CN112857556A - 基于多光纤空间光场调制的水下微弱信号检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多光纤空间光场调制的水下微弱信号检测方法，应用于水下航行器上，水下航行器上设有水下环境微弱声波检测系统，系统包括壳体，多光纤传感器阵列，光电转换与信号调理、解调电路以及计算机；该方法包括：将多光纤传感器阵列依照预设结构布置，以构成载波信号序列；获取高频载波信号；将多光纤传感器阵列传来的光信号通过所述光电转换与信号调理、解调电路转变为电信号；然后由计算机通过信号的调制与解调，获取调制波所携带的环境状态信息；其有益效果是：通过物理布置构建高频载波信号，再利用声波信号对高频载波信号调制，将微弱低频振动转移到高频信号中，以克服当前复杂海洋环境中微弱声信号的检测困难问题。

Description

基于多光纤空间光场调制的水下微弱信号检测方法

技术领域

本发明涉及水下无人航行器环境微弱声信号动态感知技术领域，具体涉及一种基于多光纤空间光场调制的水下微弱信号检测方法。

背景技术

传统的水声信号探测传感器多为压电陶瓷类声呐，在水下声波的作用下声呐产生压电陶瓷压电效应，从而实现对水下目标信号的声波探测。在科学技术飞速发展和提高的今天，水下目标的隐蔽性和反探测技术持续加强，声呐在复杂的海洋环境中接收目标信号的信噪比逐渐降低，传统的压电陶瓷类声呐技术已经无法满足对水声弱信号的探测，光纤声呐作为先进水声探测传感器，其特点是灵敏度高、体积较小、损耗小，易于传输便于组建阵列等优势，是光纤光学与光电子学及水声学相互融合的新兴技术。

水声信号处理是水下目标探测系统核心技术之一，主要是将采集到的水声信号进行解调分析，所以对水下目标信号的精准获取和解调是水声信号处理的关键点。早期研究人员曾采用过功率谱估计、小波分析、经验模态分析、AR模型及自相关函数方法进行水声信号的处理及特征提取，然而，复杂海洋环境中的待测信号微弱或者从较远处传播，使得目标信号混叠于复杂的噪声环境中，难以准确获取，因此，亟需提升噪声背景中识别与解调弱信号的能力。

发明内容

为克服当前复杂海洋环境中微弱声信号的检测困难问题，本发明提供了一种基于多光纤空间光场调制的水下微弱信号检测方法，用以检测水下微弱的声信息。

为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

本发明实施例提供了一种基于多光纤空间光场调制的水下微弱信号检测方法，应用于水下航行器上，所述水下航行器上设有水下环境微弱声波检测系统，所述检测系统包括壳体，设置在所述壳体内的多光纤传感器阵列，光电转换与信号调理、解调电路以及计算机；所述方法包括：

将所述多光纤传感器阵列依照预设结构布置，以构成载波信号序列；

获取高频载波信号；其中，所述高频载波信号为通过对布置在所述壳体内的多光纤传感器阵列高速扫描所得；

将所述多光纤传感器阵列传来的光信号通过所述光电转换与信号调理、解调电路转变为电信号，并进行放大和滤波预处理后传入所述计算机；

然后由所述计算机通过信号的调制与解调，获取调制波所携带的环境状态信息。

作为本申请一种可选的实施方式，所述多光纤传感器阵列包括多个具有微小探头的非接触光纤位移传感器，并按一定次序构成正弦阵列布置在壳体周围；测量时对传感器阵列进行高频扫描，使得正弦阵列传感器逼近高频载波信号，实现系统工作时，环境中的微弱声波对多光纤传感器阵列所形成高频载波信号进行调制。

作为本申请一种可选的实施方式，所述多光纤传感器阵列可根据壳体尺寸、振型变化，布置成沿壳体周向分布、轴向分布或沿壳体内部成螺旋分布。

作为本申请一种可选的实施方式，所述方法还包括：

对所述多光纤传感器阵列所获取信号重新排序，并根据环境工况自适应调制各传感器组合，形成变结构的载波阵列。

作为本申请一种可选的实施方式，通过所述计算机中对信号形成的曲线进行相关分析和功率谱分析。

作为本申请一种可选的实施方式，所述多光纤传感器阵列中的传感器也可采用具有微小探头结构的电容传感器、柔性涡电流传感器进行替代。

采用上述技术方案，具有以下优点：本发明提出的一种基于多光纤空间光场调制的水下微弱信号检测方法，通过采用多光纤传感器阵列的物理布置构建高频载波信号，再利用水下声波信号对高频光场载波信号的调制，将水下环境中的微弱低频振动转移到高频信号中，信号不容易被噪声湮没，能准确可靠地获得水下微弱的低频声振动信息，从而能够在线、实时地监测不同频率的微弱声波，为水下复杂环境，特别是水下无人航行器水下环境感知、目标识别奠定基础，有利于提高我国水下航行器的安全性和对复杂海洋环境的适应能力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1是本发明实施例提供的一种基于多光纤空间光场调制的水下微弱信号检测方法的流程图；

图2是本发明实施例中水下环境微弱声波检测系统的构成示意图；

图3是本发明实施例中光纤位移传感器沿壳体周向布置示意图；

图4是本发明实施例中多光纤传感器阵列沿承载壳体呈螺旋线布置示意图；

图5是本发明实施例中提供的一种水下微弱声波示意图；

图6是本发明实施例中提供的一种声波调制波示意图。

附图标记说明：

101—壳体；102—传感器安装孔；103—多光纤传感器阵列；104—光源及电源；105—光电转换与信号调理、解调电路；106—计算机。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只是作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。

需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。

请参考图1至图4，是本发明实施例所提供的一种基于多光纤空间光场调制的水下微弱信号检测方法，应用于水下航行器上，所述水下航行器上设有水下环境微弱声波检测系统，所述检测系统包括壳体101，设置在所述壳体内的多光纤传感器阵列103，光电转换与信号调理、解调电路105以及计算机106；所述方法包括：

S101，将所述多光纤传感器阵列103依照预设结构布置，以构成载波信号序列；其中，所述预设结构可采用正弦结构。

S102，获取高频载波信号；其中，所述高频载波信号为通过对布置在所述壳体内的多光纤传感器阵列高速扫描所得；例如，可通过采集卡进行处理。

具体地，所述多光纤传感器阵列103包括多个具有微小探头的非接触光纤位移传感器，并按一定次序构成正弦阵列布置在壳体周围；测量时对传感器阵列进行高频扫描，使得正弦阵列传感器逼近高频载波信号，实现系统工作时，环境中的微弱声波对多光纤传感器阵列所形成高频载波信号进行调制；利用水下声波的微弱低频振动信号对光纤位移流传感阵列构建的高频载波信号进行调制，具有较强的抗干扰能力。

在其他实施例中，所述多光纤传感器阵列中的传感器也可采用具有微小探头结构的电容传感器、柔性涡电流传感器进行替代。

S103，将所述多光纤传感器阵列103传来的光信号通过所述光电转换与信号调理、解调电路105转变为电信号，并进行放大和滤波预处理后传入所述计算机106；

S104，然后由所述计算机106通过信号的调制与解调，获取调制波所携带的环境状态信息。

具体地，可通过所述计算机中对信号形成的曲线进行分析和功率谱分析。

实施时，壳体101包括多个传感器安装孔102，形成阵列的光纤位移传感器安装在所述传感器安装孔102内，壳体101通过接线束固定在水下航行器上，其中，多光纤传感器阵列103所使用的光源由放置于壳体101内的光源及电源104系统提供；壳体101内还设有相关信号采集卡、调理盒等。

考虑到壳体结构设计及其应变特点，对水下环境中声波信号的拾取使用非接触式光纤位移传感器，光纤位移传感器探头尺寸小，质量轻，安装容易且测量灵敏度高，抗电磁干扰能力强，测量精度高，能高速动态的拾取被测表面与传感器探头之间的距离；为实现光纤传感器对声波的精准拾取，必须配套使用光电转换与信号调理、解调电路105，实现准确采集声压对壳体结构应变的影响。

为实现微弱声波信号的动态精密获取，将多个非接触式光纤位移传感器布置成阵列结构，并安装在图2所示带孔传感器壳体内，开孔处根据传感器设计要求采用对声压敏感的材料。传感器阵列的布置如图3和图4所示：传感器沿壳体周向(传感器安装点即为开孔处)和轴向均按离散的正弦曲线分布，图中的每一个点均代表一个光纤传感器探头，即形成的高频载波信号为正弦曲线。

具体地，本发明使用的是阵列形式的光纤位移传感器，传感器数目根据实际测量情况而定，而且布置方位可以横向、纵向与倾斜布置，这里只选择一种布置方式进行说明，并不是对其进行限制。

上述技术方案，通过将多个具有微小探头的非接触光纤位移传感器按一定次序构成正弦阵列布置在壳体内，在测量时对传感器阵列进行高频扫描，使得正弦阵列传感器逼近高频载波信号；

检测系统工作时，利用水下环境中的微弱声振信号对多传感器阵列所形成高频载波信号进行调制，结合“光纤+应变”，拾取环境中的低频声信号；信号调理与解调电路固定于水下航行器信号调理盒内；

传感器阵列可结合传感器安装承载壳体尺寸、水下环境对带孔壳体应变的影响规律、水下声信号的传播特征等，在理论计算基础上布置成沿壳体内部周向分布、轴向分布，也可沿壳体轴线沿壳体内壁成螺旋分布。

上述水下微弱声信号检测方法的优点明显：1.该方法同时关注了水下声波信号在三维空间内的变化大小和方向，更全面、更具体反映水下环境声信号特征。2.借助多传感构建高频载波信号，将水下环境中的微弱低频振动转移到高频信号中，信号不容易被噪声湮没，能准确可靠地获得水下微弱的低频声振动信息，为水下环境的探测和目标识别奠定基础。

基于上述传感器阵列，在测量时，对多光纤传感器阵列高频扫描，若环境中没有声压信号，将所测得单次离散信号进行拟合，可得到图3或图4所示展开后的正弦曲线信号，该信号即为高频载波信号，其信号表示为：

y(t)＝sin 2πf₀t

若环境中产生微弱声波，该声波产生的声压可用一个低频信号x(t)表示，如图5所示，此时，该微小声压导致壳体开孔处各点受力不均匀，相对与传感器探头发生应变，即这一微弱声波对高频载波信号y(t)进行调制，得到已调制信号ym(t)，如图6所示。

y_m(t)＝x(t)sin 2πf₀t

由信号的调制与解调相关原理可见，声波信号与高频载波相乘，所形成的调制波被相匹配的接收装置接收后存入计算机。然后，用一个低通滤波器滤去中心频率为2f0的高频成分，便可获取被测声波信号的频谱，识别出声源，并通过进一步的模式识别，实现目标的获取。

进一步地，多光纤传感器构建的阵列可根据传感器壳体尺寸、工况结合上位机的程序构建可重构的变参数载波序列，实现对不同频率要求的声波信号的精准拾取。

即，对所述多光纤传感器阵列所获取信号重新排序，并根据环境工况自适应调制各传感器组合，形成变结构的载波阵列；也就是说，可通过控制各光纤位移传感器的光强，对其进行重构，使其得到不同的高频光场载波阵列，以适用于不同频率、搭载不同的壳体形状，从而扩大其应用范围，提升其兼容性。

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，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改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以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种基于多光纤空间光场调制的水下微弱信号检测方法，应用于水下航行器上，所述水下航行器上设有水下环境微弱声波检测系统，其特征在于，所述检测系统包括壳体，设置在所述壳体内的多光纤传感器阵列，光电转换与信号调理、解调电路以及计算机；所述方法包括：

将所述多光纤传感器阵列依照预设结构布置，以构成载波信号序列；

获取高频载波信号；其中，所述高频载波信号为通过对布置在所述壳体内的多光纤传感器阵列高速扫描所得；

将所述多光纤传感器阵列传来的光信号通过所述光电转换与信号调理、解调电路转变为电信号，并进行放大和滤波预处理后传入所述计算机；

然后由所述计算机通过信号的调制与解调，获取调制波所携带的环境状态信息。

2.如权利要求1所述的基于多光纤空间光场调制的水下微弱信号检测方法，其特征在于，所述多光纤传感器阵列包括多个具有微小探头的非接触光纤位移传感器，并按一定次序构成正弦阵列布置在壳体周围；测量时对传感器阵列进行高频扫描，使得正弦阵列传感器逼近高频载波信号，实现系统工作时，环境中的微弱声波对多光纤传感器阵列所形成高频载波信号进行调制。

3.如权利要求2所述的基于多光纤空间光场调制的水下微弱信号检测方法，其特征在于，所述多光纤传感器阵列可根据壳体尺寸、振型变化，布置成沿壳体周向分布、轴向分布或沿壳体内部成螺旋分布。

4.如权利要求2所述的基于多光纤空间光场调制的水下微弱信号检测方法，其特征在于，所述方法还包括：

对所述多光纤传感器阵列所获取信号重新排序，并根据环境工况自适应调制各传感器组合，形成变结构的载波阵列。

5.如权利要求2所述的基于多光纤空间光场调制的水下微弱信号检测方法，其特征在于，通过所述计算机中对信号形成的曲线进行相关分析和功率谱分析。

6.如权利要求2所述的基于多光纤空间光场调制的水下微弱信号检测方法，其特征在于，所述多光纤传感器阵列中的传感器也可采用具有微小探头结构的电容传感器、柔性涡电流传感器进行替代。

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