CN111256810B - 一种高精度矢量水听器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种高精度矢量水听器，包括第一超声波振子、第二超声波振子、激光发射器、激光检测器、摄像机、处理器，第一超声波阵子和激光发射器连接，第二超声波振子连接激光检测器、摄像机和处理器，摄像机和处理器通过数据线连接。当第一超声波振子和第二超声波振子发射的超声波对发时，就会在两个超声波振子之间形成稳定的驻波声场，此驻波声场会形成局部负压，导致水中生长出声空化泡，当有要检测的外界声音信号传入时，将会对稳定的驻波声场产生扰动，导致此声空化泡发生微小形变。激光器发射的激光透过此声空化泡进入激光检测器，激光检测器接收此透过声空化泡的光信号，将光信号变化转换成电信号并进行处理，从而提取外界声场的变化情况。

Description

一种高精度矢量水听器
技术领域
本发明涉及水声传感技术领域，特别是涉及一种高精度矢量水听器。
背景技术
声矢量传感技术是在最近十年间备受水声界关注的研究焦点之一。从上世纪五十年代中期美国学者发表的有关使用惯性传感器直接测量水中质点振速的经典论文以来，到在上世纪七八十年代前苏联的学者利用其研制成功的声矢量传感器(复合水听器)开展海洋环境噪声研究，直至上世纪九十年代声矢量传感器技术研究热潮才逐渐兴起。1989年俄国学者出版了世界上第一部有关声矢量传感技术的专著“声学矢量-相位方法”，较全面的论述了声矢量传感器技术的原理和应用。2003年出版的“海洋矢量声学”发展了海洋环境噪声的声压标量场特性的研究，提出了基于声矢量传感器的海上实验、数据处理以及理论分析等一整套方法。
目前，美国和俄罗斯在矢量水听器研制应用方面处于领先地位。上世纪70年代，美国就矢量水听器成功应用于远程浮标声纳AN/SSQ-53系统和DIFAR定向浮标中，在战略拖曳阵中SURTASS中也采用了矢量水听器。目前美国的研究主要集中在矢量传感器、矢量舷侧阵声纳、矢量舰壳声纳以及矢量水雷声引信方面，并且还在探索矢量水听器在拖曳线列声纳中的应用，甚至开发了矢量信号处理专用的DSP模块。前苏联在上世纪80年代也开始研制拖曳矢量线列阵声纳，先后有БГА11-9-17/5、БГА10-4、БГА5-3/2、БГА24-9-6/4等型号的矢量线列阵。当前俄罗斯的矢量水听器还在海岸预警声纳、海洋环境噪声测量和水雷引信等方面得到应用。
在我国，压电矢量水听器的研究也有多年历史，开展这方面工作较多的主要有哈尔滨工程大学、西北工业大学、中船重工715所和中科院声学所。国内的相关工作可追溯到上世纪九十年代初有关声压梯度水听器和双水听器声强测量等研究工作，但真正较深入开始研究的时间在1998年以后。1998年松花湖实验和2000年大连海试是国内最早的两次关于声矢量传感器技术的外场实验，随后的2002年密云水库实验和2003年东海、南海声矢量传感器线阵实验。多年前，我国还通过对俄引进，全面展开压电矢量水听器的工程应用研究。然而现有的水听器灵敏度不够高，而且不能在恶劣的水下环境中实现长期、稳定的工作。随着社会的发展，现在急需一种能在恶劣的水下环境中长期工作并能实现高灵敏度测量的水听器。
发明内容
本发明的目的是提供一种高精度矢量水听器，以解决上述现有技术存在的问题，旨在为浅海低频的水声研究和实际应用提供一种具有更高灵敏度和更高抗干扰能力的高精度矢量水听器。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：一种高精度矢量水听器，包括第一超声波振子、第二超声波振子、激光发射器、激光检测器、摄像机、处理器；
所述第一超声波阵子和所述激光发射器固定连接；
所述第二超声波振子固定连接所述激光检测器、所述摄像机和所述处理器；
所述第一超声波振子和所述第二超声波阵子通过活动杆连接并且正对放置，通过调节所述活动杆展角调节所述第一超声波振子和所述第二超声波振子的相对距离；
所述摄像机和所述处理器通过数据线连接，所述数据线将所述摄像机采集的图像实时传输到所述处理器进行处理及存储。
优选地，所述第一超声波振子和所述第二超声波振子采用同一型号的超声波振子。
优选地，所述摄像机用于采集所述第一超声波振子和所述第二超声波振子工作时导致水中产生的声空化泡的图像信息。
优选地，还包括第一电子开关，所述第一电子开关用于控制所述激光检测器、所述激光发射器和所述处理器同时工作。
优选地，所述摄像机采用索尼SONY FDR-AX7004K HDR型号高清高速摄像机。
优选地，还包括第二电子开关，所述第二电子开关用于控制所述第一超声波振子和所述第二超声波阵子同时工作。
优选地，其特征在于其工作方法如下：预先通过调节高精度矢量水听器活动杆的展角将激光发射器和激光接收器的距离设置为L，同时打开第一电子开关和第二电子开关，然后将高精度矢量水听器放置在需要测量声场信息的水下位置，第一超声波振子和第二超声波振子同时工作从而在二者之间形成稳定的驻波声场，进而形成局部负压，此局部负压会导致水中生长出声空化泡，摄像机实时采集声空化泡的图像信息并每隔一段时间就将采集的图像信息传输到处理器中，经过处理得到声空化泡的半径Roriginal，当有要采集的声空化泡传入此声空化泡时会导致声空化泡的尺寸发生变化，处理器根据接收到的声空化泡的尺寸信息得出不同时刻下声空化泡的半径信息Rcurrent，激光发射器用于发射检测用的激光信号，此激光信号透过发生微小形变的声空化泡，然后进入所述激光检测器；所述激光检测器用于接收所述激光发射器发射的激光信号，并将激光信号变化转换成电信号，处理器根据预先计算出的声空化泡的原始半径信息Roriginal和不同时刻存储的声空化泡的半径信息Rcurrent进行处理计算出不同时刻下水下声场的信息，从而实现对水下声场信息的实时测量。
优选地，根据声空化泡图像信息提取声空化泡半径的过程为：首先通过图像预处理滤除声空化泡图像信息中的噪声，然后利用阈值法分割去噪后的声空化泡图像得到二值图像，该二值图像经缺陷修补处理后进行轮廓提取得到图像的边界点，通过轮廓跟踪算法将轮廓存储为链码表示的格式，最后从链码表示的格式中选取轮廓的最大距离记为声空化泡半径。
优选地，摄像机的拍摄速率为4000帧/秒，将实时采集的声空化泡图像信息传输到处理器中进行处理及存储。
本发明公开了以下技术效果：本发明提供的高精度矢量水听器将声致空化泡作为感知载体，采用激光发射器发射的激光穿过此声致空化泡再进入激光检测器，从而将气泡的变化转换为激光的变化，进而提取水下声场变化信息，实现水听功能。该高精度矢量水听器比传统矢量光纤水听器具有更高的灵敏度和更高的抗干扰能力，而且装置结构简洁，从而其体积可以比传统矢量水听器做的更小，适用于单点测量获取海洋水下声学一维声压信息，为浅海低频的水声研究和实际工程应用提供了理想的技术途径。本发明提供的高精度矢量水听器可以应用于下列重要领域：(1)岸基固定海域水下声场探测(2)潜艇或水面舰艇拖曳阵列(3)机动阵列、声纳浮标、潜标等(4)UUV、鱼雷、自主攻击水雷等小平台为载体的水声探测(5)石油、天然气勘探中的地震波检测。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一维声光耦合水听器的工作状态示意图；
其中，1为激光发射器，2为第一超声波振子，3为激光检测器，4为摄像机，5为处理器，6为第二超声波振子，7为活动杆，8为声空化泡，9为数据线。
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做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。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，本发明提供一种高精度矢量水听器，该矢量水听器包括激光发射器1、第一超声波振子2、激光检测器3、摄像机4、处理器5、第二超声波振子6、活动杆7和数据线9,8为该高精度矢量水听器工作状态下产生的声空化泡。
其中，第一超声波阵子2和激光发射器1固定连接，第二超声波振子6固定连接激光检测器3、摄像机4和处理器5；第一超声波振子2和第二超声波阵子6通过活动杆7连接并且正对放置，通过调节活动杆7的展角可以调节第一超声波振子2和第二超声波振子6的相对距离。摄像机4和处理器5通过数据线9连接。激光检测器3、激光发射器1、处理器5通过第一电子开关串联起来，第一超声波振子2和第二超声波阵子6通过第二电子开关串联起来。
本实施例的水听器使用时，先将其放置于需要测量的水下区域，打开第一电子开关和第二电子开关。第一超声波振子2和第二超声波振子6可发射频率相同、传播方向相反的超声波。此超声波在第一超声波振子2和第二超声波阵子6之间形成稳定的驻波声场，进而形成局部负压，从而导致水中生长出声空化泡8。摄像机4将采集的声空化泡8的图像通过数据线9实时发送到处理器5中进行处理，处理器5通过图像处理算法可得到此声空化泡8的原始半径Roriginal，具体过程如下：首先通过图像预处理滤除声空化泡8图像信息中的噪声，然后利用阈值法分割去噪后的声空化泡8图像得到二值图像，该二值图像经缺陷修补处理后进行轮廓提取得到图像的边界点，通过轮廓跟踪算法将轮廓存储为链码表示的格式，最后从链码表示的格式中选取轮廓的最大距离记为声空化泡8的半径。
当有要检测的外界声音信号传入时，将会对稳定的驻波声场产生扰动，导致此声空化泡8发生微小形变。激光发射器1发射用于检测用的激光信号，此激光信号透过发生微小形变的声空化泡8，然后进入所述激光检测器3；所述激光检测器3用于接收所述激光发射器1发射的激光信号，并将激光信号变化转换成电信号。同时处理器5通过前文所述的图像处理算法实时计算出发生微小形变后的的声空化泡的半径Rcurrent。
下面对通过将激光光信号的变化转换成电信号进行处理从而提取外界声场的变化情况的原理进行阐述。
通过声空化泡8透射的激光相位延迟
Figure GDA0002799515010000071
为：
Figure GDA0002799515010000072
上式中β＝neffk，k为光在真空中的传播常数，neff为声空化泡8内的等效折射率，λ为激光在水中的波长，L为激光发射器1到激光检测器3之间的距离，那么透射的激光在声空化泡8发生形变的情况下引起的相位变化
Figure GDA0002799515010000073
为：
Figure GDA0002799515010000074
上式中，Δr为声空化泡8的半径变化量，即Δr＝Rcurrent-Roriginal，r为声空化泡8的原始半径Roriginal，L的变化在相同方向时取决于声空化泡半径的变化，ΔL为L的变化量，ΔL是由于水下声场的作用而导致激光器发射器1到激光检测器3之间的距离的微小变化，本质上是一种系统噪声，这种变化是很小的，但由于激光检测器3检测信号的频率非常高，所以这个微小的变化也会引入相应的噪声，Δneff为声空化泡8半径变化后声空化泡内的等效折射率的变化量，同样可以根据气泡所受外界声场扰动变化ΔP来定义该矢量水听器在采用相位检测时的归一化灵敏度：
Figure GDA0002799515010000075
上式中，rr和rz分别是沿着轴向(垂直于激光收发双方的方向)和径向(激光收发双方的连线方向)分量，ΔP是激光检测器3检测到的激光功率变化量，M为方向系数，用以确定声场方向，本领域技术人员可在公式(3)的基础上对其进行改造，赋予方向系数M更加丰富的物理含义，从而将本发明测量的一维声场信息拓展到三维空间，确定水下声场矢量方向，进而更加全面地对水下声场信息进行测量，ρ11和ρ12是Pockel系数，k是光在真空中的传播常数即为波矢(k＝2π/λ)，rr(p11+p12)是径向长度L发生变化所带来的相位变化贡献，rzp12是光弹效应引起的折射率变化所带来的相位变化贡献。在将水下声场的信息调制到激光相位变化后，通过PGC零差解调技术解调出水下声场信号，从而最终实现通过对激光光的相位变化的检测来实现对水下声场检测的目的。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (9)

1.一种高精度矢量水听器，其特征在于：包括第一超声波振子(2)、第二超声波振子(6)、激光发射器(1)、激光检测器(3)、摄像机(4)、处理器(5)；
所述第一超声波振子(2)和所述激光发射器(1)固定连接；
所述第二超声波振子(6)固定连接所述激光检测器(3)、所述摄像机(4)和所述处理器(5)；
所述第一超声波振子(2)和所述第二超声波振子(6)通过活动杆(7)连接并且正对放置，通过调节所述活动杆(7)的展角调节所述第一超声波振子(2)和所述第二超声波振子(6)的相对距离；
所述摄像机(4)和所述处理器(5)通过数据线(9)连接，所述数据线(9)将所述摄像机(4)采集的图像实时传输到所述处理器(5)进行处理及存储。
2.根据权利要求1所述的一种高精度矢量水听器，其特征在于：所述第一超声波振子(2)和所述第二超声波振子(6)采用同一型号的超声波振子。
3.根据权利要求1所述的一种高精度矢量水听器，其特征在于：所述摄像机(4)用于采集所述第一超声波振子(2)和所述第二超声波振子(6)工作时导致水中产生的声空化泡(8)的图像信息。
4.根据权利要求1所述的一种高精度矢量水听器，其特征在于,还包括第一电子开关，所述第一电子开关用于控制所述激光检测器(3)、所述激光发射器(1)和所述处理器(5)同时工作。
5.根据权利要求1所述的一种高精度矢量水听器，其特征在于:所述摄像机(4)采用索尼SONY FDR-AX7004K HDR型号高清高速摄像机。
6.根据权利要求1所述的一种高精度矢量水听器，其特征在于: 还包括第二电子开关，所述第二电子开关用于控制所述第一超声波振子(2)和所述第二超声波振子(6)同时工作。
7.根据权利要求1所述的一种高精度矢量水听器的水下声场信息测量方法，其特征在于其工作方法如下：预先通过调节高精度矢量水听器活动杆(7)的展角将激光发射器(1)和激光接收器(3)的距离设置为L，同时打开第一电子开关和第二电子开关，然后将高精度矢量水听器放置在需要测量声场信息的水下位置，第一超声波振子(2)和第二超声波振子(6)同时工作从而在二者之间形成稳定的驻波声场，进而形成局部负压，此局部负压会导致水中生长出声空化泡(8)，摄像机(4)实时采集声空化泡(8)的图像信息并每隔一段时间就将采集的图像信息传输到处理器(5)中，经过处理得到声空化泡(8)的半径Roriginal，当有要采集的声场传入此声空化泡时会导致声空化泡的尺寸发生变化，处理器(5)根据接收到的声空化泡的尺寸信息得出不同时刻下声空化泡的半径信息Rcurrent，激光发射器用于发射检测用的激光信号，此激光信号透过发生微小形变的声空化泡，然后进入所述激光检测器；所述激光检测器用于接收所述激光发射器发射的激光信号，并将激光信号变化转换成电信号，处理器(5)根据预先计算出的声空化泡的原始半径信息Roriginal和不同时刻存储的声空化泡的半径信息Rcurrent进行处理计算出不同时刻下水下声场的信息，从而实现对水下声场信息的实时测量。
8.根据权利要求7所述的水下声场信息测量方法，其特征在于：根据声空化泡图像信息提取声空化泡半径的过程为：首先通过图像预处理滤除声空化泡图像信息中的噪声，然后利用阈值法分割去噪后的声空化泡图像得到二值图像，该二值图像经缺陷修补处理后进行轮廓提取得到图像的边界点，通过轮廓跟踪算法将轮廓存储为链码表示的格式，最后从链码表示的格式中选取轮廓的最大距离记为声空化泡半径。
9.根据权利要求7所述的水下声场信息测量方法，其特征在于：摄像机的拍摄速率为4000帧/秒，将实时采集的声空化泡图像信息传输到处理器(5)中进行处理及存储。
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