CN101261321A - 一种应用于水下目标探测的激光声装置及探测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的是一种应用于水下目标探测的激光声装置及探测方法。由接收基阵、接收机和PC机构成，其中，接收机由10通道模拟接收板、电源控制板和采集控制板组成，接收基阵由10元传感器组成，基阵接收由激光器发出的激光强脉冲击水所激发的声波，PC机通过PCI接口板、光纤与接收机互联。本发明的性能良好，工作稳定可靠，能够检测到水中目标的回波，探测到水下目标。
Description
(一)技术领域
本发明涉及的是一种探测装置及方法，特别是一种对水下目标进行探测的装置及方法，具体地说是一种空中飞行载体利用激光致声技术进行水下目标的有效探测技术。
(二)背景技术
水下目标探测的主流技术是声纳，由于强烈的需求牵引，其它如电磁、尾流、激光等相关技术也受到特别的关注。自从激光器诞生以来，人们就希望将其应用于水下目标的探测，以实现对海洋的高效、快速监测。这其中最为重要的技术途径之一就是激光声技术。高能量的激光聚焦到水面上，可以使水面局部受热膨胀、气化乃至爆炸，在水中产生声波，称之为激光声。作为一种新的激发声波的方法，它有非常明显的优点：首先是可以从空中以较高的高度和较远的距离上激发水下声波；其次是只要激光能量足够大，产生的声波就可以有很高的声源级；第三是激光在水中激发的声脉冲很窄，频谱很宽，以利于水下目标的探测。这使得激光声技术一直受到人们的关注。美国和俄国在激光声的相关领域起步较早，探讨了激光声的机理、特性，做了大量的湖试、海试。
在激光击水产生水下声波后，接收目标回波的激光声技术通常有两种：一种是在空气中用反射回来的激光提取被声波扰动了的水表面所蕴含的声场信息，从而检测出水下目标；另外一种方法是在空气中直接接收穿过水-空气界面的声波，从而获得水下目标的信息。本发明所研制的用于水下目标探测得激光声探测系统利用的是后一种方法。
(三)发明内容
本发明的目的在于提供一种可以实现对海洋的高效、快速监测，而且能够装在高速运动的载体上，在海洋监测方面具有极大的应用潜力的一种应用于水下目标探测的激光声装置及探测方法。
本发明的目的是这样实现的：
本发明的应用于水下目标探测的激光声装置由接收基阵、接收机和PC机构成，其中，接收机由10通道模拟接收板、电源控制板和采集控制板组成，接收基阵由10元传感器组成，基阵接收由激光器发出的激光强脉冲击水所激发的声波，PC机通过PCI接口板、光纤与接收机互联。
本发明的应用于水下目标探测的激光声装置还可以包括：
1、GPS数据通过串口送入PC机。
2、模拟接收板各通道接收电路相位不一致性＜5°，滤波器带宽统一配置，各通道接收增益可程控配置。
3、采集控制板的主要器件是FPGA。
4、PC机中的PCI接口板主要由FPGA和PCIDP组成，FPGA按功能分为4个模块：光纤接收模块负责接收光纤数据，拼成32bit的数据传输给数据上行传输模块；数据上行传输模块负责把数据传输给PCIDP；控制模块负责控制其它的模块，从主机接收命令和配置信息，并下传给接收机；光纤发送模块负责发送配置信息和命令。
本发明的应用于水下目标探测的激光声探测方法为：
一个由10元传感器组成的基阵接收由激光器发出的激光强脉冲击水所激发的声波，信号被接入接收机之后，接收机将接收的信号进行放大、滤波、数字化和波束形成，接收机通过光纤将处理过的21路波束形成后的信号和10路阵元的信号送入PC机，PC机通过PCI接口板接收信号、并进行实时显示和存储，激光器每发出一次激光脉冲的同时输出一个同步脉冲给PC机。在外场实验时，要求能够实时获得载体的大地坐标以更好地实现对目标的探测，通过串口将GPS数据送入PC机。
本系统不仅通过了实验室的试验，并且参加了海上试验，实验结果表明本系统的原理完全正确，而且性能良好，工作稳定可靠，能够检测到水中目标的回波，探测到水下目标。说明激光声技术用于水下目标探测是切实可行的，这套激光声探测系统的研制成功填补了国内的空白。
(四)附图说明
图1是本发明的实验原理示意图；
图2是本发明的激光声装置的原理框图；
图3-a、图3-b的显控软件的功能划分。
(五)具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
激光声探测系统的原理实验是在非消声水池进行的，下面简要分析本系统技术实现上的原理。结合图1，激光的击水点为S，R为接收基阵，水池中有一目标为T。由于水面的作用，声源具有偶极子指向性，水中声源的主极大轴方向垂直水面向下。激光器发出的强激光束照到水面S点上，水被瞬时气化而产生类似于“爆炸”的宽频带的声脉冲，在水中和空气中均产生声脉冲。水中的声脉冲遇到目标T产生回波，回波可以穿透水-空气界面到达放置于空气中的接收基阵，接收基阵具有特定的预成指向性。
在整个系统的工作工程中，到达接收基阵的声波有：水池体积混响，目标回波，池底池壁混响，空气中声脉冲的直达波，房间混响。由于空气和水之间的界面的作用，接收基阵各阵元接收到的水中透射的声波均集中在半开角约为13°的圆锥体中。水中透射出的声波都可以作为感兴趣的信号，因此主要的干扰是空气中声脉冲的直达波和房间中的混响。实验时，将基阵布置在与激光器击水点相距较远处，这样由于水中声速远比空气中声速快，感兴趣的信号先于空气中的干扰到达，从而将它们在时间上分开。以上针对水池实验做了分析，更为重要的是进行外场实验，由飞行载体携带着激光器和接收基阵对广阔水域中水下目标进行探测。此时空气中的混响是次要的干扰，载体的噪声干扰倒是主要的干扰了。
结合图2本发明设计了激光声探测装置，主要由接收基阵、接收机、PC机构成。其中，接收机由10通道模拟接收板、电源控制板和采集控制板组成。一个由10元传感器组成的基阵接收由激光器发出的激光强脉冲击水所激发的声波。信号被接入接收机之后，接收机将接收的信号进行放大、滤波、数字化和波束形成。接收机通过光纤将处理过的21路波束形成后的信号和10路阵元的信号送入PC机。PC机通过PCI接口板接收信号，并进行实时显示和存储。激光器每发出一次激光脉冲的同时输出一个同步脉冲给PC机，以便测量回波延时。在外场实验时，要求能够实时获得载体的大地坐标以更好地实现对目标的探测，通过串口将GPS数据送入PC机。
电源控制板将电池组提供的电源供给接收机的各个部分，同时把电池组能源消耗的情况传送给采集控制板；依据采集控制命令管理各部分电源的通断。数字电源采用转换效率较高的直流变换器；模拟电源采用低噪声的低压差线性稳压电源；模拟电源和数字电源采用光耦进行隔离。
模拟接收板各通道接收电路相位不一致性＜5°，滤波器带宽统一配置，各通道接收增益可程控配置。模拟接收板可以接收采集控制板输出的自检信号，以便于系统自检。
采集控制板的主要器件是FPGA，其功能是控制10通道A/D数模转换；将采样后的数据作波束形成；将采集数据和波束形成后的数据送入上行光纤。FPGA通过下行光纤接收PCI接口板传来的控制命令，控制各部分工作参数。一片DSP进行自检信号的发送。
PC机中的PCI接口板主要由FPGA和PCIDP组成。FPGA按功能分为4个模块：光纤接收模块负责接收光纤数据，拼成32bit的数据传输给数据上行传输模块；数据上行传输模块负责把数据传输给PCIDP；控制模块负责控制其它的模块，从主机接收命令和配置信息，并下传给接收机；光纤发送模块负责发送配置信息和命令。
结合图3-a和图3-b，激光声探测系统的软件设计主要包括：采集系统软件设计、实时多波束处理软件设计以及显示和控制软件设计。采集系统软件设计以及实时多波束处理软件设计主要是对FPGA和DSP的编程，主要是两块电路板的软件设计：其一是采集控制板，其二是PCI接口板。采集控制板的软件设计主要集中在控制AD采样，对原始信号作波束形成、滤波、求和，并对数据进行打包传送等方面；PCI接口板的软件设计主要是针对多波束接收机与计算机之间相互通信方面的问题。
显示和控制软件设计如图3-a和图3-b，显示和控制软件的工作方式分为两种：实时工作方式和回放工作方式。在实验开始前，接收机要进行自检，此时用接收机自己产生的阵元信号代替基阵接收的信号，处理过程与实时工作时完全相同，因此可以检验除接收基阵以外的所有的电子设备的性能。显示和控制软件要实时完成的功能有参数控制、波束形成结果显示、数据存储、GPS数据的处理和飞行载体的航迹显示。
激光声脉冲的时间非常短。经过中心频率为16kHz，带宽为1/3倍频程的滤波器后，脉宽约为0.4ms。如果需要操作员辨认出回波，整个屏幕显示的时间宽度不宜超过400ms，而激光器发射激光脉冲的同步周期定为2s，每个同步周期只能显示感兴趣部分的数据结果。随着实际条件的变化，感兴趣的数据位置是不固定的，因此要求可以实现在线修改波束显示参数，数据存储参数等。现场回放功能以及在回放时进行附加的后置处理功能具有非常重要的现实意义。本系统可以实现回放包括阵元原始数据在内的全部实验数据以及工作状态等信息。
由于C++语言具有良好的封装、继承特性，并且VC++提供了丰富的类库，本系统的软件实现采用VC++开发。系统设置了两个线程分别用来处理串口的GPS数据和PCI接口板传来的实时数据。两个线程均采用事件触发方式工作，可以实现对激光器同步时刻的实时检测，从而将该同步时刻以后指定长度的数据进行存储和显示，而且可以在线调整工作参数。
Claims (6)
1、一种应用于水下目标探测的激光声装置，由接收基阵、接收机和PC机构成，其特征是：其中，接收机由10通道模拟接收板、电源控制板和采集控制板组成，接收基阵由10元传感器组成，基阵接收由激光器发出的激光强脉冲击水所激发的声波，PC机通过PCI接口板、光纤与接收机互联。
2、根据权利要求1所述的一种应用于水下目标探测的激光声装置，其特征是：GPS数据通过串口送入PC机。
3、根据权利要求1或2所述的一种应用于水下目标探测的激光声装置，其特征是：模拟接收板各通道接收电路相位不一致性＜5°，滤波器带宽统一配置，各通道接收增益可程控配置。
4、根据权利要求3所述的一种应用于水下目标探测的激光声装置，其特征是：采集控制板的主要器件是FPGA。
5、根据权利要求4所述的一种应用于水下目标探测的激光声装置，其特征是：PC机中的PCI接口板主要由FPGA和PCIDP组成，FPGA按功能分为4个模块：光纤接收模块负责接收光纤数据，拼成32bit的数据传输给数据上行传输模块；数据上行传输模块负责把数据传输给PCIDP；控制模块负责控制其它的模块，从主机接收命令和配置信息，并下传给接收机；光纤发送模块负责发送配置信息和命令。
6、一种应用于水下目标探测的激光声探测方法，其特征是：一个由10元传感器组成的基阵接收由激光器发出的激光强脉冲击水所激发的声波，信号被接入接收机之后，接收机将接收的信号进行放大、滤波、数字化和波束形成，接收机通过光纤将处理过的21路波束形成后的信号和10路阵元的信号送入PC机，PC机通过PCI接口板接收信号、并进行实时显示和存储，激光器每发出一次激光脉冲的同时输出一个同步脉冲给PC机。在外场实验时，要求能够实时获得载体的大地坐标以更好地实现对目标的探测，通过串口将GPS数据送入PC机。
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