CN110389345A - 基于激光致声扫描方式的水下目标探测系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于激光致声扫描方式的水下目标探测系统和方法。系统包括：激光器、光学整形单元、扫描振镜、场镜、水听器和上位机。激光器产生的激光依次经过光学整形单元、扫描振镜、场镜后射入水中且在水下聚焦，使水介质产生光声效应，向周围辐射声波，声波经水下目标物体反射后由水听器接收，水听器用于将接收到的声波信号转换成电信号，并发送给上位机；上位机与激光器、扫描振镜通信连接，可以控制激光器的激光输出，以及扫描振镜的偏转；上位机通过对水听器发送的电信号进行调节，得到声信号，并对调节得到的声信号进行计算处理，得到水下被探测目标物体的深度及方位。本发明提供的技术方案具有可移动性强、灵敏度高、探测范围大的特点。

Description

基于激光致声扫描方式的水下目标探测系统和方法

技术领域

本发明涉及水下探测通信技术领域，尤其涉及一种基于激光致声扫描方式的水下目标探测系统和方法。

背景技术

目前，水下目标探测主要有两种手段：光学探测和声学探测。光学探测主要利用成像的方法探测水下目标。然后在水下，光波的传播衰减非常大，传播和测量的距离有限。相比之下，声波在水中的传播性能较好。声波在遇到水下目标后反射系数较大，利于获取物体信息。在传统声波测量中，声呐传感器被广泛使用作为接收传感器，然而声呐传感器本身又存在探测精度低、功耗大、重量大、需要布置较大空间体积、不方便移动探测的缺点。

发明内容

针对现有技术的上述缺陷，本发明提供一种基于激光致声扫描方式的水下目标探测系统和方法。

一方面，本发明提供一种基于激光致声扫描方式的水下目标探测系统，包括：激光器、光学整形单元、扫描振镜、场镜、水听器和上位机；

所述激光器用于作为光源产生激光；所述光学整形单元用于对激光器产生的激光进行调节；

所述激光器产生的激光依次经过光学整形单元、扫描振镜、场镜后射入水中且在水下聚焦，使水介质产生光声效应，向周围辐射声波，声波经水下目标物体反射后由水听器接收，所述水听器用于将接收到的声波信号转换成电信号，并发送给上位机；

所述上位机与激光器、扫描振镜通信连接；所述上位机用于控制激光器的激光输出，以及扫描振镜的偏转；

所述上位机还用于对所述水听器发送的电信号进行调节，得到声信号，并对调节得到的声信号进行计算处理，得到水下被探测目标物体的深度及方位。

如上所述的系统，优选地，所述激光器为固体脉冲激光器；所述固体脉冲激光器产生的激光波长为1064nm，输出能量≧400mJ，重复频率为1-10Hz，脉冲宽度为6-8ns。

如上所述的系统，优选地，所述扫描振镜包括：X扫描电机、X扫描镜、Y扫描电机和Y扫描镜，X扫描电机用于驱动X扫描镜偏转，Y扫描电机用于驱动Y扫描镜偏转。

如上所述的系统，优选地，所述X扫描镜、所述Y扫描镜为反射镜。

如上所述的系统，其中，所述光学整形单元用于对激光器产生的激光进行调节，包括：

对激光器产生的激光传输方向和光束直径大小进行调节，调整激光光束发散角。

如上所述的系统，优选地，所述激光器采用氙灯泵浦方式产生激光。

另一方面，本发明提供一种基于激光致声扫描方式的水下目标探测方法，包括：

将激光器、光学整形单元、扫描振镜、场镜设置于水上平台上，将水听器设置于水中；

利用激光器产生激光信号，并调整激光器、光学整形单元、扫描振镜、场镜之间的位置关系，使得激光器产生的激光信号依次经过光学整形单元、扫描振镜、场镜后射入水中且在水下聚焦，使水介质产生光声效应，向周围辐射声波；

调整水听器在水中的位置，使得所述声波经水下目标物体反射后由水听器接收；

所述水听器将接收到的声波信号转换成电信号，并发送给上位机；

所述上位机接收所述水听器发送的电信号，并将所述电信号调节成声信号；

所述上位机对声信号进行处理，得到水下被探测目标物体的深度及方位。

如上所述的方法，还包括：

利用上位机控制扫描振镜偏转，使用激光扫描的方式使激光焦点处光斑以不同速度在同一平面内以规则形状或特定方向移动,使扫描路径上产生的声波在传播过程中相干叠加，叠加后的声波被水下目标物体反射后由水听器接收。

如上所述的方法，其中，所述上位机对声信号进行处理，包括：

上位机运用相关法、差分法和高斯-牛顿迭代算法对声信号进行处理。

本发明提供的技术方案，利用激光产生声源，将激光能量转换为声波能量，使用激光扫描的方式，利用激光在空气中衰减系数小，传播距离远的特点，可以在更大范围处产生声源，以增加声波在水中的有效传播距离，也可利用声源移动产生多普勒效应，可以获得更宽的声信号频谱，控制激光聚焦光斑移动速度，可以编码声波信号，用于激光致声通信。使用扫描振镜使激光在光斑扫描路径上形成一系列的声波，声波相干叠加后，可以在特定的方向上使传播范围大幅增加，从而使探测范围扩大，使用水听器作为接收传感器，既避免了高频波在水中衰减速率大，测量范围小的缺点，也克服了传统声学探测中声纳传感器的缺点，具有可移动性强，灵敏度高的优点。另外，本发明提供的技术方案采用激光致声系统产生声源信号，所产生的声信号具有声压级高，频谱宽，可进行非接触式控制等优势，所使用水听器具有水密结构良好，抗腐蚀，体积小，可移动性强，灵敏度高的优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的基于激光致声扫描方式的水下目标探测系统的原理图；

图2为本发明提供的基于激光致声扫描方式的水下目标探测方法的流程图；

图3为本发明提供的技术方案中的激光扫描方式示意图；

图4为本发明提供的技术方案中的声波相干叠加示意图；

图5为本发明提供的技术方案中的水听器阵列及计算目标物位置示意图；

图6为本发明提供的技术方案中的互相关函数示意图。

以上各图中：1、激光器；2、光学整形元件；3、扫描振镜；4、X扫描电机；5、X扫描镜；6、Y扫描电机；7、Y扫描镜；8、场镜；9、水下目标物体；10、水听器；11、上位机。

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。

图1为本发明提供的基于激光致声扫描方式的水下目标探测系统的原理图。参考图1所示，本实施例提供的基于激光致声扫描方式的水下目标探测系统包括：激光器1、光学整形单元2、扫描振镜3、场镜4、水听器10和上位机11。其中，激光器1用于作为光源产生激光；光学整形单元2用于对激光器1产生的激光进行调节；激光器1产生的激光依次经过光学整形单元2、扫描振镜3、场镜4后射入水中且在水下聚焦，使水介质产生光声效应，向周围辐射声波，声波经水下目标物体9反射后由水听器10接收，水听器10用于将接收到的声波信号转换成电信号，并发送给上位机11；上位机11与激光器1、扫描振镜3通信连接；上位机1用于控制激光器1的激光输出，以及扫描振镜3的偏转；上位机1还用于对水听器10发送的电信号进行调节，得到声信号，并对调节得到的声信号进行计算处理，得到水下被探测目标物体的深度及方位。

如上所述的系统，优选地，激光器1为固体脉冲激光器；固体脉冲激光器产生的激光波长为1064nm，输出能量≧400mJ，重复频率为1-10Hz，脉冲宽度为6-8ns。

如上所述的系统，优选地，扫描振镜3包括：X扫描电机4、X扫描镜5、Y扫描电机6和Y扫描镜7，X扫描电机4用于驱动X扫描镜5偏转，Y扫描电机6用于驱动Y扫描镜7偏转。

如上所述的系统，优选地，X扫描镜5、Y扫描镜7为反射镜。

如上所述的系统，其中，光学整形单元2用于对激光器产生的激光进行调节，包括：

对激光器1产生的激光传输方向和光束直径大小进行调节，调整激光光束发散角。

如上所述的系统，优选地，激光器1采用氙灯泵浦方式产生激光。

图2为本发明提供的基于激光致声扫描方式的水下目标探测方法的流程图。参考图2所示，本实施例提供的基于激光致声扫描方式的水下目标探测方法，具体可以包括：

S1、将激光器、光学整形单元、扫描振镜、场镜设置于水上平台上，将水听器设置于水中。

S2、利用激光器产生激光信号，并调整激光器、光学整形单元、扫描振镜、场镜之间的位置关系，使得激光器产生的激光信号依次经过光学整形单元、扫描振镜、场镜后射入水中且在水下聚焦，使水介质产生光声效应，向周围辐射声波。

S3、调整水听器在水中的位置，使得声波经水下目标物体反射后由水听器接收。

在具体应用中，还可以利用上位机控制扫描振镜偏转，使用激光扫描的方式使激光焦点处光斑以不同速度在同一平面内以规则形状或特定方向移动,使扫描路径上产生的声波在传播过程中相干叠加，叠加后的声波被水下目标物体反射后由水听器接收。

S4、水听器将接收到的声波信号转换成电信号，并发送给上位机。

S5、上位机接收水听器发送的电信号，并将电信号调节成声信号。

S6、上位机对声信号进行处理，得到水下被探测目标物体的深度及方位。

例如，上位机运用相关法、差分法和高斯-牛顿迭代算法对声信号进行处理。

下面给出的是本发明实施例提供的技术方案的一个应用实施例。

继续参考图1所示，将激光致声设备安装在水上机载平台上，水听器安装在水下机载平台上。高强度固体激光器作为光源产生激光，光学整形元件用于调节激光包括光束直径大小等，激光传递到扫描振镜，经X反射镜和Y反射镜高速偏转，再经场镜聚焦入射到水中。高能量密度的激光聚焦到水下使水介质产生热膨胀、汽化、介电击穿等光声效应向周围辐射声波。以扫描方式控制激光聚焦光斑以水中音速、超音速等不同速度以规则形状移动，编码声波信息，用于激光致声通信。若以水中音速使激光聚焦光斑以规则形状或特定方向移动，在水介质中光斑移动路径上产生一系列的声波，声波在传播过程中相干叠加。相干叠加后的声波传播过程中遇到水下目标物反射至安装在水下机载平台上的水听器，并由水听器转换为电信号传送至PC机，由PC机解调得到水下目标反射后的信号，运用相关法、差分法和高斯-牛顿迭代算法处理水听器解调出的水下目标反射信号，得到水下目标深度和方位。

若控制光斑移速，使激光声在传播过程中产生多普勒频移，即可获得更宽频谱的声信息，使用此方法可调制声源频谱等信息，从而编码声波信号，在激光声通信方面有广泛的应用前景。图3为本发明提供的技术方案中的激光扫描方式示意图。参考图3所示，假设高速扫描振镜控制激光聚焦光斑在X-Y平面内以水中音速沿X轴移动，在扫描路径上产生的声波逐步叠加，最后在扫描终点处叠加完全，从而使声波在X轴附近方向上能够传播更远的距离，使探测范围大幅增加。

图4为本发明提供的技术方案中的声波相干叠加示意图。参考图4所示，激光在水介质中产生点声源，若假设单个声源产生的声波以球面波形式传播。球面波表达式为：

其中，A指声场中其中一点处振幅，指声波在此点处的方向矢量，指声源到此点的矢径，其中xcosα、ycosβ和zcosγ为的方向余弦，ω为角速度，t为质点振动时间。

两列频率相同，振动方向相同，位相差恒定的声波在叠加区将会出现强弱稳定的声强分布现象。

假设声源产生的声波在特定方向上传播时，此方向上某点的入射波视为平面波。

平面波表达式：E＝A cos[α-ωt]。其中

则有两列声波相干叠加公式：

E＝a₁ cos(α₁-ωt)+a₂ cos(α₂-ωt)＝A cos(α-ωt)，

其中：A²＝a₁ ²+a₂ ²+2a₁a₂ cos(α₁-α₂)，

若视a₁＝a₂＝a,α₁＝α₂，则有两个声波叠加振幅与单个声波振幅之间的关系A＝2a。

假设激光光斑以水中声速V_水沿X轴运动时，单个脉冲激光产生的声波在X轴上传播声强为E＝a_水cos[α-ωt]，则若激光光斑扫描路径长度为N_L时，其扫描时间为t，激光脉冲频率为f,则有扫描时间t＝N_L/V_水，可视叠加的声波个数N≦t/f。在扫描终点处这N个声波开始全部叠加，即

E＝a₁ cos(α₁-ωt)+a₂ cos(α₂-ωt)+…+a_N cos(α_N-ωt)＝A_N cos(α-ωt)，此时，若视a₁＝a₂＝…＝a_水，α₁＝α₂＝…＝α。则：A_N＝Na。

为了表示一个信号x(t)与在时间轴上平移后的信号y(t)的相关特性，可以用相关函数来表示，即：

通过对水听器采集到的声信号进行滤波、截取、求互相关用，就可以求出声波从声源处经物体反射后被水听器所接收经历的时间τ。

图5为本发明提供的技术方案中的水听器阵列及计算目标物位置示意图，图6为本发明提供的技术方案中的互相关函数示意图。参考图5和图6所示，由四个水听器构成的阵列利用差分法就可以得到方程组：

其中，d指A，B，C三个水听器在坐标轴上距离坐标原点的距离。

利用高斯-牛顿迭代算法求解方程组，就可以得到物体的方位信息。

综上所述，本发明提供的技术方案，利用激光产生声源，将激光能量转换为声波能量，使用激光扫描的方式，利用声源移动产生多普勒效应，可以获得更宽的声信号频谱，控制激光聚焦光斑移动速度，可以编码声波信号，用于激光致声通信。使用扫描振镜使激光在光斑扫描路径上形成一系列的声波，声波相干叠加后，可以在特定的方向上使传播范围大幅增加，从而使探测范围扩大，使用水听器作为接收传感器，既避免了高频波在水中衰减速率大，测量范围小的缺点，也克服了传统声学探测中声纳传感器的缺点，具有可移动性强，灵敏度高的优点。另外，本发明提供的技术方案采用激光致声系统产生声源信号，所产生的声信号具有声压级高，频谱宽，可进行非接触式控制等优势，所使用水听器具有水密结构良好，抗腐蚀，体积小，可移动性强，灵敏度高的优点。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种基于激光致声扫描方式的水下目标探测系统，其特征在于，包括：激光器、光学整形单元、扫描振镜、场镜、水听器和上位机；

所述激光器用于作为光源产生激光；所述光学整形单元用于对激光器产生的激光进行调节；

所述激光器产生的激光依次经过光学整形单元、扫描振镜、场镜后射入水中且在水下聚焦，使水介质产生光声效应，向周围辐射声波，声波经水下目标物体反射后由水听器接收，所述水听器用于将接收到的声波信号转换成电信号，并发送给上位机；

所述上位机与激光器、扫描振镜通信连接；所述上位机用于控制激光器的激光输出，以及扫描振镜的偏转；

所述上位机还用于对所述水听器发送的电信号进行调节，得到声信号，并对调节得到的声信号进行计算处理，得到水下被探测目标物体的深度及方位。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述激光器为固体脉冲激光器。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述固体脉冲激光器产生的激光波长为1064nm，输出能量≧400mJ，重复频率为1-10Hz，脉冲宽度为6-8ns。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述扫描振镜包括：X扫描电机、X扫描镜、Y扫描电机和Y扫描镜，X扫描电机用于驱动X扫描镜偏转，Y扫描电机用于驱动Y扫描镜偏转。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述X扫描镜、所述Y扫描镜为反射镜。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述光学整形单元用于对激光器产生的激光进行调节，包括：

对激光器产生的激光传输方向和光束直径大小进行调节，调整激光光束发散角。

7.根据权利要求1-6任一项所述的系统，其特征在于，所述激光器采用氙灯泵浦方式产生激光。

8.一种基于激光致声扫描方式的水下目标探测方法，其特征在于，包括：

将激光器、光学整形单元、扫描振镜、场镜设置于水上平台上，将水听器设置于水中；

利用激光器产生激光信号，并调整激光器、光学整形单元、扫描振镜、场镜之间的位置关系，使得激光器产生的激光信号依次经过光学整形单元、扫描振镜、场镜后射入水中且在水下聚焦，使水介质产生光声效应，向周围辐射声波；

调整水听器在水中的位置，使得所述声波经水下目标物体反射后由水听器接收；

所述水听器将接收到的声波信号转换成电信号，并发送给上位机；

所述上位机接收所述水听器发送的电信号，并将所述电信号调节成声信号；

所述上位机对声信号进行处理，得到水下被探测目标物体的深度及方位。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，还包括：

利用上位机控制扫描振镜偏转，使用激光扫描的方式使激光焦点处光斑以不同速度在同一平面内以规则形状或特定方向移动,使扫描路径上产生的声波在传播过程中相干叠加，叠加后的声波被水下目标物体反射后由水听器接收。

10.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，所述上位机对声信号进行处理，包括：

上位机运用相关法、差分法和高斯-牛顿迭代算法对声信号进行处理。