为：

z_m-z_b＝2(L₁-L₂)+2A_nsin(2πf_nt+φ_n)+2A_ssin(2πf_st+φ_s)(6)

式中，A_nsin(2πf_nt+φ_n)为自然水表面的振动表达式(A_n为自然水表面振幅，f_n为自 然水表面振动频率，φ_n为自然水表面振动初相位)，A_ssin(2πf_st+φ_s)为水下声源引起的 水表面振动表达式(A_s为水表面声波振幅，f_s为水表面声波振动频率，φ_s为水表面声波 振动初相位)，L₁为水面静止时测量光的初始光程，L₂为水面静止时参考光的光程，那么， (L₁-L₂)为水面静止时两路光的初始光程差，记为ΔL，则光电探测器接收到的光强信号可 由下式表述：

I_d(t)＝A_dcos{ω_dt+k[2ΔL+2A_nsin(2πf_nt+φ_n)+2A_ssin(2πf_st+φ_s)]}(7)

A_ssin(2πf_st+φ_s)为由水下声源引起的水表面声波的信息。

由公式(7)可知，由光电探测器获得的探测信号的相位中包含了水下声源引起的水 表面声波的信息：A_ssin(2πf_st+φ_s)。采用常规的方法(例如频谱分析或相位解调等方法) 对探测信号进行分析，即可得到水表面声波的振动幅值A_s和振动频率f_s。可采用图6所 示的原理得到水表面声波信息：A_ssin(2πf_st+φ_s)。

具体实施方式三：本实施方式所述的基于激光多点相干探测的水下发声目标位置估计 方法为异步多点探测方法，该方法为：采用水下声信号激光相干探测法对待探测水域进行 逐点探测，得到各个探测点的探测信号I_d(t)，即光电探测器接收到的信号，并对每个探 测点的探测信号进行频谱分析或相位解调，得到每个探测点的水表面声波振幅值，将水表 面声波振幅值最大的探测点的位置作为声源中心位置的最佳估计。

具体实施方式四：本实施方式是对实施方式三所述的基于激光多点相干探测的水下发 声目标位置估计方法的进一步限定，探测信号I_d(t)的获得方法为：

参考光的光振幅E_b随时间t的分布为：

E_b(t)＝A_bsin(ω₀t+kz_b+φ)(1)

式中，A_b为参考光光振幅E_b的幅值；

ω₀为激光角频率；

k为激光波数；

z_b为参考光的光程；

φ为激光初始相位。

测量光的光振幅E_m随时间t的分布为：

E_m(t)＝A_msin[(ω₀+ω_d)t+kz_m+φ](2)

式中，A_m为测量光光振幅E_b的幅值；

z_m为测量光的光程；

ω_d为声光调制器调制频率。

参考光与测量光汇合后的合振幅为：

E(t)＝E_b(t)+E_m(t)＝A_msin(ω₀t+kz_m+φ)+A_bsin[(ω₀+ω_d)t+kz_b+φ](3)

则相干光光强I(t)为：

$\begin{array}{c}I\left(t\right)=|E\left(t\right){|}^2=A_m^2{\cos }^2({\omega }_{0}t+{\mathrm{kz}}_m+\phi )+A_b^2{\cos }^2[({\omega }_0+{\omega }_d)t+{\mathrm{kz}}_b+\phi ]\\ +A_m{A}_b\cos [(2{\omega }_0+{\omega }_d)t+{\mathrm{kz}}_m+{\mathrm{kz}}_b+2\phi ]+A_m{A}_b\cos [{\omega }_{d}t+k(z_m-z_b)]\end{array}---\left(4\right)$

光强由光电探测器接收，光电探测器将和 A_mA_bcos[(2ω₀+ω_d)t+kz_m+kz_b+2φ]转变为直流信号，因此，去除直流分量后的光强信号I_d表示为：

I_d(t)＝KA_mA_bcos[k(z_m-z_b)]＝A_dcos[ω_dt+k(z_m-z_b)](5)

式中，K为光电接收器的放大倍率，记A_d＝KA_mA_b，

光程差z_m-z_b表示为：

z_m-z_b＝2(L₁-L₂)+2A_nsin(2πf_nt+φ_n)+2A_ssin(2πf_st+φ_s)(6)

式中，A_nsin(2πf_nt+φ_n)为自然水表面的振动表达式(A_n为自然水表面振幅，f_n为自 然水表面振动频率，φ_n为自然水表面振动初相位)，A_ssin(2πf_st+φ_s)为水下声源引起的 水表面振动表达式(A_s为水表面声波振幅，f_s为水表面声波振动频率，φ_s为水表面声波 振动初相位)，L₁为水面静止时测量光的初始光程，L₂为水面静止时参考光的光程，那么， (L₁-L₂)为水面静止时两路光的初始光程差，记为ΔL，则光电探测器接收到的光强信号可 由下式表述：

I_d(t)＝A_dcos{ω_dt+k[2ΔL+2A_nsin(2πf_nt+φ_n)+2A_ssin(2πf_st+φ_s)]}(7)

A_ssin(2πf_st+φ_s)为由水下声源引起的水表面声波的信息。

具体实施方式五：结合图6和图7说明本实施方式，本实施方式是实现实施方式二所 述的基于激光多点相干探测的水下发声目标位置估计方法的装置，所述装置包括激光器 (1)、光隔离器(2)、1×4光纤耦合器(3)、四个光纤声光调制器(4)、四个光环形器 (5)、四个探头(6)、四个光衰减器(7)、四个2×1耦合器(8)、4通道的光电探测器 (9)和4通道的信号解调模块(10)；

激光器(1)发出的激光经过光隔离器(2)后进入1×4光纤耦合器(3)，1×4光纤 耦合器(3)的四个输出端分别连接四个光纤声光调制器(4)的输入端；

每个光纤声光调制器(4)与一个光环形器(5)、一个光衰减器(7)、一个2×1耦合 器(8)和一个探头(6)相对应，每个光纤声光调制器(4)的一个输出端通过光衰减器 (7)连接2×1耦合器(8)的一个输入端，该光纤声光调制器(4)的另一个输出端连接 光环形器(5)的一号端口，该光环形器(5)的二号端口连接探头(6)的光纤接口，该 光环形器(5)的三号端口连接2×1耦合器(8)的另一个输入端；

四个2×1耦合器(8)的输出端连接光电探测器(9)的信号输入端，光电探测器(9) 的输出端连接信号解调模块(10)的信号输入端，信号解调模块(10)的输出端用于连接 上位机。

图7所示为实现同步多点探测法的装置的结构示意图：带尾纤的激光器(1)输出单 频激光束，经过光隔离器(2)后输入到1×4光纤耦合器(3)内，该1×4光纤耦合器(3) 按等光强输出4路激光，4路激光各自输入到光纤声光调制器(4)，光纤声光调制器(4) 输出的0级光作为参考光，其输出的1级光作为探测光：4路探测光经光环形器(5)输 出到4个探头(6)，4个探头(6)将探测激光出射到待探测水域，并接收水面返射回的 激光束，即反射激光束，反射激光束的相位受到了水表面波动的调制，反射激光束经环形 器后输入到2×1耦合器(8)；另一方面，参考光经过光衰减器(7)后也输入到2×1耦 合器(8)，两束光汇合后产生了相干信号，4路相干信号由4通道的光电探测器(9)接 收，光电探测器(9)将相干信号转换为电信号，进入4通道的信号解调模块(10)，信号 解调模块(10)采用图6所示的原理对接收到的信号进行处理，得到水表面声波信息 A_ssin(2πf_st+φ_s)，将该信息发送至上位机，上位机即可获得4个探测点水表面声波的信 息。

具体实施方式六：结合图7说明本实施方式，本实施方式是对实施方式五所述装置的 进一步限定，本实施方式中，所述探头(6)包括多镜片光耦合器(6－1)和定焦透镜(6 －2)，多镜片光耦合器(6－1)的光纤接口作为探头(6)的光纤接口，探测光依次经过 多镜片光耦合器(6－1)和定焦透镜(6－2)后入射到水表面，经水表面返回的激光依次 经过定焦透镜(6－2)和多镜片光耦合器(6－1)后进入光环形器(5)的二号端口。

该光纤耦合器(6－1)用于将探测激光出射到待探测水域，同时配合定焦透镜(6－2) 实现反射激光束的接收。

具体实施方式七：结合图8说明本实施方式，本实施方式是实现实施方式四所述的基 于激光多点相干探测的水下发声目标位置估计方法的装置，所述装置包括激光器(1)、光 隔离器(2)、光纤声光调制器(4)、光环形器(5)、探头(6)、光衰减器(7)、2×1耦 合器(8)、光电探测器(9)和信号解调模块(10)；

激光器(1)发出的激光经过光隔离器(2)后进入光纤声光调制器(4)的输入端， 光纤声光调制器(4)的一个输出端通过光衰减器(7)连接2×1耦合器(8)的一个输入 端，该光纤声光调制器(4)的另一个输出端连接光环形器(5)的一号端口，该光环形器 (5)的二号端口连接探头(6)的光纤接口，该光环形器(5)的三号端口连接2×1耦合 器(8)的另一个输入端，2×1耦合器(8)的输出端连接光电探测器(9)的信号输入端， 光电探测器(9)的输出端连接信号解调模块(10)的信号输入端，信号解调模块(10) 的输出端用于连接上位机。

该装置利用一个光学探头对感兴趣的水域内进行逐点的水表面声波探测，以最大振幅 处为声源中心位置的最优估计。

具体实施方式八：结合图8说明本实施方式，本实施方式是对实施方式七所述装置的 进一步限定，本实施方式中，所述探头(6)包括多镜片光耦合器(6－1)和定焦透镜(6 －2)，多镜片光耦合器(6－1)的光纤接口作为探头(6)的光纤接口，探测光依次经过 多镜片光耦合器(6－1)和定焦透镜(6－2)后入射到水表面，经水表面返回的激光依次 经过定焦透镜(6－2)和多镜片光耦合器(6－1)后进入光环形器(5)的二号端口。

该光纤耦合器(6－1)用于将探测激光出射到待探测水域，同时配合定焦透镜(6－2) 实现反射激光束的接收。