CN112379358A - 激光致声接收阵列聚焦定位系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种激光致声接收阵列聚焦定位系统，包括激光致声接收相控阵、接收时延模块、激光声信号处理模块和上位机；激光致声接收相控阵由多个光纤MEMS传感器组成；接收时延模块用于根据上位机发出的脉冲触发信号控制各路光纤MEMS传感器的工作状态；激光声信号处理模块用于采集各路MEMS传感器接收的水下激光声信号；上位机用于根据时间延迟产生相应的脉冲触发信号来控制接收时延模块的工作状态，以及对采集的激光声信号通过算法分析激光声信号在时域和频域的特性。本发明利用光纤MEMS传感器具有在较小尺寸实现对低频水下声信号探测的能力，以提高对水下远距离传输声信号的接收能力为目的。

Description

激光致声接收阵列聚焦定位系统

技术领域

本发明涉及水下目标探测领域，具体是一种激光致声接收阵列聚焦定位系统。

背景技术

水下一体化网络作战是未来海战场中的主要作战模式，在我国东部海域大陆架要害区域即将构建可快速布防的水下一体化作战网络，该网络将传感器、网络、指控、平台、武器系统和作战人员集成为网络化的分散布局的作战体系。在水下作战中实现侦察、警戒、指挥、控制、导航、定位，其高保密的水下通信是其基础。

激光照射液体介质时，当作用区域的激光能量及功率密度同时超过击穿介质所需的能量击穿阈值和功率击穿阈值时，将引起光击穿，产生水下激光致声信号。激光声作为新型的声呐声源既具有爆炸声源的宽频谱、高声源级和高距离分辨力的优点，但是激光声信号中高频分量居多，为了提高对传输过程中损耗的弱声信号的检测能力，需要利用光纤水听器阵列聚焦系统完成检测任务。

光纤水听器是一种建立在光纤、光电子技术基础上的水下声信号传感器。它通过高灵敏度的光学相干检测，将水声震动转换成光信号，通过光纤传至信号处理系统提取声信号信息。光纤水听器主要用于海洋声学环境中的声传播、噪声、混响、海底声学特性、目标声学特性等的监测。由光纤水听器构成的声纳系统具备以下特点：灵敏度高，带宽宽，频响特性好，可以响应甚低频；耐静水压；全光，水下无仟何电子设备，稳定性高，光缆无铜，更轻，更小；耐高温，抗腐蚀性；传输距离远；动态范围大；可利用光纤多路复用技术，构成大范围阵列。

随着光纤水听器技术的成熟，低频、大尺度阵列的应用成为可能。在用大阵列测量运动目标噪声源分布图的情况下，在聚焦波束形成技术的理论和算法研究上，并把多种有限采样下的方法应用到高分辨的聚焦波束形成定位估计中，实现水下目标的定位检测。

水下远距离水声信号传输，所保留的信号均为低频信号，传统压电陶瓷低频响应比较好的水听器尺寸均比较大，形成阵列并达到聚焦定位的目的实现难度大。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明提供一种激光致声接收阵列聚焦定位系统，该系统利用光纤MEMS传感器具有在较小尺寸实现对低频水下声信号探测的能力，以提高对水下远距离传输声信号的接收能力为目的。

一种激光致声接收阵列聚焦定位系统，包括激光致声接收相控阵、接收时延模块、激光声信号处理模块和上位机；

所述激光致声接收相控阵，由多个光纤MEMS传感器组成，用于接收水下激光声信号；

所述接收时延模块，与光纤MEMS传感器阵列连接，所述接收时延模块用于根据所述上位机发出的脉冲触发信号控制各路光纤MEMS传感器的工作状态，即控制各个光纤MEMS传感器的延迟来使多路发射波形偏转聚焦到空间的一点，使得该点的波形叠加增强；

所述激光声信号处理模块，与光纤MEMS传感器阵列连接，所述激光声信号处理模块用于采集各路MEMS传感器接收的水下激光声信号；

所述上位机，与接收时延模块和激光声信号处理模块连接，所述上位机用于根据障碍物到达各光纤MEMS传感器的时间延迟产生相应的脉冲触发信号来控制接收时延模块的工作状态，以及对所述激光声信号处理模块采集的激光声信号通过算法分析激光声信号在时域和频域的特性，实现对水下弱低频激光声信号的检测和定位功能。

进一步的，所述光纤MEMS传感器中设有滤波器，所述滤波器用于选择激光声信号所对应的频段。

进一步的，在扇形扫查方式下，发射聚焦处所有阵元发射的波形同时抵达聚焦点，所有阵元接收零时刻以光纤MEMS传感器线阵中心为参考点，第j个阵元接收到聚焦点处的回波在回波序列中的时延，即障碍物到达各光纤MEMS传感器的时间延迟，为：

式中：x_j是第j个阵元接收到的回波信号，F是光纤MEMS传感器线阵中心接收到的回波信号，θ第j个阵元与阵中心的夹角，c为水下声速度。

本发明具有如下有益效果：

1、提升激光致声信号的探测能力

通过改进光纤MEMS传感器的后端信号处理模块，使其频率响应范围在激光致声信号的频段，具有良好低频响应、窄带宽特性的接收特性，能够有效提高远场激光声信号的接收能力；

2、实现对水下目标的定位功能

利用光纤MEMS传感器阵列测量的增益和近场聚焦波束形成定位技术可以确定主要的激光致声的发射点或者反射点位置，从而能有针对性地采取定位探测措施。

附图说明

图1是本发明激光致声接收阵列聚焦定位系统其中一个实施例的结构示意图；

图2是本发明光纤MEMS传感器的结构示意图；

图3是激光致声接收阵列的工作原理框图；

图4是本发明激光致声接收阵列聚焦示意图；

图5是本发明接收聚焦算法流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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。

请参阅图1，为本发明激光致声接收阵列聚焦定位系统其中一个实施例，所述激光致声接收阵列聚焦定位系统包括激光致声接收相控阵(光纤MEMS传感器阵列)、接收时延模块、激光声信号处理模块和上位机；

所述激光致声接收相控阵，由多个光纤MEMS传感器(即光纤MEMS水听器)组成，用于接收水下激光声信号；

所述接收时延模块，与光纤MEMS传感器阵列连接，所述接收时延模块用于根据所述上位机发出的脉冲触发信号控制各路光纤MEMS传感器的工作状态,即控制各个光纤MEMS传感器的延迟来使多路发射波形偏转聚焦到空间的一点，使得该点的波形叠加增强；

所述激光声信号处理模块，与光纤MEMS传感器阵列连接，所述激光声信号处理模块用于采集各路MEMS传感器接收的水下激光声信号；

所述上位机，与接收时延模块和激光声信号处理模块连接，所述上位机用于根据障碍物到达各光纤MEMS传感器的时间延迟产生相应的脉冲触发信号来控制接收时延模块的工作状态，以及对所述激光声信号处理模块采集的激光声信号通过算法分析激光声信号在时域和频域的特性，实现对水下弱低频激光声信号的检测和定位功能。

如图1所示，激光致声接收相控阵是由若干各光纤MEMS传感器组成。光纤MEMS传感器的结构如图2所示。为了更有利于激光致声信号接收的处理，结合激光声信号的频谱特性，对光纤MEMS传感器的接收模块进行重新设计，通过激光声信号处理模块中的滤波器选择激光声信号所对应的频段，并进行放大，提高接收信号的灵敏度和精度。

当激光致声发射相控阵发射的激光声信号遇到障碍物后就会产生回波，这个回波将会被激光致声接收相控阵得到，但是由于障碍物距离不同接收单元的距离不同，因此各个阵元接收到缺陷回波的时间点也不一样，即脉冲波形在回波序列时间轴上的位置不同，存在一定时间差，通过延时抵消将回波波形相位对齐，然后叠加，可得到合成增强后的回波信号，也即障碍物的回波信号，如图3所示。由障碍物到达各光纤MEMS传感器的时间延迟是可以通过控制系统计算得到的，因此激光声信号处理模块可以对场区内的任一点进行延时抵消合成波束，从而达到动态聚焦的相控效果。

发射聚焦是通过控制各个光纤MEMS传感器晶片阵元的延迟来使多路发射波形偏转聚焦到空间的一点，使得该点的波形叠加增强。接收聚焦刚好是发射聚焦的反过程，需要计算出回波信号到达各个阵元的传播时间，根据此传播时间从各个回波序列中取出回波信息，然后叠加合成，获得聚焦点处的增强回波信号。具体实现过程如下：

1、接收阵列聚焦信号探测。

在扇形扫查方式下，发射聚焦处，所有阵元发射的波形同时抵达聚焦点，所有阵元接收零时刻以光纤MEMS传感器线阵中心为参考点，那么第j个阵元接收到聚焦点处的回波在回波序列中的时延(即障碍物到达各光纤MEMS传感器的时间延迟)为：

式中：x_j是第j个阵元接收到的回波信号，F是光纤MEMS传感器线阵中心接收到的回波信号，θ第j个阵元与阵中心的夹角，c为水下声速度。由焦点处返回的多路回波信号首先经过时间增益补偿实现时间增益控制，将远距离信号进行适当放大，减小传播衰减带来的影响。然后经过高速模拟数字转换器电路，将模拟信号转换成数字信号，接着通过数字延迟线，进行延时抵消，最后将多路信号进行合成处理，提取出焦点处的回波信息。随着数字电路以及大规模集成电路技术的高速发展，ADC模块可以更加的靠近探头阵元，使得系统可以高度数字化，可以通过软件方法来实现复杂的数字信号处理工作，完成时延抵消，接收聚焦处理，提高了系统性能。

在相控阵接收聚焦系统中，建立超声波信号模型，那么第j个阵元接收到的回波信号可以表示为：

x(t)＝A_I(t)cosω₀t-A_Q(t)sinω₀t

r_j(t)＝x_j(t-τ_j)＝A_I(t-τ_j)cosω₀(t-τ_j)-A_Q(t-τ_j)sinω₀(t-τ_j)

其中，τ_j是以中心阵元接收到的回波为参考，第j个阵元接收到波形的时延和中心阵元接收到的回波时延差。A_I(t-τ_j)和A_Q(t-τ_j)分别为第j个阵元接收回波信号的同相分量和正交分量,ω为信号角速度。首先对回波信号进行ADC采样得到：

r_j(nT_s)＝A_I(nT_s-τ_j)cosω₀(nT_s-τ_j)-A_Q(nT_s-τ_j)sinω₀(nT_s-τ_j)

其中w_r为本地参考频率，T_s为采用间隔。将得到的复基带信号存储在随机存储器中，然后进行接收信号的合成聚焦，提高信噪比，如图4所示。

2、激光致声源信号定位。

因为P点到每个阵元的距离不同，因此由P点反射的回波信号在各个通道采样序列中的位置也不同。假设由中心阵元接收到P点反射的回波信号在采样序列中的第k个点，那么第j个阵元接收到的信号将在序列中的第k+m个采样点，其中m代表第j个阵元和中心阵元的时延差，因为P点的不同而取不同的值。由此可得第j个阵元接收到P点处的回波信号为：

可以通过延迟部件来实现多个通道数据的时间对齐从而达到聚焦的效果，实现时间对齐取出包络信号。

整个算法如图5所示，高频脉冲回波信号先经过高速ADC采样后，与本地载频进行混频，然后低通滤波得到复基带信号，并存储在RAM中，对复基带信号正交分量和同相分量分别进行延时抵消，合成处理，然后平方开根号得到包络幅值信息，通过该接收声束形成算法，可以求得扫查方向上所有检测点的回波信号包络幅值。

本发明公开了一种激光致声接收阵列聚焦定位系统，该系统将利用光纤MEMS组成接收相控阵开展回波接收处理的研究，目标的回波同构介质完全反作用到各个MEMS单元，通过接收阵的延时系统对回波波形时间相位对齐，然后叠加得到回波信号。根据光纤MEMS传感器良好低频响应、窄带宽特性的接收特性，能够有效提高远场激光声信号的接收能力，通过对接收相控阵参数的调校，能够对复杂水域条件的被探测目标具有很好的检测灵活性和准确度。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (3)

1.一种激光致声接收阵列聚焦定位系统，其特征在于：包括激光致声接收相控阵、接收时延模块、激光声信号处理模块和上位机；

所述激光致声接收相控阵，由多个光纤MEMS传感器组成，用于接收水下激光声信号；

所述接收时延模块，与光纤MEMS传感器阵列连接，所述接收时延模块用于根据所述上位机发出的脉冲触发信号控制各路光纤MEMS传感器的工作状态，即控制各个光纤MEMS传感器的延迟来使多路发射波形偏转聚焦到空间的一点，使得该点的波形叠加增强；

所述激光声信号处理模块，与光纤MEMS传感器阵列连接，所述激光声信号处理模块用于采集各路MEMS传感器接收的水下激光声信号；

所述上位机，与接收时延模块和激光声信号处理模块连接，所述上位机用于根据障碍物到达各光纤MEMS传感器的时间延迟产生相应的脉冲触发信号来控制接收时延模块的工作状态，以及对所述激光声信号处理模块采集的激光声信号通过算法分析激光声信号在时域和频域的特性，实现对水下弱低频激光声信号的检测和定位功能。

2.如权利要求1所述的激光致声接收阵列聚焦定位系统，其特征在于：所述光纤MEMS传感器中设有滤波器，所述滤波器用于选择激光声信号所对应的频段。

3.如权利要求1所述的激光致声接收阵列聚焦定位系统，其特征在于：在扇形扫查方式下，发射聚焦处所有阵元发射的波形同时抵达聚焦点，所有阵元接收零时刻以光纤MEMS传感器线阵中心为参考点，第j个阵元接收到聚焦点处的回波在回波序列中的时延，即障碍物到达各光纤MEMS传感器的时间延迟，为：

式中：x_j是第j个阵元接收到的回波信号，F是光纤MEMS传感器线阵中心接收到的回波信号，θ第j个阵元与阵中心的夹角，c为水下声速度。

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