CN106019228B

CN106019228B - 一种利用光纤探测声源位置的系统

Info

Publication number: CN106019228B
Application number: CN201610520140.0A
Authority: CN
Inventors: 吴红艳; 王翦; 贾波
Original assignee: Fudan University
Current assignee: Fudan University
Priority date: 2016-07-05
Filing date: 2016-07-05
Publication date: 2020-05-12
Anticipated expiration: 2036-07-05
Also published as: CN106019228A

Abstract

本发明属于光纤传感及信号处理技术领域，具体为一种利用光纤探测声源位置的系统。本发明系统包括：宽光谱光源、光纤干涉系统、传感光纤、光电检测、数据采集卡和信号处理平台；传感光纤利用全光纤传感探头构成光纤声传感器阵列，利用波分复用实现多路光信号的同时采集；光源发出的光输入光纤干涉系统，施加于传感光纤上的信号经过干涉系统进行干涉，经光电检测器检测后采集进计算机，信号处理平台对接收到的声信号进行处理，得到声源位置信息，显示声源位置坐标。光纤声传感器阵列由基于Sagnac环的干涉光路构成，或者由基于反馈式的干涉光路构成。本发明确定声源位置,具有探测声音频带宽,抗电磁干扰，耐腐蚀等特点,可用于探测低空飞行物及水下潜艇等。

Description

一种利用光纤探测声源位置的系统

技术领域

本发明属于光纤传感及信号处理技术领域，具体涉及一种利用光纤探测声源位置的系统。

背景技术

近年来，雷达面临着电子干扰、反辐射导弹、低空突防和隐身技术等威胁。武装直升机和精确制导巡航导弹等低空飞行目标能够在150m以下高度的雷达盲区活动，地面常规雷达探测低空目标有其固有的弱点，使雷达控制的防空系统很难有效地发挥作用，对要点防御系统构成了严重威胁。2011年5月2号美国利用超低空飞行的4架隐身武装直升机深入巴基斯坦内部击毙本-拉登事件,足以证明超低空突防的有效性。面对超低空飞行武器的威胁，声阵列无源定位技术再度引起人们的广泛重视，并不断取得新的进展。声测定位技术具有通视条件好、不受烟雾阻挡、隐蔽性强的特点，特别是对于超近距离的雷达盲区，可以弥补雷达探测的不足，因此在军事领域得到了广泛的应用，有很好的发展潜力。基于光纤声传感器构成的阵列即是一个能有效实现声阵列无源定位的方式。另外，我国有漫长的海岸线、众多的港口、辽阔的海疆，而且经济发达地区集中在沿海,因此大力发展反潜战系统，对于防止敌人潜艇水下入侵和潜艇导弹的突袭，保卫神圣的海疆和社会主义建设具有重要的战略意义。

本发明基于波分复用的光纤干涉系统，利用光纤环作为声音探测器，完成对声源的定位。由于光纤耐腐蚀、抗电磁干扰的特性及探测频带宽等独特优势，利用本发明构造的声源位置探测系统性能将优于传统麦克风阵列。

发明内容

本发明的目的在于提供一种简单有效的探测声源位置的系统。

本发明提供的探测声源位置的系统，利用光纤技术，其结构示意图如图1所示，具体包括：宽光谱光源、光纤干涉系统、传感光纤、光电检测、数据采集卡和信号处理平台。其中，传感光纤用于声信号的采集，该传感光纤利用全光纤传感探头构成光纤声传感器阵列，利用波分复用实现多路光信号的同时采集；工作时，光源发出的光输入光纤干涉系统，使得施加于传感光纤上的信号经过干涉系统进行干涉，经光电检测器检测后采集进计算机，经计算机中信号处理平台对多路接收到的声信号进行处理，得到声源位置信息，在显示声源位置坐标。

本发明提出的光纤声传感器阵列，是基于波分复用的，其结构如图2和图3所示。

图2为基于Sagnac环的干涉光路构成的光纤声传感器阵列，它包括：宽光谱光源1，3X3光纤耦合器2(其有四个端口3、4、11、12)，延迟光纤线圈5，作为探头的传感光纤(传感光纤采用双对称绕法在聚四氟乙烯空心圆柱上绕制成的光纤线圈)阵列8、9、10、……，三个波分复用器件6、7、13，多路同步光电探测器14和信号处理终端15。其中，光纤耦合器2的端口11输入端口，接收宽光谱光源1发出的光；端口12为输出端口，依次与波分复用器件13、多路同步光电探测器14和信号处理终端15连接；光纤耦合器2的端口3连接延迟光纤线圈5，延迟光纤线圈5连接波分复用器件6；光纤耦合器2的端口4连接波分复用器件7；波分复用器件6与波分复用器件7之间并联传感光纤阵列，从而构成多个Sagnac环路。

采用Sagnac环路的光纤声传感器阵列的光路特征是：宽光谱光源1发出的光由光纤耦合器2的端口11进入3X3光纤耦合器2，经过该光纤耦合器2被分为两束光，分别经过端口3、4，在Sagnac环中沿顺时针方向和逆时针方向进行传输；经过波分复用器件6、7，由于波分复用器件6、7的存在，这两束光都会按照波长分成多路，分别进入多个传感光纤8、9、10等，在每个传感光纤线圈中传输的光的波长都互不相同，即每个Sagnac环回路中传输的光的波长不同；当有声信号作用在某传感光纤线圈(如传感光纤线圈8)上时，在其中传输的光会受到相位调制，且相位调制幅度与施加的声压信号成正比。由于延时光纤线圈5的存在，沿顺时针方向和逆时针方向传输的两束光到达传某感光纤线圈(如传感光纤线圈8)的时间不同，即受到相位调制的时间不同。所以当这两束光回到光纤耦合器2时，具有一定的相位差，从而在其中发生干涉。其他每个Sagnac环回路中传输的光都经过了相似的过程发生干涉，所以在光纤耦合器2的输出端12会得到各个波长的干涉光信号。干涉光信号经过波分复用器件13后按照相应的波长分成多路，各路干涉光信号分别被多路同步光电探测器14接收，然后输入到信号处理终端15，对多路干涉信号进行分析计算，获得声源的位置信息。

图3为基于反馈式的干涉光路构成的光纤声传感器阵列，它包括宽光谱光源16，3X3光纤耦合器17(其有四个端口18、19、31、32)，2X2光纤耦合器23(其有三个端口21、22、24)，延迟光纤线圈20，作为探头的传感光纤阵列26、27、28、……，反射镜30，三个波分复用器件25、29、33，多路同步光电探测器34和信号处理终端35；其中，3X3光纤耦合器17的端口31为输入端口，接收宽光谱光源16发出的光；端口32为输出端口，依次连接波分复用器件33、多路同步光电探测器34和信号处理终端35；3X3光纤耦合器17的端口18连接延迟光纤线圈20，延迟光纤线圈20连接2X2光纤耦合器23的端口21，3X3光纤耦合器17的端口19连接2X2光纤耦合器23的端口22；2X2光纤耦合器23的端口24连接波分复用器件25；波分复用器件25与波分复用器件29之间并联传感光纤阵列26、27、28、……；波分复用器件29与反射镜30连接。

采用反馈式结构的光纤声传感器阵列的光路特征是：宽光谱光源16由端口31进入3X3光纤耦合器17，经过分光，光纤耦合器17的端口18的分光经过延时光纤20进入2X2光纤耦合器23，端口18的分光直接进入光纤耦合器23；光从光纤耦合器23的端口24出来后通过波分复用器件25分成多路，分别进入传感光纤阵列26、27、28、……，感应外界声信号，然后经过波分复用器件29合成一束，之后经过反射镜30，从反射镜反射回的光依次经过波分复用器件29，光纤传感阵列26、27、28、……，波分复用器件25，然后通过端口24进入2X2光纤耦合器23，之后通过端口22和端口19进入3X3光纤耦合器17，形成顺时针方向的相干光；另一路相干经过3X3光纤耦合器17后，从端口19和端口22进入2X2光纤耦合器23，再由端口24通过波分复用器件25，光纤传感阵列26、27、28、……，波分复用器件29，经反射镜30后再回到光纤耦合器23，然后通过端口21、延时光纤20、端口18进入光纤耦合器17，形成逆时针方向的相干光；两束相干光在光纤耦合器17中发生干涉，将携带有声音信号引起的相位变化的干涉光信号由端口32输出，输出的干涉光信号经过波分复用器件33后按照相应的波长分成多路，各路干涉光信号分别被光电探测器34接收，然后输入到信号处理终端35，对多路干涉信号进行分析计算，获得声源的位置信息。

当光纤传感阵列周围有声源时，各个光纤声传感探头接收到的声音信号之间会有一定时间差，根据声音信号的到达时间差(TDOA)可以对声源进行定位。选择一路信号作为参考信号，通过互相关函数来计算每路信号与参考信号的时间延迟。在计算互相关函数之前还可以加入归一化和滤波的处理，从而使互相关估计得到的时延值更准确。另外，在信号处理中也可以采用波束形成技术(如自适应滤波等)以及高分辨率谱估计技术(如MUSIC算法)来实现阵列定位。如果是对多声源定位的情况，可以通过特征子空间类算法来得到声源数目的信息。

本发明中，图2和图3中左边虚线框内可以做成一个模块，右边虚线框内的光纤传感探头阵列可以做在一个支架上，便于自由布设。本发明中利用多路信号的到达时间差来进行定位，可以不用解调干涉光信号，系统相对简单。此外，还可以通过选择不同的接收信号作为参考信号进行多次计算，增加定位结果的可靠性。本发明中的光纤传感探头具有耐腐蚀、抗电磁干扰的特性及探测频带宽等独特优势，而且不易被探测，对声信号进行被动接收，可以应用于一些特殊场合。

附图说明

图1是利用光纤探测声源位置的系统结构框图。

图2是基于Sagnac环的光纤声传感器阵列结构示意图。

图3是基于反馈式的光纤声传感器阵列结构示意图。

图4是本发明具体实施方式的传感探头排列结构示意图。

图5是本发明具体实施方式中采集到的8路声音信号片段。

图6是本发明具体实施方式中8路信号经过归一化和滤波处理后的信号片段。

图7是本发明具体实施方式中对声源位置的定位结果。

具体实施方式

在本实施例中，利用光纤探测声源位置的系统基本结构如图1所示，具体包括光源、光纤干涉系统、光纤传感探头、光电探测器、数据采集卡、信号处理平台。所用的光源为电子集团总公司44研究所生产的SO3-B型超辐射发光管(SLD)型宽光谱稳定光源，工作中心波长为1550nm。光纤干涉系统中所用的光纤耦合器为武汉邮电研究院生产的单模光纤耦合器。光电探测器为44所生产的型号为GT322C500的InGaAs光电探测器。所用的光纤为美国康宁公司生产的G652型单模光纤。光源与干涉系统、干涉系统与探测器的连接方式是FC/PC跳线连接。数据采集卡为美国National Instruments公司的型号为9234的采集卡。信号处理平台用LabVIEW语言搭建。

本实施方式采用图2所示光路结构，采用8路波分复用系统，8个光纤传感探头摆成如图4所示的圆形阵列。本实施方式中采用基于到达时间差的方法对单一声源进行定位，采用互相关函数法对接收到的8路信号之间的时间差进行估计。通过递推相减的方法将求解声源位置的方程组化成非齐次线性方程组，然后由此解得声源的位置。具体计算过程如下：

光纤声传感器接收到的声信号模型描述如下：

x_i(t)＝α_is(t-τ_ij)+n_i(t) (1)

其中，s(t)表示声源信号，α_i是声波传播的衰减因子(在后面的计算中，我们假设α_i＝1)，τ_ij为各传感探头之间的时延，n_i(t)为噪声。两麦克风的接收信号x_i(t)和x_j(t)的互相关函数为：

其中，E表示卷积。将(1)代入(2)式，并进行展开可得：

在噪声较低的情况下，(3)式中的后三项可以忽略，即：

由(4)式可得，当x_i(t)和x_j(t)的互相关函数取最大值时，R_ss(T-τ_ij)也取最大值，又因为R_ss(T-τ_ij)≤R_ss(0)，所以当R_ss(T-τ_ij)取最大值时有T＝τ_ij，互相关函数的最大值对应的T即为两路信号的时延τ。因此，根据互相关函数的峰值即可以得出两麦克风接收信号之间的时延。

将第i个声传感探头所处的空间位置的坐标表示为(x_i,y_i,z_i)，声源位置的坐标为(x,y,z)，声速为c，声音从声源传播至第i个声传感探头的时间为t_i。选择第1路信号作为参考信号，对第i路信号，有：

其中，

r为传感探头阵列的中心圆半径，n为麦克风个数。τ_i为第i路信号与第1路信号之间的时延值，由互相关估计所得，当i＝1时，τ₁＝0。

则对第i路和第i+1路信号，有：

将(6)中的两式相减可得：

对i＝1,2,…,7，分别进行上述操作，可得到7个形如(7)式的式子，将其化成矩阵形式为：

通过求解非齐次线性方程组即可得到x、y和t₁的值，再根据

可以求出z的值，由此即得到了声源位置的坐标(x,y,z)。这种计算方法中可以通过改变程序中的参数x_i、y_i、z_i，对阵列中不同的麦克风数量及分布角度的情形很方便地进行扩展。需要注意的是，当τ_i+1-τ_i＝0(i＝1,2,…,7)时，由(8)式无法解得t₁的值。此时声源位于麦克风阵列圆环的中轴线上(即x＝y＝0)，可以通过改变阵形或者采用其他方法重新计算得出声源位置的z坐标的值。

在上述计算过程中，选择第1路接收信号作为参考信号，同理可以选择其他路信号作为参考信号，可以求出8次估计声源的位置，对这些结果取平均，可以得到多次判断平均的声源位置结果。

本实施方式中，采集到的采集到的8路声音信号图像片段如图5所示。图6是本发明具体实施方式中采集到的8路信号经过归一化和滤波处理后的图像片段。本实施方式中，在空间一位置发出了一个声音信号，其定位结果如图7所示。图中A1,A2,…,A8分别为8个光纤传感探头在空间坐标轴中的位置。在阵列上方圆环中轴线附近给定一声源，由之前所述算法计算得到目标声源的坐标值为(0.6,1.7,9.8)，单位为cm，与实际声源位置相符。由此可知，本发明系统可以测得声源的位置信息，具有实用性。

Claims

1.一种利用光纤探测声源位置的系统，其特征在于，具体包括：宽光谱光源、光纤干涉系统、传感光纤、光电检测、数据采集卡和信号处理平台；其中，传感光纤用于声信号的采集，该传感光纤利用全光纤传感探头构成光纤声传感器阵列，利用波分复用实现多路光信号的同时采集；工作时，光源发出的光输入光纤干涉系统，使得施加于传感光纤上的信号经过干涉系统进行干涉，经光电检测器检测后采集进计算机，经计算机中信号处理平台对多路接收到的声信号进行处理，得到声源位置信息，在显示声源位置坐标；其中：

所述的光纤声传感器阵列，是基于波分复用的，具体分为两种情形：

（一）由基于Sagnac环的干涉光路构成，它包括：宽光谱光源（1），3X3光纤耦合器（2），其有四个端口（3、4、11、12），延迟光纤线圈（5），作为探头的传感光纤阵列（8、9、10、……），三个波分复用器件（6、7、13），多路同步光电探测器（14）和信号处理终端（15）；其中，3X3光纤耦合器（2）的第一端口（11）为输入端口，接收宽光谱光源（1）发出的光，其第二端口（12）为输出端口，依次与第三波分复用器件（13）、多路同步光电探测器（14）和信号处理终端（15）连接；3X3光纤耦合器（2）的第三端口（3）连接延迟光纤线圈（5），延迟光纤线圈（5）连接第一波分复用器件（6）；3X3光纤耦合器2的第四端口（4）连接第二波分复用器件（7）；第一波分复用器件（6）与第二波分复用器件（7）之间并联传感光纤阵列（8、9、10、……），从而构成多个Sagnac环路；

采用Sagnac环路的光纤声传感器阵列的光路是：宽光谱光源（1）发出的光由3X3光纤耦合器（2）的第一端口（11）进入3X3光纤耦合器（2），经过该3X3光纤耦合器（2）被分为两束光，分别经过其第三端口（3）、第四端口（4），在Sagnac环中沿顺时针方向和逆时针方向进行传输；经过第一波分复用器件（6）、第二波分复用器件（7），由于第一波分复用器件（6）、第二波分复用器件（7）的存在，这两束光都会按照波长分成多路，分别进入传感光纤阵列（8、9、10、……），在每个传感光纤线圈中传输的光的波长都互不相同，即每个Sagnac环回路中传输的光的波长不同；当有声信号作用在某传感光纤线圈上时，在其中传输的光会受到相位调制，且相位调制幅度与施加的声压信号成正比；由于延时光纤线圈（5）的存在，沿顺时针方向和逆时针方向传输的两束光到达传某感光纤线圈的时间不同，即受到相位调制的时间不同；当这两束光回到3X3光纤耦合器（2）时，具有一定的相位差，从而在其中发生干涉；其他每个Sagnac环回路中传输的光都经过相似的过程发生干涉；在3X3光纤耦合器（2）的输出端口（12）得到各个波长的干涉光信号；干涉光信号经过第三波分复用器件（13）后按照相应的波长分成多路，各路干涉光信号分别被多路同步光电探测器（14）接收，然后输入到信号处理终端（15），对多路干涉信号进行分析计算，获得声源的位置信息；

（二）由基于反馈式的干涉光路构成，它包括宽光谱光源（16），3X3光纤耦合器（17），其有四个端口（18、19、31、32），2X2光纤耦合器（23），其有三个端口（21、22、24），延迟光纤线圈（20），作为探头的传感光纤阵列（26、27、28、……），反射镜（30），三个波分复用器件（25、29、33），多路同步光电探测器（34）和信号处理终端（35）；其中，3X3光纤耦合器（17）的第一端口（31）为输入端口，接收宽光谱光源（16）发出的光，第二端口（32）为输出端口，其依次连接第三波分复用器件（33）、多路同步光电探测器（34）和信号处理终端（35）；3X3光纤耦合器（17）的第三端口（18）连接延迟光纤线圈（20），延迟光纤线圈（20）连接2X2光纤耦合器（23）的第一端口（21），3X3光纤耦合器（17）的第四端口（19）连接2X2光纤耦合器（23）的第二端口（22）；2X2光纤耦合器（23）的第三端口（24）连接第一波分复用器件（25）；第一波分复用器件（25）与第二波分复用器件（29）之间并联传感光纤阵列（26、27、28、……）；第二波分复用器件（29）与反射镜（30）连接；

采用反馈式结构的光纤声传感器阵列的光路是：宽光谱光源（16）由3X3光纤耦合器（17）的第一端口（31）进入3X3光纤耦合器（17），经过分光，3X3光纤耦合器（17）的第三端口（18）的分光经过延时光纤（20）进入2X2光纤耦合器（23），3X3光纤耦合器（17）的第四端口（19）的分光经过2X2光纤耦合器（23）的第二端口（22）直接进入2X2光纤耦合器（23）；光从2X2光纤耦合器（23）的第三端口（24）出来后通过第一波分复用器件（25）分成多路，分别进入传感光纤阵列（26、27、28、……），感应外界声信号，然后经过第二波分复用器件（29）合成一束，之后经过反射镜（30），从反射镜反射回的光依次经过第二波分复用器件（29），光纤传感阵列（26、27、28、……），第一波分复用器件（25），然后通过2X2光纤耦合器（23）的第三端口（24）进入2X2光纤耦合器（23），之后通过2X2光纤耦合器（23）的第二端口（22）和3X3光纤耦合器（17）的第四端口（19）进入3X3光纤耦合器（17），形成顺时针方向的相干光；另一路相干经过3X3光纤耦合器（17）后，从3X3光纤耦合器（17）的第四端口（19）和2X2光纤耦合器（23）的第二端口（22）进入2X2光纤耦合器（23），再由2X2光纤耦合器（23）的第三端口（24）通过第一波分复用器件（25），光纤传感阵列（26、27、28、……），第二波分复用器件（29），经反射镜（30）后再回到2X2光纤耦合器（23），然后通过2X2光纤耦合器（23）的第一端口（21）、延时光纤（20）、3X3光纤耦合器（17）的第三端口（18）进入3X3光纤耦合器（17），形成逆时针方向的相干光；两束相干光在3X3光纤耦合器（17）中发生干涉，将携带有声音信号引起的相位变化的干涉光信号由3X3光纤耦合器（17）的第二端口（32）输出，输出的干涉光信号经过第三波分复用器件（33）后按照相应的波长分成多路，各路干涉光信号分别被光电探测器（34）接收，然后输入到信号处理终端（35），对多路干涉信号进行分析计算，获得声源的位置信息。

2.根据权利要求1所述的利用光纤探测声源位置的系统，其特征在于，当光纤传感阵列周围有声源时，各个光纤声传感探头接收到的声音信号之间会有一定时间差，根据声音信号的到达时间差可以对声源进行定位：选择一路信号作为参考信号，通过互相关函数来计算每路信号与参考信号的时间延迟；在计算互相关函数之前加入归一化和滤波的处理，使互相关估计得到的时延值更准确。