CN105571405A - 光纤水声撞击部位及脱靶量测量系统 - Google Patents

光纤水声撞击部位及脱靶量测量系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种光纤水声撞击部位及脱靶量测量系统，包括光纤网格测量分系统、光纤水听器测量分系统、无线接收显控终端以及船载无线通讯设备。当试验弹击中靶船时，光纤网格测量分系统对撞击区域的光纤通断信息进行采集；当试验弹未击中靶船而落入水中时，光纤水听器测量分系统对试验弹落水时的声信号进行采集。无线接收显控终端用于接收采集的数据并进行分析，从而得出试验弹的撞击位置或脱靶量信息。本发明可以实时响应撞击毁伤信息，同时解决了试验弹脱靶时对脱靶量的测量，成本低，可靠性以及测量精度高。

Description

光纤水声撞击部位及脱靶量测量系统
技术领域
本发明涉及撞击部位及脱靶量测量系统，尤其涉及基于光纤网格传感检测技术和水听器检测技术的撞击部位及脱靶量测量系统，应用于海上靶船受到撞击时的撞击位置测量以及试验弹脱靶时的脱靶量测量领域。
背景技术
制导武器的打击精度直接关系到武器的杀伤效果，靶目标遭到撞击时的撞击部位测量及试验弹脱靶时的脱靶量测量对于鉴定和评估攻击性武器的性能起着关键作用。制导武器的性能一般在靶、弹的遭遇段得到较为集中的体现，而武器的杀伤效果同目标特性、战斗装药、引信、武器的射击或制导精度有关。为了能够利用遭遇段参数数据来分析武器系统的误差因素，撞击部位及脱靶量测量系统需要鉴定武器系统的射击或制导精度，判定杀伤效果；测量起爆时刻以及目标与武器间的相对位置和姿态，从而评定引信、战斗部的配合情况。由此可见，撞击部位及脱靶量测量系统是靶场测量任务的核心内容之一，且成为靶场必备且随武器系统的发展要求性能不断提高的测量工具。目前，撞击部位及脱靶量测量方式主要有地震波检测、高速摄像、图像处理、雷达探测、弹道分析等方式。这些测量方式大多利用微波电波、光波等作为获取信息的媒介，都存在一定的局限性。其中，专利CN103389014A公开的基于地震波检测的炸点定位方式只适合于陆地靶场，海上靶场无法使用。专利CN102829957A公开的利用红外跟踪技术的脱靶量测量方式属于雷达探测的类型，该方式探测范围有限且造价昂贵。其他测量方式也都存在一定的局限性，弹道分析测量方式则需要对弹道进行公式推算，测量精度难以保证，高速摄像方式易受天气影响，图像处理方式存在处理速度慢、实时性差、精度不足等缺点。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种光纤水声撞击部位及脱靶量测量系统，用于实时测量海上靶船受到撞击时的撞击位置或试验弹脱靶时的脱靶量，成本低，测量精度高。
本发明的技术方案：光纤水声撞击部位及脱靶量测量系统，包括光纤网格测量分系统、光纤水听器测量分系统、无线接收显控终端以及船载无线通讯设备；
光纤网格测量分系统包括光源、光纤分路器、第一光纤连接器、第二光纤连接器、光纤传感器网格以及光电探测装置；光纤传感器网格位于船体甲板表面，由N根事先编号的传感光纤按经纬交错方式布置；光源发出的光信号经光纤分路器分成N路，每一路通过第一光纤连接器入射到光纤传感器网格的一根传感光纤中；每根传感光纤中的光信号通过第二光纤连接器入射到光电探测装置中，光电探测装置实时探测每根传感光纤中的光信号，当试验弹击中船体时，光电探测装置通过船载无线通讯设备将探测不到光信号的传感光纤编号实时发送到无线接收显控终端；无线接收显控终端利用传感光纤与船体甲板的物理对应关系以及接收的传感光纤编号，解析出船体的撞击位置及毁伤状态；
光纤水听器测量分系统包括光纤水听器、光路调制装置、电路解调装置和环形器，多个光纤水听器安装于船体底部，形成光纤水听器阵列，光路调制装置通过环形器向每个光纤水听器发射光信号，电路解调装置通过环形器实时采集每个光纤水听器返回的光信号，将其转化为电信号，并检测电信号中是否加载有水声信号，如果有，则记录当前时间作为对应光纤水听器接收水声信号的响应时间，通过船载无线通讯设备将每个光纤水听器接收水声信号的时间发送给无线接收显控终端；无线接收显控终端利用各个光纤水听器接收水声信号的响应时间，结合水听器阵列的布设坐标信息，利用短基线定位算法解析出试验弹入水位置，获得试验弹未击中靶船时的脱靶量信息。
所述光路调制装置包括窄线宽激光器、第一耦合器、第二耦合器、第一声光调制器、第一声光调制器、光纤延迟线和掺铒光纤放大器；
窄线宽激光器产生的光信号经第一耦合器分为两束光信号，其中一束光信号经第一声光调制器调制成频率为f0+f1的脉冲光，另一束光信号经第二声光调制器调制成频率为f0+f2的脉冲光，频率为f0+f1的脉冲光经光纤延迟线进行相位延迟后与频率为f0+f2的脉冲光和束，和束后的光信号经第二耦合器耦合后进入掺铒光纤放大器进行信号放大，放大后的光信号通过环形器入射到每个光纤水听器中；所述f0表示窄线宽激光器输出光信号的基频，f1表示第一声光调制器的调制频率，f2表示第二声光调制器的调制频率。
所述光纤传感器网格中经度方向或纬度方向任意两根相邻传感光纤的间距d与撞击毁伤位置探测精度δ的关系满足
光纤网格测量分系统所用光源为激光光源或发光二极管光源，所述光纤分路器为PLC或多级耦合器。
所述的光纤传感器网格中的传感光纤为单模光纤或多模光纤。
所述光电探测装置包括PIN二极管或APD二极管、放大器和比较器；PIN二极管或APD二极管用于实时探测每根传感光纤中的光信号并将其转换成电信号输出给放大器，放大器对电信号放大后输出给比较器，比较器将放大后的电信号与事先设定好的电压阈值进行比较，当某根传感光纤放大后的电信号小于事先设定好的电压阈值时，认为该传感光纤断裂，比较器通过船载无线通讯设备将该断裂传感光纤的编号发送给无线接收显控终端。
所述光纤水听器为迈克尔逊干涉型光纤水听器。
所述光纤水听器阵列采用短基线阵列方式布设，包括三个子阵，分布在船体前部、中部和后部三个区域。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明光纤传感器网格由多根传感光纤按经纬交错方式布设在船体甲板表面，通过光电探测装置检测传感光纤的通断状态信息，实现试验弹击中船体时的撞击位置测量，不需要进行图像处理或弹道推算，处理速度快，实时性强；同时光纤传感器网格中的任意两个交错方向的传感光纤在传感区域内有且只有一个交点，经度方向或纬度方向任意两根相邻传感光纤的间距d与撞击毁伤位置探测精度δ的关系满足能够有效保证测量精度。
(2)本发明通过光纤水听器采集试验弹落水的水声信号，根据光纤水听器接收水声信号的响应时间以及水听器阵列的布设坐标信息实现试验弹未击中靶船时的脱靶量信息检测，不需要进行图像处理或弹道推算，处理速度快，实时性强。且将光纤水听器布置成光纤水听器阵列，对水声信号的检测更精确，从而有效保证测量精度。
(3)本发明将光纤水听器阵列采用短基线阵列方式布设，分为三个子阵，分布在船体前部、中部和后部三个区域，从而能够全方位采集试验弹落水时的水声信号，进一步保证测量精度。
(4)本发明光电探测装置通过PIN二极管或APD二极管实时探测每根传感光纤中的光信号，通过放大器和比较器检测传感光纤通断状态信息，与传统地检测光纤的物理效应如相移、频移技术相比更易实现，且可靠性更高。
(5)本发明传感光纤为单模光纤或多模光纤，抗电磁干扰能力强，在撞击时的强电磁干扰下仍然能可靠地工作；同时，单模光纤或多模光纤还具有环境适应性好、可靠性高的优点，满足在复杂天气、海况条件下的应用要求。因此，光纤网格测量分系统不受天气影响，从而保证了系统的环境适应性和系统可靠性。
(6)本发明光纤水听器采用迈克尔逊干涉型光纤水听器实现，迈克尔逊干涉型光纤水听器以光纤作为传感介质，与传统压电型水听器相比，具有体积小、重量轻的优点，易于组成大规模阵列，同时迈克尔逊干涉型光纤水听器灵敏度高、水下无电、抗电磁干扰、耐恶劣环境，因此，光纤水听器测量分系统不受环境影响，从而保证了系统的环境适应性和系统可靠性。
(7)本发明将光纤传感器网格与光纤水听器阵列结合使用，解决了试验弹击中船体时的撞击位置测量以及试验弹脱靶时的脱靶量测量双重问题，不需要雷达探测，探测范围宽且成本低。同时，利用短基线方式实现水听器阵列布设，通过下放装置与船体固连，可在船行驶时收起，在到达既定试验海域将光纤水听器下放，当试验弹未击中靶船时，系统可重复使用；当试验弹击中靶船时，可对损坏的光纤传感器网格和光纤水听器进行维修更换，具有可重复使用性，进一步降低了成本。
附图说明
图1是本发明光纤水声撞击部位及脱靶量测量系统图；
图2是本发明中光纤网格测量分系统示意图；
图3是本发明中光电探测装置示意图；
图4是本发明中撞击位置示意图；
图5是本发明中光纤水听器测量分系统示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
如图1所示，本发明包括光纤网格测量分系统1、光纤水听器测量分系统2、无线接收显控终端3和船载无线通讯设备4。
图2显示了光纤网格测量分系统1包括光源101、光纤分路器102、第一光纤连接器1031、第二光纤连接器1032、光纤传感器网格104以及光电探测装置105。光纤传感器网格104由N根传感光纤(单模光纤或多模光纤)通过经纬交错方式布设在船体甲板表面。每根光纤事先编号，便于后续信号处理。光源101为激光光源或发光二极管光源，所述光纤分路器102为PLC或多级耦合器。光源101发出的光信号经光纤分路器102分成N路，每一路通过第一光纤连接器1031入射到光纤传感器网格104的一根传感光纤中；每一根传感光纤中的光信号通过第二光纤连接器1032入射到光电探测装置105中，光电探测装置105实时探测每根传感光纤中的光信号，当试验弹击中船体时，位于击中区域内的传感光纤断裂，光电探测装置105将探测不到光信号的传感光纤编号实时发送到无线接收显控终端3。无线接收显控终端3利用传感光纤与船体甲板的物理对应关系以及接收的传感光纤编号，解析出船体的撞击位置5及毁伤状态。
传感光纤在船体甲板表面的固定方式为：首先，在靶船甲板铺设过程中，按经纬交错方式在甲板上预留光纤固定沟槽，然后将传感光纤敷设于沟槽内，沟槽间距设为0.8m(可根据测量精度要求进行更改)，沟槽中每隔1m设置一个捆扎点对光纤进行固定。
光电探测装置105包括PIN二极管或APD二极管106、放大器107和比较器108，如图3所示。PIN二极管或APD二极管106探测某路传感光纤输出端光信号并转换成电信号，经放大器107放大后，由比较器108将放大后的电信号与事先设定好的电压阈值进行比较，以判断该路传感光纤是否被撞断。当某根传感光纤放大后的电信号小于事先设定好的电压阈值时，认为探测不到该传感光纤的光信号，即该传感光纤断裂，比较器108通过船载无线通讯设备4将该断裂传感光纤的编号发送给无线接收显控终端3。
图4显示了船体遭到撞击时的撞击示意图，其中5为撞击位置、6为经纬方向光纤交点。
光电探测装置105将探测不到光信号的传感光纤编号实时发送到无线接收显控终端3，无线接收显控终端3利用传感光纤与船体甲板的物理对应关系以及接收的传感光纤编号解析出船体的撞击位置5及毁伤状态。当试验弹击中船体时，船体甲板受到破坏性撞击，位于毁伤区域内紧邻最早撞击点的传感光纤最先断裂，光电探测装置105探测到撞断的传感光纤的光信号从有到无，判定该路传感光纤被撞断。将该路传感光纤编号(断裂传感光纤的编号)经光电探测装置105采集后由船载无线通讯设备4发送到无线接收显控终端3中，当无线接收显控终端3获得不少于两个交错方向的传感光纤编号时，结合光纤传感器网格104的经纬交错规则以及与船体甲板表面的对应关系，即可确定最先撞击位置5。
随着撞击过程的进行，毁伤区域会由最初的撞击位置5向外扩散，并最终达到稳定状态，形成最终毁伤区域。光电探测装置105通过采集、记录传感光纤的断裂顺序及数目，可动态反演出撞击毁伤区域的形成过程；当撞击毁伤达到稳定状态后，通过解析获得的所有传感光纤毁伤数据可获得撞击位置5及最终毁伤效果。
显然，真实撞击位置5与毁伤探测系统获得的测量位置6存在误差，当真实撞击位置5越靠近传感光纤的交点6时，误差越小；当真实撞击位置5落在传感光纤构成的最小正方形区域中心时，探测误差最大，探测误差满足撞击部位精度要求。可通过调整传感光纤间距来满足撞击位置精度及毁伤效果细化程度的要求，如任意两根相邻经线或纬线方向的传感光纤间距为d，当要求撞击精度为δ时，取即可满足要求。
图5为光纤水听器测量分系统示意图，包括光纤水听器201、光路调制装置202、电路解调装置203和环形器209。光路调制装置202，包括光纤水听器测量分系统2所用光源窄线宽激光器204、第一耦合器2051、第二耦合器2052、第一声光调制器2061、第二声光调制器2062、光纤延迟线207和掺铒光纤放大器208。
光纤水听器201为迈克尔逊干涉型光纤水听器，能够重复利用，多个光纤水听器201在水下的固定方式为：多个光纤水听器201和传输光缆组成的光纤水听器阵列，光纤水听器阵列通过短基线阵列方式布设，每个光纤水听器201通过船体上的下放装置与船体相连并完成放置任务，光纤水听器阵列包括三个子阵，分别按一定间距布设于船体前部、中部、后部三个区域，布设间距大于等于10m，水听器探头入水深度为5m。布设个数及布设位置依据船体尺寸及定位精度确定，整体布设原则为精度衰减因子(GDOP)越小越好。
窄线宽激光器204产生的光信号经第一耦合器2051分为两束光信号，其中一束光信号经第一声光调制器2061调制成频率为f0+f1的脉冲光，另一束光信号经第二声光调制器2062调制成频率为f0+f2的脉冲光；其中f0表示窄线宽激光器204输出光信号的基频，f1表示第一声光调制器2061的调制频率，f2表示第二声光调制器2062的调制频率；频率为f0+f1的脉冲光经光纤延迟线207进行相位延迟后与频率为f0+f2的脉冲光和束，和束后的光信号经第二耦合器2052耦合后进入掺铒光纤放大器208进行信号放大，放大后的光信号通过环形器209入射到水听器阵列中；电路解调装置203通过环形器209实时采集光纤水听器返回的光信号，并将该光信号转化为电信号，检测电信号中是否加载有水声信号，如果有，则记录当前时间作为对应光纤水听器接收水声信号的响应时间，并通过船载无线通讯设备4将每个光纤水听器接收水声信号的响应时间发送给无线接收显控终端3。无线接收显控终端3利用各个光纤水听器接收水声信号的时间，结合水听器阵列的布设坐标信息，利用短基线定位算法解析出试验弹入水位置，获得试验弹未击中靶船时的脱靶量信息。
光纤水听器测量分系统2对试验弹脱靶量的测量误差主要受水听器位置坐标误差及水听器阵列布设方式的影响，通过合理设计水听器布设位置，可以有效降低水听器阵列的精度衰减因子(GDOP)，提高系统测量精度。
无线接收显控终端3涉及的软件处理系统为VC++语言开发软件系统，并且可与Matlab，Labview，VC，VB等计算机语言程序系统兼容开发。该处理系统可实时测量靶船撞击位置及试验弹脱靶时的脱靶量信息，并实时在线显示靶船撞击毁伤动态过程与最终撞击效果情况。通过对最早撞击点位置和脱靶时的脱靶量进行诊断分析，为试验弹打击精度及打击效果评估提供参考。
最后，本发明的光纤水声撞击部位及脱靶量测量系统经仿真试验和初步应用，结果表明系统探测响应速度达ms量级，具有很好的实时性和可靠性。
本发明的光纤水声脱靶量系统在试验弹击中靶船时，能够实时响应撞击位置信息，解决试验弹击中靶船时的撞击位置及毁伤探测问题，为新型制导武器的打击精度及杀伤效果提供可靠的数据支撑。在试验弹未击中靶船时，能够实时探测试验弹脱靶时的落水信息，解决试验弹脱靶时的脱靶量测量问题。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域技术人员的公知技术。

Claims (8)

1.光纤水声撞击部位及脱靶量测量系统，其特征在于：包括光纤网格测量分系统(1)、光纤水听器测量分系统(2)、无线接收显控终端(3)以及船载无线通讯设备(4)；
光纤网格测量分系统(1)包括光源(101)、光纤分路器(102)、第一光纤连接器(1031)、第二光纤连接器(1032)、光纤传感器网格(104)以及光电探测装置(105)；光纤传感器网格(104)位于船体甲板表面，由N根事先编号的传感光纤按经纬交错方式布置；光源(101)发出的光信号经光纤分路器(102)分成N路，每一路通过第一光纤连接器(1031)入射到光纤传感器网格(104)的一根传感光纤中；每根传感光纤中的光信号通过第二光纤连接器(1032)入射到光电探测装置(105)中，光电探测装置(105)实时探测每根传感光纤中的光信号，当试验弹击中船体时，光电探测装置(105)通过船载无线通讯设备(4)将探测不到光信号的传感光纤编号实时发送到无线接收显控终端(3)；无线接收显控终端(3)利用传感光纤与船体甲板的物理对应关系以及接收的传感光纤编号，解析出船体的撞击位置(5)及毁伤状态；
光纤水听器测量分系统(2)包括光纤水听器(201)、光路调制装置(202)、电路解调装置(203)和环形器(209)，多个光纤水听器(201)安装于船体底部，形成光纤水听器阵列，光路调制装置(202)通过环形器(209)向每个光纤水听器发射光信号，电路解调装置(203)通过环形器(209)实时采集每个光纤水听器返回的光信号，将其转化为电信号，并检测电信号中是否加载有水声信号，如果有，则记录当前时间作为对应光纤水听器(201)接收水声信号的响应时间，通过船载无线通讯设备(4)将每个光纤水听器(201)接收水声信号的时间发送给无线接收显控终端(3)；无线接收显控终端(3)利用各个光纤水听器(201)接收水声信号的响应时间，结合水听器阵列的布设坐标信息，利用短基线定位算法解析出试验弹入水位置，获得试验弹未击中靶船时的脱靶量信息。
2.根据权利要求1所述的光纤水声撞击部位及脱靶量测量系统，其特征在于：所述光路调制装置(202)包括窄线宽激光器(204)、第一耦合器(2051)、第二耦合器(2052)、第一声光调制器(2061)、第一声光调制器(2062)、光纤延迟线(207)和掺铒光纤放大器(208)；
窄线宽激光器(204)产生的光信号经第一耦合器(2051)分为两束光信号，其中一束光信号经第一声光调制器(2061)调制成频率为f0+f1的脉冲光，另一束光信号经第二声光调制器(2062)调制成频率为f0+f2的脉冲光，频率为f0+f1的脉冲光经光纤延迟线(207)进行相位延迟后与频率为f0+f2的脉冲光和束，和束后的光信号经第二耦合器(2052)耦合后进入掺铒光纤放大器(208)进行信号放大，放大后的光信号通过环形器(209)入射到每个光纤水听器中；所述f0表示窄线宽激光器(204)输出光信号的基频，f1表示第一声光调制器(2061)的调制频率，f2表示第二声光调制器(2062)的调制频率。
3.根据权利要求1所述的光纤水声撞击部位及脱靶量测量系统，其特征在于：所述光纤传感器网格(104)中经度方向或纬度方向任意两根相邻传感光纤的间距d与撞击毁伤位置探测精度δ的关系满足
4.按照权利要求1所述的光纤水声撞击部位及脱靶量测量系统，其特征在于：光纤网格测量分系统(1)所用光源(101)为激光光源或发光二极管光源，所述光纤分路器(102)为PLC或多级耦合器。
5.按照权利要求1所述的光纤水声撞击部位及脱靶量测量系统，其特征在于：所述的光纤传感器网格(104)中的传感光纤为单模光纤或多模光纤。
6.按照权利要求1所述的光纤水声撞击部位及脱靶量测量系统，其特征在于：所述光电探测装置(105)包括PIN二极管或APD二极管(106)、放大器(107)和比较器(108)；PIN二极管或APD二极管(106)用于实时探测每根传感光纤中的光信号并将其转换成电信号输出给放大器(107)，放大器(107)对电信号放大后输出给比较器(108)，比较器(108)将放大后的电信号与事先设定好的电压阈值进行比较，当某根传感光纤放大后的电信号小于事先设定好的电压阈值时，认为该传感光纤断裂，比较器(108)通过船载无线通讯设备(4)将该断裂传感光纤的编号发送给无线接收显控终端(3)。
7.按照权利要求1所述的光纤水声撞击部位及脱靶量测量系统，其特征在于：所述光纤水听器(201)为迈克尔逊干涉型光纤水听器。
8.根据权利要求1所述的光纤水声撞击部位及脱靶量测量系统，其特征在于：所述光纤水听器阵列采用短基线阵列方式布设，包括三个子阵，分布在船体前部、中部和后部三个区域。
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