CN108226896A - 一种基于相位生成载波的反正切算法探测水下目标的方法 - Google Patents

一种基于相位生成载波的反正切算法探测水下目标的方法 Download PDF

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Abstract

一种基于相位生成载波的反正切算法探测水下目标的方法，涉及水下目标探测领域，为了解决DCM算法对200Hz以下的低频信号解调效果不理想，水面存在较大扰动的情况下，不能准确解调出水下声源频率信息的问题。该方法基于迈克尔逊干涉系统实现，测量光受到水表面的调制并被反射，然后与参考光发生干涉，光电转化器件将干涉光信号转换为电信号；在参考光中引入高频载波，滤除电信号中的直流分量后获得探测信号，对探测信号分别进行一倍载波信号和二倍载波信号混频，得到的两路正交信号，对两路正交信号进行相除，利用反正切算法解调相位，再滤除水表面低频波动，得到水表面微幅波的频率信息，实现水下目标的探测。本发明适用于水下目标的探测。

Description

一种基于相位生成载波的反正切算法探测水下目标的方法
技术领域
本发明涉及水下目标探测领域。
背景技术
水下声源信息的探测和特征识别是国防和海洋工程领域的热点研究问题之一。尤其在军事方面，潜艇等水下声源目标的侦查一直以来是海洋防务的关键问题。为克服声呐技术和机载蓝绿激光雷达海洋探测技术的不足，学者们提出一种“激光-声”联合探测技术。该技术在空中利用激光探测，在水下用声波传递信息，发挥声光各自优势，把激光技术与声学、电子学有机结合，越来越受到国内外学者的重视。
目前这一方向的研究尚处于实验室阶段，学者们尝试不同的方法实现水下声源信息的探测，但不论是散射光斑法、激光通量法、光线分析法还是光衍射法，均是利用光电接收器件直接接收水面的反射光，在反馈信号提取上是对光强信号的直接处理。本课题组提出了基于激光干涉的水下目标空中探测方法，在反馈信号获取方式上是一种全新的尝试。利用水表面声波对探测激光束的相位调制作用探测水下声信号，从干涉信号中解调出水表面声波信息，从而实现水下目标的探测。
本课题组在这一领域进行了较大量的研究工作，并取得了一定进展，但200Hz以下的低频段信号解调一直是一个技术难点。采用频谱分析解调技术时，由于水面扰动引起的噪声信号占据较宽的低频段，淹没了需要探测的低频水下声源频率信息。采用相位生成载波(PGC)解调技术中的微分交叉相乘(DCM)算法来解调这部分信号，但微分环节对高频信号敏感，会导致高频噪声的增加；积分环节由于积分误差累计以及积分初值不固定而引起的信号跳变会导致信号失真。DCM算法对200Hz以下的低频信号解调效果不理想，水面存在较大扰动的情况下，不能准确解调出水下声源频率信息。
发明内容
本发明的目的是为了解决DCM算法对200Hz以下的低频信号解调效果不理想，水面存在较大扰动的情况下，不能准确解调出水下声源频率信息的问题，从而提供一种基于相位生成载波的反正切算法探测水下目标的方法。
本发明所述的一种基于相位生成载波的反正切算法探测水下目标的方法，该方法基于迈克尔逊干涉系统实现，测量光受到水表面的调制并被反射，然后与参考光发生干涉，光电转化器件将干涉光信号转换为电信号；
该方法为：
在参考光中引入高频载波，滤除电信号中的直流分量后获得探测信号，对探测信号分别进行一倍载波信号和二倍载波信号混频，得到的两路正交信号，对两路正交信号进行相除，利用反正切算法解调相位，再滤除水表面低频波动，得到水表面微幅波的频率信息，实现水下目标的探测。
优选的是，该方法具体为：
在参考光中引入高频载波，引入的高频载波的调制度为C、角频率为ω0、初相位为则滤除电信号中的直流分量后获得的探测信号U(t)为：
令水表面的振动引起的相位为即：
其中，A为探测信号的增益，k为波数，An、ωn、分别为水表面自然波动的振幅、角频率和初相位；As、ωs、分别为水下声源引起的水表面微幅波振幅、角频率和初相位；
对探测信号U(t)分别进行一倍载波信号和二倍载波信号混频，经过低通滤波后得到的两路正交信号U1c和U2c：
其中，J1(C)和J2(C)分别为一阶贝塞尔函数和二阶贝塞尔函数；
对两路正交信号进行相除，得到
利用反正切算法解调相位再滤除水表面低频波动，得到水表面微幅波的频率信息。
优选的是，利用反正切算法解调相位后，还对解调出的相位进行值域拓展，具体为：
步骤一、利用反正切算法解调n＝1,2,…,N，N为采样的总数据点；第n次采样得到的解调出的相位为当n等于1时保存当n大于1时执行步骤二；
步骤二、判断是否大于π/2，如果判断结果为是则执行步骤三，否则执行步骤四；
步骤三、判断是否小于如果判断结果为是则执行步骤五，否则执行步骤六；
步骤四、输出并执行步骤七；
步骤五、令并返回步骤二；
步骤六、令并返回步骤二；
步骤七、判断n是否小于N，如果判断结果为是则执行步骤八，否则结束；输出值域拓展后的作为解调相位；
步骤八、令n＝n+1，并返回步骤一。
优选的是，迈克尔逊干涉系统中的激光器(1)和分光镜(5)之间还依次设置偏振片(2)和1/4波片(3)。
本发明针对DCM算法存在的问题，利用反正切算法计算处理两路正交信号，实现PGC的解调，本发明可以有效的发挥数字信号处理的优点，避免了DCM算法中的微分积分环节存在的缺点，拓宽了对低频信号的解调范围。
附图说明
图1是反正切算法的基本原理图；
图2是反正切算法值域拓展的流程图；
图3是仿真得到的探测信号的波形，a为时域波形，b为频谱；
图4是仿真得到的混频后经过低通滤波得到的两路正交信号波形；a为U1c的波形，b为U2c的波形；
图5是仿真得到的解调结果，a为时域波形，b为频谱；
图6是实验系统的结构示意图；
图7是实验得到的探测信号的波形，a为时域波形，b为频谱；
图8是实验得到的混频后经过低通滤波得到的两路正交信号波形；a为U1c的波形，b为U2c的波形；
图9是实验得到的解调结果，a为时域波形，b为频谱。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
1、激光干涉探测水下目标的基本原理
水下声源入射到水面的声压能够激励水表面产生微幅波，该波动的频率与发声源一致，振幅极其微弱。水表面存在自然低频大幅度的波动，水下声源引起的微幅波会时常淹没在自然波动当中。本发明采取激光干涉的方法来探测水面的波动，通过后续基于相位生成载波的反正切算法解调出水下声源频率信息。
水表面有两部分振动组成，假设水表面自然波动的振幅为An，角频率为ωn；水下声源引起的水表面微幅波振幅为As，角频率为ωs。利用迈克尔逊干涉系统(Michalson干涉系统)对水表面振动进行探测，测量光受到水表面的调制作用，与参考光发生干涉，被光电转化器件转换为电信号。在滤除直流分量之后，探测信号表示为以下形式：
式中A为探测信号的增益，该值由光功率以及光电转化器件性能决定；k＝2π/λ，k为波数，λ为激光波长；分别为两部分波动的初相位。
2、相位生成载波的反正切算法解调原理
在参考光路当中引入高频载波，使得干涉信号中产生高频相位。假设引入的高频载波调制度为C，角频率为ω0，初相位那么同样采用上述干涉方法，滤除直流分量之后获得的探测信号为：
不妨设水表面的振动引起的相位为即：
反正切算法的解调基本原理，如图1所示。对携带高频载波的探测信号进行一倍载波信号cos(ω0t)和二倍载波信号cos(2ω0t)混频。然后经过低通滤波(LPF)之后得到的两路正交信号为：
通过对这两路正交信号进行相除，可以得到：
通过对(公式6)的分析可知，可以利用反正切算法实现相位的解调，通过高通滤波(HPF)滤除水表面低频波动之后，即可得到水表面微幅波的频率信息。
3、反正切函数值域拓展
反正切函数的值域范围在(-π/2，π/2)区间内，那么相位解调出的相位值域范围也被局限于这个区间，实际上待测信号往往超出这个范围，因此需要对反正切函数进行值域拓展。正切函数是以π为周期，并且在(-kπ/2，kπ/2)区间内是单调增函数，并且待解调信号是连续无跳变的。因此利用单调性和连续性，可以对反正切函数进行值域拓展，进行相位解包裹以获得真实准确的相位信息。
值域拓展流程如图2所示。对采样的离散数据点进行反正切计算，获得在(-π/2，π/2)区间内的值域，随后利用连续性，与之间的值域之差不能超过半个周期π/2。如果值域之差超过阀值，则说明产生了跳变，需要判断跳变的方向，进行周期延拓。当滞后并产生跳变时，函数值加上π进行周期延拓；当超前并产生跳变时，值域减去π进行周期延拓；循环往复直到满足无跳变条件，输出更新之后的即为值域拓展之后的真实相位。
4、仿真
对探测信号进行仿真研究，设激光器的工作波长为632.8nm，水表面微幅波的频率为200Hz，振幅为20nm；水表面自然波动的频率为5Hz，振幅为2000nm；高频载波的频率为10kHz，调制深度为2.63rad，载波信号的初相位为0；探测信号增益系数A设为1。
仿真获得的探测信号的时域波形及其频谱如图3所示。图中频谱高频段均匀分布在10kHz附近，这是高频载波的调制所引起的。频谱低频段占据大约500Hz的频谱宽度，200Hz的水表面微幅波被湮没在低频段，普通的频谱分析方法已不能实现水表面声波频率的提取。
采用基于相位生成载波的反正切算法对信号进行解调，仿真获得的两路正交信号如图4所示，对图中的两路信号进行相除后反正切解调，经高通滤波器滤除水表面低频扰动后得到图5所示的解调结果。从解调结果中可以看出，反正切算法能够有效的解调出水表面声波的频率信息。
5、实验装置
本发明所采用的实验系统如图6所示，该系统基于迈克尔逊干涉系统，参考光路引入高频载波，以支持PGC的反正切算法解调。信号发生器产生两路信号经功率放大器后，驱动水下扬声器激励产生水表面波。参考光路的水下扬声器驱动水表面产生同频波动，以水表面的波动做为高频载波。优势在于，一方面两路光路都采用水表面反射，光强相近从而干涉信号稳定；另一方面参考光路和测量光路的随机扰动得以通过差分的方式消除，进一步提高光路的抗干扰能力。
光路中在激光器后增加偏振片和1/4波片，是为了防止回光影响激光器的稳定性。在测量路水池中放置水听器，用来探测水下声源的波动，作为测量的参考。最后上位机将光电探测器获得的干涉信号以及水听器的信号进行处理，配合本发明的算法实现水表面微幅波的频率解调。
图6中，1为激光器，2为偏振片，3为1/4波片，4为扩束准直器，5为分光镜，6、7和8均为反射镜，9、11、13均为聚焦透镜，10和12均为水下扬声器，14为滤波片，15为光电转化器件，16为数据采集卡，17为计算机，18为水听器，19为信号放大器，20为信号发生器。
6、实验
利用图6所示的系统装置进行水表面波探测实验。信号发生器一路通道产生10kHz的高频正弦信号，经信号放大器驱动参考光路水下扬声器振动，从而激励出水表面波动做为高频载波。另一路通道产生200Hz的正弦信号，驱动测量光路水下扬声器模拟水下发声目标。在光学暗室下对水下发声目标进行了实验，对获得的探测信号进行反正切算法解调。
所得实验探测信号及其频谱如图7所示。频谱高频段均匀分布在10kHz附近，这是由参考光路产生的高频载波引起。低频段占据0～800Hz的频带宽度，可以看出200Hz水表面波信号已经完全湮没在低频段，无法使用频谱分析法对信号实施频率解调。
为解决频谱分析法失效的难题，采用基于PGC的反正切算法解调方法实施相位解调。对测量信号进行载波频率的一倍混频和二倍混频，经过低通滤波器后得到的两路正交信号如图8所示，可以看出两路正交信号幅值不同，这是由于载波振幅和初相位导致的。
通过基于相位生成载波的反正切算法，对水表面声波为200Hz的探测信号进行解调，最终结果如图9所示。从图中可以看出，虽然200Hz的水表面声波在原始信号频谱当中被湮没，但反正切解调结果能够准确的提取出水表面声波的频率信息。
7、总结
本发明针对水表面声波频率识别问题，在激光干涉探测技术的基础上，提出了一种基于相位生成载波的反正切算法，用于实现对PGC信号的相位解调，以获得水表面微幅波频率信息。
本发明针对水表面声波频率识别方法中的频谱分析法不能实现低频解调，提出了一种基于相位生成载波(PGC)的反正切算法。通过对200Hz的低频水表面微幅波的探测实验，验证了基于相位生成载波(PGC)的反正切解调算法能够准确地实现水表面微幅波频率的测定，频率的探测下限受滤波器性能影响，频率可探测上限受高频载波频率大小影响。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

Claims (4)

1.一种基于相位生成载波的反正切算法探测水下目标的方法，该方法基于迈克尔逊干涉系统实现，测量光受到水表面的调制并被反射，然后与参考光发生干涉，光电转化器件将干涉光信号转换为电信号；
其特征在于，该方法为：
在参考光中引入高频载波，滤除电信号中的直流分量后获得探测信号，对探测信号分别进行一倍载波信号和二倍载波信号混频，得到的两路正交信号，对两路正交信号进行相除，利用反正切算法解调相位，再滤除水表面低频波动，得到水表面微幅波的频率信息，实现水下目标的探测。
2.根据权利要求1所述的一种基于相位生成载波的反正切算法探测水下目标的方法，其特征在于，该方法具体为：
在参考光中引入高频载波，引入的高频载波的调制度为C、角频率为ω0、初相位为则滤除电信号中的直流分量后获得的探测信号U(t)为：
令水表面的振动引起的相位为即：
其中，A为探测信号的增益，k为波数，An、ωn、分别为水表面自然波动的振幅、角频率和初相位；As、ωs、分别为水下声源引起的水表面微幅波振幅、角频率和初相位；
对探测信号U(t)分别进行一倍载波信号和二倍载波信号混频，经过低通滤波后得到的两路正交信号U1c和U2c：
其中，J1(C)和J2(C)分别为一阶贝塞尔函数和二阶贝塞尔函数；
对两路正交信号进行相除，得到
利用反正切算法解调相位再滤除水表面低频波动，得到水表面微幅波的频率信息。
3.根据权利要求2所述的一种基于相位生成载波的反正切算法探测水下目标的方法，其特征在于，利用反正切算法解调相位后，还对解调出的相位进行值域拓展，具体为：
步骤一、利用反正切算法解调n＝1,2,…,N，N为采样的总数据点；
第n次采样得到的解调出的相位为当n等于1时保存当n大于1时执行步骤二；
步骤二、判断是否大于π/2，如果判断结果为是则执行步骤三，否则执行步骤四；
步骤三、判断是否小于如果判断结果为是则执行步骤五，否则执行步骤六；
步骤四、输出并执行步骤七；
步骤五、令并返回步骤二；
步骤六、令并返回步骤二；
步骤七、判断n是否小于N，如果判断结果为是则执行步骤八，否则结束；输出值域拓展后的作为解调相位；
步骤八、令n＝n+1，并返回步骤一。
4.根据权利要求1所述的一种基于相位生成载波的反正切算法探测水下目标的方法，其特征在于，优选的是，迈克尔逊干涉系统中的激光器(1)和分光镜(5)之间还依次设置偏振片(2)和1/4波片(3)。
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