CN102879764B

CN102879764B - 一种水下声源方位估计方法

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Publication number: CN102879764B
Application number: CN201210392742.4A
Authority: CN
Inventors: 彭小东; 金晓峰; 李建龙; 徐文
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2012-10-16
Filing date: 2012-10-16
Publication date: 2014-05-07
Anticipated expiration: 2032-10-16
Also published as: CN102879764A

Abstract

本发明公开一种水下声源方位估计方法，包括：将声光耦合干涉型光纤水听器安装在水上机载平台上，且所有声光耦合干涉型光纤水听器构成均匀圆形阵列；各所述声光耦合干涉型光纤水听器分别向水面垂直发射探测光，同时产生参考光；各路探测光经水面反射后各自返回原声光耦合干涉型光纤水听器，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声源数据；运用波束形成算法处理各声光耦合干涉型光纤水听器解调出的水下声源数据，估计得到水下声源的方位。本发明可实现大范围海域的快速探测，实现水下声源方位角、俯仰角的全方位估计；通过调节光纤水听器在滑动轨道上的位置，使均匀圆形阵列可适用于较宽频带范围的水下声源定位。

Description

一种水下声源方位估计方法

技术领域

本发明涉及声光耦合干涉型光纤水听器以及水下声源方位估计方法，属于传感器阵列信号处理、水下目标被动探测领域。

背景技术

波达方向(DOA)估计在雷达、声纳、通讯、地震勘探、射电天文、导航、声源跟踪等多种军事和国民经济应用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。对于水下声源的方位估计，通常在水下布置物理的水听器阵，接收水下声源发出的信号，再通过阵列信号处理技术，估计水下声源的方位。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阵麻烦，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。我们知道，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。基于声光耦合的干涉型光纤水听器的种子激光产生探测光与参考光，探测光由光纤水听器的准直器照射到水面上，水下声源发出的声波使水表面形成受迫振动，振动频率和幅度分别和水下声波的频率和强度一致，探测光在水面的反射光的频率受水表面的受迫振动振动速度调制，由光电探测器探测到，解调器解调出水表面的振动速度，进而获得水下声波的波形，实现对水下声信号的探测。

与线阵和传统的平面相控阵相比，圆形阵列有着自身独特的优越性能。对于均匀圆形阵列来说，可以在圆形阵所在平面形成无方向性方向图，也可以形成单波束，而且形状是对称的。此外，水下声源信号常看作为宽带的信号，圆形阵列具有远场模式与频率无关的特点，但同时圆形阵列具有相对主瓣较高的旁瓣电平。

发明内容：

本发明的目的是提供一种基于声光耦合干涉型光纤水听器阵列的水下声源方位估计方法。

为实现上述目的，本发明所采用的水下声源方位估计方法包括如下步骤：

步骤（1）：将声光耦合干涉型光纤水听器安装在水上机载平台上，且所有声光耦合干涉型光纤水听器构成均匀圆形阵列；

步骤（2）：各所述声光耦合干涉型光纤水听器分别向水面垂直发射探测光，同时产生参考光；

步骤（3）：各路探测光经水面反射后各自返回原声光耦合干涉型光纤水听器，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声源数据；

步骤（4）：运用波束形成算法处理各声光耦合干涉型光纤水听器解调出的水下声源数据，估计得到水下声源的方位。

进一步地，本发明所述均匀圆形阵列满足下式所示的条件：

N≥4πr/λ_H

其中，N表示构成所述均匀圆形阵列的声光耦合干涉型光纤水听器的数量；r表示所述均匀圆形阵列的半径，是各光纤水听器与所述均匀圆形阵列的中心点的距离；λ_H表示水下声源的最高频率所对应的波长。

进一步地，本发明所述水上机载平台上固定有滑动轨道，所述声光耦合干涉型光纤水听器安装在所述滑动轨道上且能够在所述滑动轨道上滑动。

进一步地，本发明所述均匀圆形阵列所在的三维坐标系为：以水面作为所述三维坐标系的x-y平面，所述三维坐标系的z轴垂直于x-y平面，且z轴的正方向向下，所述三维坐标系的原点与各所述声光耦合干涉型光纤水听器的探测光在x-y平面上的垂直照射点所组成的圆的圆心重合。

进一步地，本发明在所述步骤（3）中，所述相干解调的方法为外差解调法或零差解调法。

进一步地，本发明在所述步骤（4）中，所述波束形成算法为常规波束形成算法或高分辨波束形成算法。

进一步地，本发明所述高分辨波束形成算法为MUSIC算法或ESPRIT算法。

与现有技术相比，本发明方法具有如下有益效果：

本发明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源、可移动性强、体积小、结构设计灵活等优点；通过将多个基于声光耦合的干涉型光纤水听器放置于设于水上机载平台的滑动轨道上并布置成均匀圆形阵列，可实现大范围海域的快速探测，实现水下声源方位角、俯仰角的全方位估计；通过调节光纤水听器在滑动轨道上的位置，使均匀圆形阵列可适用于较宽频带范围的水下声源定位。

附图说明：

图1是本发明方法的流程示意图；

图2是8元均匀圆形声光耦合干涉型光纤水听器阵列示意图；

图3是声光耦合干涉型光纤水听器探测水下目标的坐标系；

图4是声光耦合干涉型的光纤水听器的工作原理示意图；

图5是一种声光耦合的外差干涉型光纤水听器的结构示意图；

图6是水下声源的波形图；

图7是声光耦合的干涉型光纤水听器外差解调输出的水下声源波形图；

图8是方位角为60°、俯仰角为30°的水下声源经MUSIC算法处理结果。

具体实施方式

以下以具体实例进一步说明本发明。

本发明使用的光纤水听器为声光耦合干涉型光纤水听器，以下简称“光纤水听器”。

如图1所示，本发明基于声光耦合干涉型光纤水听器阵列的水下声源方位估计方法包括如下步骤：

（1）将光纤水听器放置于滑动轨道上，该滑动轨道安装于水上机载平台上，且机载平台距离水面有一定距离（机载平台可以为船只、飞机等）。调节光纤水听器在滑动轨道上的位置，由此，使所有光纤水听器组成半径为r的均匀圆形阵列。其中，阵列半径r应满足的条件为：N≥4πr/λ_H，λ_H为水下声源的最高频率所对应的波长，阵列半径r为各光纤水听器距离均匀圆形阵列的中心点O的距离，N为构成均匀圆形阵列的光纤水听器的数量。

（2）各光纤水听器分别向水面垂直发射探测光，同时各光纤水听器产生参考光。

（3）各路探测光经水面反射后返回各自对应的光纤水听器，各光纤水听器接收到反射回的探测光后，各自利用反射回的探射光和参考光进行相干解调，解调出水下声源；

（4）运用波束形成算法处理各光纤水听器解调出的水下声源数据，估计得到水下声源的方位。

如图2所示，以8路光纤水听器为例，进一步说明本发明的步骤（1）中所述的光纤水听器均匀圆形阵列的结构。

如图2所示，光纤水听器均匀圆形阵列的组成方式如下：滑动轨道9、滑动轨道10、滑动轨道11和滑动轨道12的轨道中心点均位于同一位置O点；滑动轨道9与滑动轨道10的夹角、滑动轨道10与滑动轨道11的夹角、滑动轨道11与滑动轨道12的夹角分别为45°。光纤水听器1与光纤水听器5分别放置于滑动轨道9的两端，光纤水听器2与光纤水听器6分别放置于滑动轨道10的两端，光纤水听器3与光纤水听器7分别放置于滑动轨道11的两端，光纤水听器4与光纤水听器8分别放置于滑动轨道12的两端，并且，这8个光纤水听器距离滑动轨道的中心点O的距离同为r。由此，这8个光纤水听器构成均匀圆形阵列，并以滑动轨道的中心点O作为均匀圆形阵列的中心点。

对于由N个光纤水听器组成的N元均匀圆形阵列，阵列半径r应满足的条件为N≥4πr/λ_H，其中λ_H为水下声源的最高频率所对应的波长。通过调节光纤水听器距离中心点O的距离r，使阵列可适用于较宽频带范围的水下声源定位。

由于本发明中的光纤水听器是通过非接触方式探测水下声源，因此，对本发明光纤水听器构成的均匀圆形阵列建立如图3所示的三维坐标系：以水面作为坐标系的x-y平面，z轴垂直于x-y平面，且z轴的正方向向下；坐标系的原点O’与各光纤水听器的探测光在x-y平面上的垂直照射点组成的半径为r的圆的圆心重合。在以下的说明中，所涉及的坐标均建立在此坐标系下。

每路光纤水听器独自按照步骤（2）、（3）的工作方式完成水下声源的探测和解调。以下以单路光纤水听器来说明。

如图4所示，探测光由光纤水听器发射到水面上，水下声源在水表面的微扰能够在水表面产生振幅在几十纳米到微米量级的水表面横向微波；水表面横向微波对入射其上的探测光进行调制；经调制后的探测光反射回到原光纤水听器；光纤水听器对反射回来的探测光进行解调。根据光纤水听器中的信号臂传输的光与参考臂传输的光的频率差△ω是否为零，可以将上述解调方法分为零差解调法和外差解调法两大类。

为进一步说明本发明中的步骤（2）、（3），图5示出了一种水面声光耦合的外差干涉型光纤水听器的结构，它按如下方式工作：

水面声光耦合的外差干涉型光纤水听器的系统光源13采用波长为1550nm、输出功率为10dBm的窄线宽分布反馈激光器（DFB）。激光器输出光信号经1×2耦合器14后分成两路分别作为参考光和探测光。其中，参考光经过27MHz的声光移频器移频15后进入2×2耦合器24的一端。探测光首先从环形器16的端口18进入端口19，然后通过准直器17调整角度后垂直入射到水面上，经水面反射后，探测光返回并由光纤准直器17收集后重新回到环形器16的端口19并由环形器16的端口20输出，先经掺饵光纤放大器（EDFA）21进行信号放大，然后由窄带光滤波器22滤除EDFA引入的自发辐射噪声，再经过偏振控制器23后输入到2×2耦合器24的另一端。调节偏振控制器23使探测光的光偏振态与参考光的光偏振态相同以达到最强干涉信号。2×2耦合器24输出的两路干涉信号经过长度不同的可调光纤延迟线25和可调光纤光纤延迟线26后分别进入光电探测器27和光电探测器28内进行光电转换。由光电探测器27和光电探测器28输出的的两路正交信号分别与同一外差信号源31在混频器29和混频器30内进行信号混频，两个混频器输出的两路信号分别通过低通滤波器31和低通滤波器32以滤除外差频率信号和高次谐波分量，得到两路低通输出信号，再将两路低通输出信号在A/D（模/数）转换器34和A/D（模/数）转换器35内，将模拟信号转换为数字信号。将两路转换后的数字信号送入鉴频器36进行鉴频操作，将鉴频操作后得到的信号通过带通滤波器37（该带通滤波器的频带范围是水下声源的频带范围）滤波，经带通滤波器37滤波后输出的信号就是解调出的水下声源。

在本发明的步骤（4）中，运用波束形成算法处理各光纤水听器解调出的水下声源数据，即可估计得到水下声源的方位。波束形成算法可以使用常规波束形成算法、MUSIC算法、ESPRIT算法等。下面以MUSIC算法为例进行具体的说明。

首先，在图3所示的坐标系下建立光纤水听器的均匀圆形阵列的信号接收模型。假设在水下有K路远场窄带水下声源，其中，第k路水下声源的入射俯仰角为入射俯仰角是z轴与水下声源入射方向之间的夹角；入射方位角为θ_k∈[0,2π],入射方位角是从x轴沿逆时针方向到水下声源入射方向在阵列平面投影的夹角。某时刻，第n路光纤水听器解调出的水下声源与同一时刻到达坐标原点的信号的相位差为β_n：

式（1）中，λ为水下声源的波长，r为光纤水听器的探测光在水面的垂直照射点组成的圆形的半径，N为均匀圆形阵列中的光纤水听器的个数，n=1,2···N。在t时刻，N路光纤水听器解调出的水下声源可以表示为向量形式：

X(t)=AS(t)+N(t) （2）

式（2）中，X(t)为N路光纤水听器解调出的水下声源组成的N×1阶接收信号向量，X(t)=[x₁(t),x₂(t),…,x_n(t),…,x_N(t)]^T，x_n(t)表示第n路光纤水听器在t时刻通过步骤（3）的方式解调出的水下声源数据。A称作阵列流型，是与阵列结构、水下声源的频率以及水下声源所处的空间位置有关的N×K阶参数矩阵。S(t)是K路远场窄带水下声源组成的K×1阶信号源向量，N(t)是均值为0、方差为σ²的N×1阶的高斯白噪声向量。其中，

表示第k个信号对应的驾驶向量，k=1，2，...，K，β_n表示第n路光纤水听器解调出的水下声源与同一时刻到达坐标原点的水下声源的相位差。将N路光纤水听器在一个时刻解调出的数据称作一次快拍数据，即是X(t)=[x₁(t),x₂(t),…,x_n(t),…,x_N(t)]^T，取M（M≥1）个时刻的快拍数据，则接收信号可用矩阵表示为X，X是N×M阶的矩阵，接收信号的协方差矩阵R_XX为

R_XX=E{XX^H}

=AE{SS^H}A^H+σ²I （5）

=AR_SA^H+σ²I

式（5）中，E{}代表取系综平均运算，上标H表矩阵求共轭转置运算，R_S代表水下声源的协方差矩阵，σ²代表噪声的功率，I代表单位矩阵。这样我们将接收信号的协方差矩阵R_XX表示成为信号的协方差矩阵与噪声矩阵之和。

协方差矩阵R_XX的估计对波束形成算法的性能十分重要，对于有限的观察数据，常用的处理方式有：时间平均、空间平滑、前/后向平滑。在本实施例中，MUSIC算法的协方差矩阵采用如式（6）所示时间平均的方式估计

X(m)=[x₁(m),x₂(m),…,x_n(m),…,x_N(m)]^T，代表第m次的快拍数据，x_n(m)表示第n路光纤水听器在第m个时刻通过步骤（3）的方式解调出的水下声源数据。对估计的协方差矩阵进行特征值分解，得到特征值λ_i与对应的特征向量e_i。特征值按从大到小排列，取大的K个特征值对应的特征向量构造信号子空间U_S，较小的N-K个特征值对应的特征向量构造成噪声子空间U_N。

其中∑_S，∑_N分别为信号特征值与噪声特征值构成的对角矩阵，构造空间谱函数：

在空间谱上，通过对方位角和俯仰角θ，进行二维搜索，如果驾驶向量

属于信号子空间的时候，即θ，

方向有水下声源存在，则

是一个趋于零的值，在空间谱上就会产生一个峰值，，峰值处就对应水下声源的方位。

仿真条件：水下声源为远场正弦信号，频率f为5KHz，信号与海洋环境噪声的信噪比为20dB。水下声源入射的俯仰角为30°，方位角θ为60°；声在水下的传播速度c_水为1300m/s，则该水下声源的波长λ＝c_水/f=0.26米；8路光纤水听器组成一个均匀圆形阵列，圆形阵列半径r设置为水下声源的波长的0.5倍，即0.13米；水下声源的采样频率f_s为20KHz,快拍数M取10。图6是水下声源的波形图，图7为1路光纤水听器通过外差解调方式解调出的水下声源波形图，图8为运用MUSIC算法处理8路光纤水听器解调出的水下声源的仿真图。由图7和图8可以看出，通过将基于声光耦合的干涉型光纤水听器布置成圆形阵列，可实现信号的俯仰角、方位角度的全方位估计。

Claims

1.一种水下声源方位估计方法，其特征是，包括如下步骤：

步骤（1）：将声光耦合干涉型光纤水听器安装在水上机载平台上，且所有声光耦合干涉型光纤水听器构成均匀圆形阵列；所述均匀圆形阵列满足下式所示的条件：

N≥4πr/λ_H

其中，N表示构成所述均匀圆形阵列的声光耦合干涉型光纤水听器的数量；r表示所述均匀圆形阵列的半径，是各光纤水听器与所述均匀圆形阵列的中心点的距离；λ_H表示水下声源的最高频率所对应的波长；

2.根据权利要求1所述的水下声源方位估计方法，其特征是：所述水上机载平台上固定有滑动轨道，所述声光耦合干涉型光纤水听器安装在所述滑动轨道上且能够在所述滑动轨道上滑动。

3.根据权利要求1所述的水下声源方位估计方法，其特征是，所述均匀圆形阵列所在的三维坐标系为：以水面作为所述三维坐标系的x-y平面，所述三维坐标系的z轴垂直于x-y平面，且z轴的正方向向下，所述三维坐标系的原点与各所述声光耦合干涉型光纤水听器的探测光在x-y平面上的垂直照射点所组成的圆的圆心重合。

4.根据权利要求1所述的水下声源方位估计方法，其特征是：在所述步骤（3）中，所述相干解调的方法为外差解调法或零差解调法。

5.根据权利要求1所述的水下声源方位估计方法，其特征是：在所述步骤（4）中，所述波束形成算法为常规波束形成算法或高分辨波束形成算法。

6.根据权利要求5所述的水下声源方位估计方法，其特征是：所述高分辨波束形成算法为MUSIC算法或ESPRIT算法。