CN109632073A - 一种激光水下声纹光纤探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光水下声纹光纤探测方法，激光发生器发出的激光信号通过分光器分为两路信号，包括参照激光和探测激光；探测激光照射至水面上，探测激光吸收水面声纳信号后产生反射激光，反射激光依次通过相互连接的偏光片、光纤聚焦镜头、功分器后分为多路，多路反射激光分别进入多根光程差光纤中；参照激光通过多个激光光纤耦合器与各路光程差光纤中的反射激光进行耦合，并送入多个光电鉴相器中；通过对耦合信号进行分析，得到声波的相位信号和振幅，根据多路光纤的相位差，采集一个完整时间段的声纳信号，并通过不同反射激光信号的相位差计算出目标位置，实现声源定位功能。本发明探测精度高，占用空间小，对运载平台的机动性没有影响。

Description

一种激光水下声纹光纤探测方法

技术领域

本发明涉及水下声波探测技术领域，尤其涉及一种激光水下声纹光纤探测方法。

背景技术

目前，水下探测一般采用拖曳声纳，一般长1-2千米，斜向下深入500米左右的水中，以避开温跃层、盐跃层的限制。但其基阵、拖缆和收放装置占用运载平台的空间大；拖体放人水中工作时，对运载平台的机动有一定影响。水上探测大多通过分析水表面的信号源来进行水下探测，而水面信号源较多，通过单点信号采集分析采集到的信号杂乱且准确度较低。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种激光水下声纹光纤探测方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明提供一种激光水下声纹光纤探测方法，该方法通过以下部件实现：激光发射器、分光器、偏光片、光纤聚焦镜头、功分器、光程差光纤、激光光纤耦合器和光电鉴相器；其中：

激光发生器的输出端与分光器相连，激光发生器发出的激光信号通过分光器分为两路信号，包括参照激光和探测激光；探测激光照射至水面上，探测激光吸收水面声纳信号后产生反射激光，反射激光依次通过相互连接的偏光片、光纤聚焦镜头、功分器后分为多路，多路反射激光分别进入多根光程差光纤中；参照激光通过多个激光光纤耦合器与各路光程差光纤中的反射激光进行耦合，并将耦合信号分别送入多个光电鉴相器中；通过对耦合信号进行分析，得到声波的相位信号和振幅，根据多路光纤的相位差，采集一个完整时间段的声纳信号，并通过不同反射激光信号的相位差计算出目标位置，实现声源定位功能。

进一步地，本发明的光纤聚焦镜头用于进行光学准直，光学准直后的反射激光通过功分器形成多路光程差的光学信号，与参照激光进行耦合，形成光程相位差，再进入光电鉴相器，得到声波的相位信号和振幅，根据多路光纤的相位差，采集一个完整时间段的声纳信号。

进一步地，本发明的通过旋转偏光片的方向，得到某一个方向的声纳信号。

进一步地，本发明的通过旋转偏光片得到不同方向上的声纳信号，通过比对分析，判别某一方向是所需要侦听的声纳信号。

进一步地，本发明的光纤聚焦镜头包括7根聚焦光纤，其中1根聚焦光纤设置在中心位置，其余6根聚焦光纤围绕设置在中心位置的聚焦光纤的周围，并且以中心位置的聚焦光纤为对称中心，其余6根聚焦光纤呈中心对称排布；同一直线上对称的3根聚焦光纤分别采集到的声纳信号，其中2个声纳信号用于消除相位差，最终合成为一个完整的同一相位差信号。

进一步地，本发明的该方法还包括进行标定的方法：

在平静的水面上进行标定，根据水面的高低，实时测量激光发射点与水面的距离γ，以及反射回光纤中的激光的光程差，推算出公式：γ_i＝f(θ_i)，i＝1，2，3...,n，其中θ为光纤的干涉相位，当光纤在不规则波纹中进行测量时，根据测量的θ_i通过标定结果计算出此时γ_i的值；根据此公式推算出光纤光程差，从而得到声波信号的关系式和测量方法。

进一步地，本发明的该方法中光纤光程差的量程测量方法的测量相位范围为：0-π；当超过该测量相位范围时，通过以下两种方法测量：

根据相位的最大拐点和最小拐点来判断此点是π-θ或是π+θ；

采用两套光纤系统，两套光纤系统的相位差相差个单位，通过观察第二套光纤系统的相位变化，分析第一套相位所在位置是π-θ或是π+θ。

本发明产生的有益效果是：本发明的激光水下声纹光纤探测方法，利用激光照射水面，根据参照激光与激光反射的信号，经过光学聚焦和光纤传输系统与激光本底信号相干涉，利用光纤控制光程大小，通过改变偏光片的角度，分析并筛选各个方向上的声波信号，确定最终需要测量的正确的信号方向，并将接受到的水面反射激光信号与发射信号进行相干分析，通过相位变化分析水下潜艇发出的震动信号变化，获取潜艇的声纳信号，监测水下潜艇和生物的活动迹象；该方法探测精度高，占用空间小，对运载平台的机动性没有影响。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例的总流程图；

图2是本发明实施例的结构原理图；

图3是本发明实施例的光纤聚焦镜头内部工作原理图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例的激光水下声纹光纤探测方法，该方法通过以下部件实现：激光发射器1、分光器2、偏光片6、光纤聚焦镜头7、功分器8、光程差光纤9、激光光纤耦合器10和光电鉴相器11；其中：

激光发生器1的输出端与分光器2相连，激光发生器1发出的激光信号通过分光器2分为两路信号，包括参照激光3和探测激光4；探测激光4照射至水面上，探测激光4吸收水面声纳信号5后产生反射激光，反射激光依次通过相互连接的偏光片6、光纤聚焦镜头7、功分器8后分为多路，多路反射激光分别进入多根光程差光纤9中；参照激光3通过多个激光光纤耦合器10与各路光程差光纤9中的反射激光进行耦合，并将耦合信号分别送入多个光电鉴相器11中；通过对耦合信号进行分析，得到声波的相位信号和振幅，根据多路光纤的相位差，采集一个完整时间段的声纳信号，并通过不同反射激光信号的相位差计算出目标位置，实现声源定位功能。

光纤聚焦镜头7用于进行光学准直，光学准直后的反射激光通过功分器8形成多路光程差的光学信号，与参照激光3进行耦合，形成光程相位差，再进入光电鉴相器11，得到声波的相位信号和振幅，根据多路光纤的相位差，采集一个完整时间段的声纳信号。

通过旋转偏光片6的方向，得到某一个方向的声纳信号。通过旋转偏光片6得到不同方向上的声纳信号，通过比对分析，判别某一方向是所需要侦听的声纳信号。光纤聚焦镜头7包括7根聚焦光纤，其中1根聚焦光纤设置在中心位置，其余6根聚焦光纤围绕设置在中心位置的聚焦光纤的周围，并且以中心位置的聚焦光纤为对称中心，其余6根聚焦光纤呈中心对称排布；同一直线上对称的3根聚焦光纤分别采集到的声纳信号，其中2个声纳信号用于消除相位差，最终合成为一个完整的同一相位差信号。

如图1和图2所示，在本发明的另一个具体实施例中，激光水下声纹光纤探测方法，通过激光器发射一束激光，利用分光镜将激光分为两路，其中一路为参照激光，另一路为探测激光，将探测激光照射至水面上，利用两条光纤分别用于激光的发射与接收，反射后的探测激光通过光学聚焦镜头准直后耦合到光纤，耦合后的激光到达偏光片上，通过旋转偏振光片的角度得到不同方向上的声纳信号，通过比对分析，判别某一方向是所需要侦听的声纳信号。判别过后的反射光束再经过功分器形成多路光程差的光学信号，与参照激光进行耦合，形成光程相位差，再进入光学鉴相器，得到声波的相位信号和振幅，根据多路光纤的相位差，采集一个完整时间段的声纳信号，最后通过两束反射光的相位差计算出目标位置，实现声源定位功能。

如图3光纤聚焦镜头内部工作原理图所示，反射激光光聚焦后，照射至光纤上，光纤可由7个聚焦光纤组成，聚焦光纤的分布是由6个围绕1个光纤的对称形式，同一直线上对称的三个聚焦光纤采集到的声纳信号，其中两个聚焦光纤采集到的信号消除相位差，合成一个完整的同一相位差信号。(为了消除采集信号中的丢失部分，如偏振光在某一角度上不起作用。

该方法还包括进行标定的方法：

在平静的水面上进行标定，根据水面的高低，实时测量激光发射点与水面的距离γ，以及反射回光纤中的激光的光程差，推算出公式：γ_i＝f(θ_i)，i＝1，2，3...,n，其中θ为光纤的干涉相位，当光纤在不规则波纹中进行测量时，根据测量的θ_i通过标定结果计算出此时γ_i的值；根据此公式推算出光纤光程差，从而得到声波信号的关系式和测量方法。

该方法中光纤光程差的量程测量方法的测量相位范围为：0-π；当超过该测量相位范围时，通过以下两种方法测量：

根据相位的最大拐点和最小拐点来判断此点是π-θ或是π+θ；

采用两套光纤系统，两套光纤系统的相位差相差个单位，通过观察第二套光纤系统的相位变化，分析第一套相位所在位置是π-θ或是π+θ。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种激光水下声纹光纤探测方法，其特征在于，该方法通过以下部件实现：激光发射器(1)、分光器(2)、偏光片(6)、光纤聚焦镜头(7)、功分器(8)、光程差光纤(9)、激光光纤耦合器(10)和光电鉴相器(11)；其中：

激光发生器(1)的输出端与分光器(2)相连，激光发生器(1)发出的激光信号通过分光器(2)分为两路信号，包括参照激光(3)和探测激光(4)；探测激光(4)照射至水面上，探测激光(4)吸收水面声纳信号(5)后产生反射激光，反射激光依次通过相互连接的偏光片(6)、光纤聚焦镜头(7)、功分器(8)后分为多路，多路反射激光分别进入多根光程差光纤(9)中；参照激光(3)通过多个激光光纤耦合器(10)与各路光程差光纤(9)中的反射激光进行耦合，并将耦合信号分别送入多个光电鉴相器(11)中；通过对耦合信号进行分析，得到声波的相位信号和振幅，根据多路光纤的相位差，采集一个完整时间段的声纳信号，并通过不同反射激光信号的相位差计算出目标位置，实现声源定位功能。

2.根据权利要求1所述的激光水下声纹光纤探测方法，其特征在于，光纤聚焦镜头(7)用于进行光学准直，光学准直后的反射激光通过功分器(8)形成多路光程差的光学信号，与参照激光(3)进行耦合，形成光程相位差，再进入光电鉴相器(11)，得到声波的相位信号和振幅，根据多路光纤的相位差，采集一个完整时间段的声纳信号。

3.根据权利要求1所述的激光水下声纹光纤探测方法，其特征在于，通过旋转偏光片(6)的方向，得到某一个方向的声纳信号。

4.根据权利要求3所述的激光水下声纹光纤探测方法，其特征在于，通过旋转偏光片(6)得到不同方向上的声纳信号，通过比对分析，判别某一方向是所需要侦听的声纳信号。

5.根据权利要求1所述的激光水下声纹光纤探测方法，其特征在于，光纤聚焦镜头(7)包括7根聚焦光纤，其中1根聚焦光纤设置在中心位置，其余6根聚焦光纤围绕设置在中心位置的聚焦光纤的周围，并且以中心位置的聚焦光纤为对称中心，其余6根聚焦光纤呈中心对称排布；同一直线上对称的3根聚焦光纤分别采集到的声纳信号，其中2个声纳信号用于消除相位差，最终合成为一个完整的同一相位差信号。

6.根据权利要求1所述的激光水下声纹光纤探测方法，其特征在于，该方法还包括进行标定的方法：

在平静的水面上进行标定，根据水面的高低，实时测量激光发射点与水面的距离γ，以及反射回光纤中的激光的光程差，推算出公式：γ_i＝f(θ_i)，i＝1，2，3...,n，其中θ为光纤的干涉相位，当光纤在不规则波纹中进行测量时，根据测量的θ_i通过标定结果计算出此时γ_i的值；根据此公式推算出光纤光程差，从而得到声波信号的关系式和测量方法。

7.根据权利要求6所述的激光水下声纹光纤探测方法，其特征在于，该方法中光纤光程差的量程测量方法的测量相位范围为：0-π；当超过该测量相位范围时，通过以下两种方法测量：

根据相位的最大拐点和最小拐点来判断此点是π-θ或是π+θ；

采用两套光纤系统，两套光纤系统的相位差相差个单位，通过观察第二套光纤系统的相位变化，分析第一套相位所在位置是π-θ或是π+θ。