CN113432702B - 一种基于光学外差的海洋跨空泡层声信号探测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于光学外差的海洋跨空泡层声信号探测系统及方法，基于光学外差方法对远处声源传播至空泡层的声压引起的空泡表面的微幅振动进行探测，进而实现远处声信号的探测。由高灵敏度光电探测系统得到外差干涉信号，通过解调算法得到空泡表面固有低频大幅扰动以及声源引起的相对高频微幅扰动叠加产生的时域振动波形信号，通过信号处理模块得到目标频率特征进行反演；同时提出了一种基于四元阵时延估计的定位方案，所述方案在航行器端进行四元阵列的探测系统排布，通过对阵列探测空泡表面时域振动波形信号的时延估计，对目标距离进行反演并得到方位角信息，实现基于时延估计的定位功能。

Description

一种基于光学外差的海洋跨空泡层声信号探测系统及方法

技术领域

本发明属于水下声信号检测识别技术领域，具体涉及一种利用光学外差干涉实现对海洋中高速航行器空泡表面微振幅的检测的技术，实现对远端声信号的探测与定位。

背景技术

水下声信号检测是海洋领域的热点技术之一。海洋是声信号传播的理想信道，在深海声道中爆炸一个几公斤的炸弹，在两万公里外还可以收到信号，低频的声波还可以穿透海底几千米的地层，并且得到地层中的信息。因此，在海洋信道中实现声信号检测具有简单、易实现等特点。然而，对于某些速度较高的水下航行器，其航行过程中在航行器外部可产生空泡结构减小阻力，此时航行器周围为气相介质，空泡与水体交界面处为空泡层，当远处声源向空泡辐射声压时，由于空泡层两端声阻抗失配量极大，空泡层充当了较为理想的压力释放界面，形成远端声信号引起的微幅波动，与此同时极为少量的声压信号能透过空泡层传输至航行器上的传感器，使得直接利用声信号进行被动探测可行性不高。

1988年即有报道利用声信号产生的跨介质层表面的微扰可对激光束进行调制，且人们证明了声源在介质表面激起的微波其振动频率等于声源频率。对于跨介质层表面微幅波的探测，激光衍射检测是一种发展较早的检测方法，具有非接触的优势，适用于低频信号的探测，探测频段为几十到几百赫兹，但是其探测系统结构较大，显然不利于在水下航行器集成；通过光通量测量结构简单，探测面积大，探测范围可达400-3000Hz，但结果容易受到杂散光的影响，精确度很低；通过干涉法测量优势明显，其为非接触测量，测量精度高，可采用光纤结构，较为紧凑，光路内部抗干扰能力强，探测频段范围最广，通过改进算法设置可以实现降噪和多频段探测，进行集成化精确采集回波信号并进行降噪，有着广阔的应用前景。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种基于光学外差的海洋跨空泡层声信号探测系统及方法，针对远端声源在航行器空泡层表面引起的微幅扰动，利用光学外差方法，使得参考光与受到微幅扰动调制的信号光在光纤系统中干涉，对于干涉信号进行处理，通过解相、谱分析等方法可获取空泡外表面的波动信号，从波动信号原始时域波形中可判断探测水域内是否有发声目标并分析发声目标的特性，对于航行器端四元阵列的探测系统解调出的波动信号进行时延估计，对目标距离进行反演并得到方位角信息，实现基于时延估计的定位功能。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于光学外差的海洋跨空泡层声信号探测系统，设置于航行器内，航行器的表面均匀设置有探测点；所述探测系统包括激光器、隔离器、第一耦合器、环形器、准直器、衰减器、压电致动器件、第二耦合器和信号处理模块；所述激光器、隔离器和第一耦合器依次设置，所述环形器设置有a、b、c三个端口，所述激光器射出的激光信号经过隔离器后入射至第一耦合器，所述第一耦合器输出信号光路和参考光路；所述参考光路依次经过衰减器和压电致动器件后入射至第二耦合器；所述信号光路从所述环形器的a端口输入，并在b端口输出，后经过所述准直器和探测点正入射至空泡表面，在空泡表面经过声信号引起的表面微幅波振动的调制后后向散射至准直器，从环形器的c端口输出，与参考光路在第二个耦合器中实现干涉，第二耦合器和信号处理模块相连，最后通过信号处理模块得到目标频率特征并对目标距离进行反演得到方位角信息，实现基于时延估计的定位。

进一步的，所述探测点设置有四个，相应的通过四个信号探测系统实现四元阵列的信号探测系统排布，四元阵列的信号探测系统对称分布于水下航行器横向截面处的四个直角点。

进一步的，所述激光器输出的激光波长为1550nm单频激光。

进一步的，所述第一耦合器为1×2型，输出的参考光路和信号光路的分光比为1:99。

进一步的，所述第二耦合器为3×3型，分光比为1：1：1，三路产生的附加相位分别为-α、0和α。

本发明还提供一种基于光学外差的海洋跨空泡层声信号探测与定位方法，包括以下步骤：

(1)打开信号探测系统，对空泡表面的微振动进行探测，在参考光路上引入压电陶瓷PZT作为压电致动器件产生高频信号，即利用高频余弦波进行调制，得到第二耦合器输出的三路信号；

(2)信号处理模块中，对附加相位为-α的第一路信号与附加相位为α的第三路信号分别进行去直流与反余弦处理，随后对第一路信号数据进行平方，第三路不做处理，之后经过高通滤波器后分别与附加相位为0的第二路信号混频，最终得到两路正交信号；设置循环结构，若输出的正交信号低于参考电平，重新驱动压电陶瓷产生高频载波；若输出的正交信号高于参考电平直接进行后续信号处理，实现正交信号的探测；

(3)对两路正交信号通过集成于信号处理模块内的微分交叉相乘算法和高通滤波器解调出空泡表面的微振动信号；

(4)四个探测系统实时探测到空泡表面的微振动信号后，定义一个参考探测系统，对其他探测系统的三路信号进行进一步的时延估计，即经过步骤(2)、(3)的运算，期望得到空泡表面的微振动信号，考虑探测系统接收系数和系统噪声的影响得到实际解调出来的信号，将实际解调出的信号视为空泡表面的微振动离散波形信号，四路空泡表面微振动离散波形信号采用广义互相关函数进一步滤波加权，随后经过与参考探测系统离散信号的相乘、积分与平方，得到其他三个探测系统与参考探测系统之间的时延差异；

(5)对目标距离进行反演并得到方位角信息，实现基于上述算法的定位功能。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

1.本发明利用“激光-声”联合探测对空泡表面的微振动进行探测。目前对于跨空泡探测声信号的水下航行器平台尚无理想探测方法，主要问题在于海水中传播性能最佳的声波在空泡处声学干扰影响大，端头混相介质对声音的衰减大，导致跨空泡层后的声探测结果虚警率高且探测距离短。本发明提出的水下航行器“激光-声”联合探测技术在空泡内部利用激光探测，探测远处声源经海洋信道传递到空泡表面引起的振动，在空泡内部气相介质中利用光作为信号传播载体，发挥了声光信号的各自优势信道，把激光技术与声学和电子学方法有效结合起来，能够克服跨空泡水下航行器声呐、被动水听器、蓝绿激光雷达等单一信道系统探测能力的不足，实现宽带、远距离以及更加准确的探测，对相关特殊水下航行器的声信号探测与定位具有重要意义。

2.本发明应用柔性光纤集成在水下航行器上，利用光纤体积小、重量轻、光路内部抗干扰能力强等优点，便于小型化、集成化，结构简单，易于调节，使用灵活，防止受到环境因素如电磁因素的干扰。

3.本发明探测定位方法针对水下声源方位探测问题，基于多点光声探测阵列通过多点处振动信号产生的时延对目标进行定位，相比于已有的四路信号臂的光纤水听器，利用声信号时延而非光信号，时延量在毫秒量级，更易于实现精确探测。

4.本发明基于3×3耦合器以及高频载波的引入，避免了经常使用的干涉信号与引入高频信号混频的方法实现过程中产生的时间差，降低了系统的复杂度，设计了一种从光电信号直接解调出相应波形并进一步实现时延估计的全过程系统算法，为从空泡层的微振幅信号到实现远处定位的总体计算过程提供了一种参考。

附图说明

图1为本发明单个探测系统对空泡表面进行微振幅探测的探测状态示意图；

图2为本发明实施例提供的多点光声探测阵列，四个探测系统附着在航行器实体上，以实现目标定位技术的示意图；

图3为本发明实施例提供的从光电信号直接解调出相应波形，并进一步实现时延估计的全过程算法示意图。

附图标记：1-激光器，2-隔离器，3-耦合器，4-环形器，5-准直器，6-衰减器，7-压电致动器件，8-耦合器，9-信号处理模块。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明提供一种基于光学外差的海洋跨空泡层声信号探测系统，探测过程包括1550nm单频窄线宽激光器1经过隔离器2，防止回波对激光器造成干扰，随后经过第一个耦合器3分成两路光路，分别为信号光路和参考光路，信号光路从环形器4的a端口输入，随后在b端口输出，经过准直器以近0°正入射至空泡表面，经过声信号引起的表面微幅波的调制后后向散射至准直器5，从环形器4的c端口输出，与经过衰减器6和压电致动器件7的参考光路在第二个耦合器8中实现干涉。

图3示出了本实施例信号探测与定位算法流程，下面对基于光学外差的海洋跨空泡层声信号探测与定位的算法流程进行具体阐述：

当不存在发声的被探测目标时，空泡层边界的水气界面也会存在一定的波动(背景)，可以看作是由多个正弦波信号组成：

其中，A_n、f_n、

分别为背景表面波的振幅、频率和初始相位。假设在某位置存在一个发声频率为f_s的声源，其发声信号可以有效传至空泡层水气边界并引起水界面的微幅振动(信号)，此时水界面的波动可以视为背景和信号的叠加：

其中，A_s、f_s、

分别为远处声信号引起的空泡表面波的振幅、频率和初始相位。

进一步的，基于光学外差的海洋跨空泡层声信号探测与定位方法，将探测系统集成于水下航行器实体上，对空泡表面的微振动进行探测，其原理基于光纤结构的马赫-曾德干涉仪，1550nm单频窄线宽激光器1经过隔离器2，防止回波对激光器造成干扰，随后经过第一个耦合器3分成信号光路和参考光路两路光路，分光比为1:99，信号光路从环形器4的a端口输入，随后在b端口输出，经过准直器5以近0°正入射至空泡表面，经过由声信号引起的表面微幅波的调制后后向散射至准直器5，从环形器的c端口输出，与经过衰减器6和压电致动器件7的参考光路在第二个耦合器8中实现干涉，所用耦合器8典型特征为3×3全对称耦合器，三路输出相位差为α，干涉信号分别为：

其中，A₁、A₂、A₃为直流分量，B₁、B₂、B₃分别为交流分量的幅值，L₁、L₂为两臂的固有光程，考虑单频源，并且为简化表达式，可令：

表示由信号光路和参考光路固有的光程差、背景表面波两个因素引起的光程差叠加引起的相位改变。

进一步的，提供一种实现从空泡表面频率探测到定位的信号处理算法，为防止声源频带与空泡表面固有表面波的频带混叠，在参考光路上引入压电陶瓷PZT，采用高频余弦波进行调制，调制深度为C，引入的高频余弦波的初始相位为

结合上式，耦合器8三路输出分别可表示为：

进一步的，对于第一路与第三路信号分别进行去直流与反余弦处理，随后对第一路平方，第三路不处理，经过高通滤波器得到高频载波的一倍频和二倍频信号，将得到的信号分别与第二路信号混频，并对混频信号进行贝塞尔展开，得到两路正交输出信号分别为：

为防止初始相位

引起正交信号的消隐，在这一步需对硬件进行设计，若正交输出信号低于某参考电平，需重新驱动压电陶瓷产生高频载波，实现正交信号的探测。

进一步的，对两路正交输出信号进行微分交叉相乘(DSM)，通过高通滤波器解调出空泡表面的微振动信号，并将解调出的空泡表面的微振动信号定义为s(t)。

进一步的，针对水下航行器实体上的呈四元阵列排布的信号探测系统，对于解调出的空泡表面的微振动信号s(t)，进行进一步的三路时延估计，求解声压信号辐射至空泡表面探测点的时延。首先应确保对四路激光信号同时触发，精度达到μs量级，由于声压信号传至空泡表面需要一定时间，因此实际上对于第i个探测系统，有：

其中τ_i为声压信号传至空泡表面探测点所需时间。时延估计可采用多种算法，本实施例提供一种基于广义互相关函数的算法供参考。设第i个探测系统接收到空泡表面微振动离散波形信号为x_i(n)，有：

x_i(n)＝α_is(n-τ_i)+v_i(n)

其中α_i为第i个探测系统的接收系数，τ_i为由于远处声源距离空泡表面第i个探测系统的探测点距离不等导致的时延，v_i(n)为第i个探测系统的噪声信号。经过所述解调算法的运算，对得到的四路空泡表面微振动离散波形信号采用广义互相关函数进一步滤波加权，随后经过与参考探测系统离散信号的相乘、积分与平方等，得到第i个探测系统与参考探测系统之间的时延差异。

最后结合如图2所示的水下航行器实体上呈四元阵列排布的信号探测系统，对目标距离进行反演并得到方位角信息，实现基于上述算法的定位功能。

具体的，本实施例中的探测系统激光源中心波长为1550nm，输出功率约为100mW，确保探测系统可以实现探测，线宽较窄，输出功率稳定；采用单模石英光纤，9μm芯径。

耦合器3为1×2型，分光比为1：99，保证参考光与信号光光强量级一致，以实现效果较好的干涉，同时可调节参考臂上的衰减器，可实现衰减系数的手动调节，所用1550nm波长下衰减系数1.5-50dB。耦合器8为3×3型，分光比为1：1：1，通过熔融拉锥工艺实现，理想条件下三路输出的相位差为120°。

本探测系统所用典型准直器5工作距离为5mm左右，出光光束直径为百微米量级，可进行空泡表面的单点探测。

本探测系统信号处理模块中将干涉信号转化为电信号的光电探测器为InGaAsAPD光探测模块，响应波长范围为800-1700nm，光敏面直径为75μm，3dB带宽为100MHz，饱和光功率达9μW，转换增益达4×10⁵V/W。

综上，本发明信号探测系统与定位方法是针对海洋环境中一些航行器产生的空泡层，提出的一种新的远端声源频率探测方案，基于光学外差方法对远处声源传播至空泡层的声压引起的空泡表面的微幅振动进行探测，进而实现远处声信号的探测。由高灵敏度光电探测系统得到外差干涉信号，通过解调算法得到空泡表面固有低频大幅扰动以及声源引起的相对高频微幅扰动叠加产生的时域振动波形信号，通过时频分析与傅里叶变换滤波，得到目标频率特征进行反演；同时提出了一种基于四元阵列的时延估计的定位方案，本发明技术方案在航行器端进行四元阵列的探测系统排布，通过对阵列探测空泡表面时域振动波形信号的时延估计，对目标距离进行反演并得到方位角信息，实现基于时延估计的定位功能。

本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于光学外差的海洋跨空泡层声信号探测与定位方法，采用基于光学外差的海洋跨空泡层声信号探测系统，所述探测系统设置于航行器内，航行器的表面均匀设置有探测点；所述探测系统包括激光器、隔离器、第一耦合器、环形器、准直器、衰减器、压电致动器件、第二耦合器和信号处理模块；所述激光器、隔离器和第一耦合器依次设置，所述环形器设置有a、b、c三个端口，所述激光器射出的激光信号经过隔离器后入射至第一耦合器，所述第一耦合器输出信号光路和参考光路；所述参考光路依次经过衰减器和压电致动器件后入射至第二耦合器；所述信号光路从所述环形器的a端口输入，并在b端口输出，后经过所述准直器和探测点正入射至空泡表面，在空泡表面经过声信号引起的表面微幅波振动的调制后后向散射至准直器，从环形器的c端口输出，与参考光路在第二个耦合器中实现干涉，第二耦合器和信号处理模块相连，最后通过信号处理模块得到目标频率特征并对目标距离进行反演得到方位角信息，实现基于时延估计的定位；其特征在于，包括以下步骤：

(1)打开信号探测系统，对空泡表面的微振动进行探测，在参考光路上引入压电陶瓷PZT作为压电致动器件产生高频信号，即利用高频余弦波进行调制，得到第二耦合器输出的三路信号；

(2)信号处理模块中，对附加相位为-α的第一路信号与附加相位为α的第三路信号分别进行去直流与反余弦处理，随后对第一路信号数据进行平方，第三路不做处理，之后经过高通滤波器后分别与附加相位为0的第二路信号混频，最终得到两路正交信号；设置循环结构，若输出的正交信号低于参考电平，重新驱动压电陶瓷PZT产生高频载波；若输出的正交信号高于参考电平直接进行后续信号处理，实现正交信号的探测；

(3)对两路正交信号通过集成于信号处理模块内的微分交叉相乘算法和高通滤波器解调出空泡表面的微振动信号；

(4)四个探测系统实时探测到空泡表面的微振动信号后，定义一个参考探测系统，对其他探测系统的三路信号进行进一步的时延估计，即经过步骤(2)、(3)的运算，期望得到空泡表面的微振动信号，考虑探测系统接收系数和系统噪声的影响得到实际解调出来的信号，将实际解调出的信号视为空泡表面的微振动离散波形信号，四路空泡表面微振动离散波形信号采用广义互相关函数进一步滤波加权，随后经过与参考探测系统离散信号的相乘、积分与平方，得到其他三个探测系统与参考探测系统之间的时延差异；

(5)对目标距离进行反演并得到方位角信息，实现基于上述算法的定位功能。

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