CN113466869B - 一种基于激光致声的水下目标探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于激光致声的水下目标探测方法，属于水下目标探测技术领域，该方法包括如下步骤：将一探测器置于水下，其中，探测器包括一呈半球形碗状的反射壳体和多个扩束聚焦装置；利用一主控上位机控制一激光器发出激光信号，并利用分束器将激光信号分化为多束分激光信号，分激光信号传输至扩束聚焦装置并通过扩束聚焦装置汇聚于反射壳体的球心位置处，水在球心位置处发生光击穿效应以产生声波信号，反射壳体的内表面反射朝向反射壳体发出的声波信号；利用水听器采集被水下目标物反射的声波信号并上传至主控上位机。本发明通过产生高指向性的平面波激光致声信号实现水下目标探测，增强了水下目标探测的指向性。

Description

一种基于激光致声的水下目标探测方法

技术领域

本发明属于水下目标探测技术领域，尤其涉及一种基于激光致声的水下目标探测方法。

背景技术

随着军事现代化技术的不断发展和进步，海军水下作战的环境变得越来越复杂，水下先进潜航降噪技术及众多新型无人潜航器技术快速发展，传统意义的水下制导系统已经不能满足当今的信息化作战的趋势和大环境，特别是水下探测制导装备的探测距离、精度、抗复杂背景干扰等技术应用问题日益突出。

目前，水下目标探测主要有光学探测和声学探测两种手段。其中，光学探测主要利用成像的方法探测水下目标，然而，水下光波的传播衰减非常大，传播和测量的距离有限。声学探测是水下目标探测的主流技术，主要是利用声纳探测水下目标，然而，声纳技术在探测精度、抗干扰能力以及机动性等方面的不足已成为水下制导武器目标精确探测所面临的亟待解决的问题。近年来，由于激光致声具有非接触式、窄脉冲、宽频谱、机动灵活等特性，激光致声水下目标探测技术逐渐发展，例如专利CN110389345A公开的基于激光致声扫描方式的水下目标探测系统和方法。然而，现阶段激光致声技术主要是将激光器产生的强脉冲激光直接聚焦在水介质中，发生光击穿效应，产生的声波信号为球面波信号，进行水下目标探测时具有指向性差、分辨率低、探测距离误差大的缺点，不能满足高指向性、高精度、高分辨率探测的需求。

发明内容

针对现有激光致声水下目标探测技术中存在的不足之处，本发明提供了一种基于激光致声的水下目标探测方法，其通过产生高指向性的平面波激光致声信号实现水下目标探测，能够解决现有激光致声水下目标探测技术中存在的指向性差的技术问题。

本发明提供一种基于激光致声的水下目标探测方法，包括如下步骤：

探测准备步骤：将一探测器置于水下，其中，探测器包括一呈半球形碗状的反射壳体和多个扩束聚焦装置，扩束聚焦装置的激光出口均朝向反射壳体的球心位置处，反射壳体的内表面设置为声反射面；

发信号步骤：利用一主控上位机通过通信控制一激光器发出激光信号，并利用分束器将激光信号分化为多束分激光信号，分激光信号与扩束聚焦装置数量一致且一一对应，分激光信号传输至与其对应的扩束聚焦装置并通过扩束聚焦装置汇聚于反射壳体的球心位置处，水在球心位置处发生光击穿效应以产生声波信号，反射壳体的内表面反射朝向反射壳体发出的部分声波信号以约束该部分声波信号的传播方向；

收信号步骤：利用水听器采集被水下目标物反射的声波信号，并通过通信将采集到的信号上传至主控上位机，主控上位机根据水听器上传的信号定位水下目标物。

本技术方案通过产生高指向性的平面波激光致声信号实现水下目标探测，解决了现有激光致声水下目标探测技术中存在的指向性差的技术问题。

在其中一些实施例中，发信号步骤中，通过分束器分化产生的分激光信号具有相同的能量，有利于通过光击穿效应产生更稳定的声波信号，声源质量更好。

在其中一些实施例中，激光器为光纤激光器，分束器为光纤分束器。

在其中一些实施例中，激光信号的波长为1064nm、输出能量为600mJ、脉冲宽度为6-8ns，更有利于产生击穿效应。

在其中一些实施例中，扩束聚焦装置安装于反射壳体上且靠近反射壳体的敞口侧边缘设置，扩束聚焦装置沿反射壳体的敞口侧的周向均布，更有利于产生击穿效应。

在其中一些实施例中，探测器还包括与反射壳体的敞口侧对接的延伸筒体，延伸筒体的内壁为声波振面，发信号步骤中，还包括通过延伸筒体的内壁约束未经反射壳体反射的部分声波信号的传播方向，有利于提高指向性。

在其中一些实施例中，扩束聚焦装置安装于延伸筒体上且靠近反射壳体的敞口侧边缘设置，扩束聚焦装置沿延伸筒体的周向均布，更有利于产生击穿效应。

在其中一些实施例中，扩束聚焦装置包括用于扩束的扩束件和用于聚焦的聚焦件。

在其中一些实施例中，收信号步骤中，利用水听器采集被水下目标物反射的声波信号的过程中，包括在水下移动探测器的步骤，直至水听器采集到被水下目标物反射的声波信号。本技术方案通过探测器在水下的移动，可增强声源信号的可移动性，提高了水下目标探测的可机动性。

在其中一些实施例中，收信号步骤中，水听器将采集到的声波信号转换为电信号，并将电信号上传至主控上位机。

在其中一些实施例中，水听器固定安装于延伸筒体的外壁，水听器为多个，多个水听器绕延伸筒体的周向均布于延伸筒体的外壁，更便于回收水听器，且有利于提高声波信号的接收效果。

基于上述技术方案，本发明实施例中提供的基于激光致声的水下目标探测方法，通过产生高指向性的平面波激光致声信号实现水下目标探测，提高了水下目标的探测精度及灵敏度，增强了水下目标探测的指向性。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例提供的基于激光致声的水下目标探测方法的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的基于激光致声的水下目标探测方法中安装有水听器的探测器的结构示意图。

图中：

1、激光器；2、分束器；3、探测器；31、反射壳体；32、扩束聚焦装置；33、延伸筒体；4、水听器；5、主控上位机；6、水下目标物；7、卡具。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明的实施例，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。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图2所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，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。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如附图1所示，在本发明实施例提供了一种基于激光致声的水下目标探测方法，包括如下步骤：

S1探测准备步骤：将一探测器3置于水下，其中，探测器3包括一呈半球形碗状的反射壳体31和多个扩束聚焦装置32，扩束聚焦装置32的激光出口均朝向反射壳体31的球心位置处，反射壳体31的内表面设置为声反射面；

S2发信号步骤：利用一主控上位机5通过通信控制一激光器1发出激光信号，并利用分束器2将激光信号分化为多束分激光信号，分激光信号与扩束聚焦装置32数量一致且一一对应，分激光信号传输至与其对应的扩束聚焦装置32并通过扩束聚焦装置32汇聚于反射壳体31的球心位置处，水在球心位置处发生光击穿效应以产生声波信号，反射壳体31的内表面反射朝向反射壳体31发出的部分声波信号以约束该部分声波信号的传播方向，形成平面波信号，其他方向的声波信号不经反射直接传播；

S3收信号步骤：利用水听器4采集被水下目标物6反射的声波信号，并通过通信将采集到的信号上传至主控上位机5，主控上位机5根据水听器4上传的信号定位水下目标物6。

上述基于激光致声的水下目标探测方法中，利用激光器1配合分束器2产生多束激光，进而通过探测器3上设置的扩束聚焦装置32将多束激光聚焦至探测器3的反射壳体31的球心处，利用水的光击穿效应将激光能量转换为声波能量，并利用半球形的反射壳体31反射声波形成高指向性的平面波信号，增强了水下目标探测的指向性，提高了水下目标探测精度及灵敏度。同时，上述基于激光致声的水下目标探测方法中，多束分激光信号共同作用于探测器3的反射壳体31的球心位置处，更有利于产生击穿效应，在球心位置处产生的声源质量更好，具有声压级高、频谱宽的特点。

在一些实施例中，S2发信号步骤中，通过分束器2分化产生的分激光信号具有相同的能量，有利于通过光击穿效应产生更稳定的声波信号，声源质量更好。

在一些实施例中，激光器1优选为光纤激光器以发出强脉冲激光，且光纤激光器结构简单、体积小，易实现机动性测量。本实施例中，分束器2优选为光纤分束器，具体为1X6光纤分束器，其能够将激光器1产生的激光信号分化为均等能量的6束分激光信号。

在一些实施例中，激光信号的波长优选为1064nm、输出能量优选为600mJ、脉冲宽度优选为6-8ns，更有利于产生击穿效应。

在一些实施例中，如图2所示，探测器3还包括与反射壳体31的敞口侧对接的延伸筒体33，延伸筒体33的内壁为声波振面，发信号步骤中，还包括通过延伸筒体33的内壁约束未经反射壳体31反射的部分声波信号的传播方向，有利于提高指向性。

在一些实施例中，如图2所示，扩束聚焦装置32优选安装于延伸筒体33上且靠近反射壳体31的敞口侧边缘设置，扩束聚焦装置32沿延伸筒体33的周向均布，更有利于约束声波信号的传播方向。可以理解的是，本领域技术人员也可以直接将扩束聚焦装置32安装于反射壳体31上，扩束聚焦装置32优选靠近反射壳体31的敞口侧边缘设置，扩束聚焦装置32沿反射壳体31的敞口侧的周向均布。

针对扩束聚焦装置32，需要说明的是，扩束聚焦装置32包括用于扩束的扩束件和用于聚焦的聚焦件，其中，扩束件可采用扩束镜等，聚焦件可采用聚焦镜等。

在一些实施例中，S3收信号步骤中，利用水听器4采集被水下目标物6反射的声波信号的过程中，包括在水下移动探测器3的步骤，直至水听器4采集到被水下目标物6反射的声波信号。通过探测器3在水下的移动，可增强声源信号的可移动性，提高了水下目标探测的可机动性。

在一些实施例中，S3收信号步骤中，水听器4将采集到的声波信号转换为电信号，并将电信号上传至主控上位机5。

在一些实施例中，为了便于回收水听器4，如图2所示，水听器4固定安装于延伸筒体33的外壁。需要说明的是，本实施例中，水听器4通过卡具7固定于延伸筒体33外壁上。为了提高声波信号的接收效果，水听器4优选设置为多个，本实施例中具体为4个，4个水听器4绕延伸筒体33的周向均布于延伸筒体33的外壁。

下面简述实现水下目标探测精确定位的影响因素：探测器的反射壳体的尺寸是决定声波信号在一定角度内发射的重要条件，也是实现声波高指向性的重要因素。根据声远场辐射特性推导，声波指向b(θ)的表达式如下：

式(1)中：l为探测器反射壳体的半径；k为激光致声的波数；θ为声波场的方向角；J₁为1阶贝塞尔函数。

激光致声信号的声源级SL的表达式如下：

式(2)中：t为时间；p(t)为激光致声的声强；τ₀为激光致声的时间长度；p_r为参考声压。

水下目标物的目标强度TS的表达式如下：

TS＝10log(ab/λ)² (3)

式(3)中：a、b分别为目标物的长度与宽度；λ为声波信号的波长。

假设以平面作为接收基阵，则接收指向性指数DI_r的表达式如下：

式(4)中：θ_r为声波信号的波束宽度。

根据式(2)、(3)、(4)，可得噪声背景下的探测方程如下：

2PL＝SL+TS-N+DI_r+10lg(τ_a)-5lg(d)+5lg(n) (5)

式(5)中：PL为传播损失；N为环境噪声；τ_a为激光致声信号宽度；d为检测指数；n为声脉冲数。

传播损失PL与探测距离L的关系式如下：

PL＝20lg(L)+αL×10^-3 (6)

式(6)中：α为吸收系数。

激光致声的距离分辨率ΔR的表达式如下：

式中：f为声波频率；P(f)为信号的傅里叶变换；c为水中声速；A_τ为时延分辨常数；χ为距离模糊函数，其中，t为时间，p(t)为激光致声的声强，p^*(t)为p(t)的共轭函数，τ为时间延迟，ξ为多普勒频移，j为虚数单位。

最后应当说明的是：本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (10)

1.一种基于激光致声的水下目标探测方法，其特征在于，包括如下步骤：

探测准备步骤：将一探测器置于水下，其中，所述探测器包括一呈半球形碗状的反射壳体和多个扩束聚焦装置，所述扩束聚焦装置的激光出口均朝向所述反射壳体的球心位置处，所述反射壳体的内表面设置为声反射面；

发信号步骤：利用一主控上位机通过通信控制一激光器发出激光信号，并利用分束器将所述激光信号分化为多束分激光信号，所述分激光信号与所述扩束聚焦装置数量一致且一一对应，所述分激光信号传输至与其对应的扩束聚焦装置并通过所述扩束聚焦装置汇聚于所述反射壳体的球心位置处，水在球心位置处发生光击穿效应以产生声波信号，所述反射壳体的内表面反射朝向所述反射壳体发出的部分所述声波信号以约束该部分所述声波信号的传播方向；

收信号步骤：利用水听器采集被水下目标物反射的声波信号，并通过通信将采集到的信号上传至所述主控上位机，所述主控上位机根据所述水听器上传的信号定位所述水下目标物。

2.根据权利要求1所述的基于激光致声的水下目标探测方法，其特征在于，所述发信号步骤中，通过所述分束器分化产生的所述分激光信号具有相同的能量。

3.根据权利要求1或2所述的基于激光致声的水下目标探测方法，其特征在于，所述激光器为光纤激光器，所述分束器为光纤分束器。

4.根据权利要求3所述的基于激光致声的水下目标探测方法，其特征在于，所述激光信号的波长为1064nm、输出能量为600mJ、脉冲宽度为6-8ns。

5.根据权利要求1所述的基于激光致声的水下目标探测方法，其特征在于，所述扩束聚焦装置安装于所述反射壳体上且靠近所述反射壳体的敞口侧边缘设置，所述扩束聚焦装置沿所述反射壳体的敞口侧的周向均布。

6.根据权利要求1所述的基于激光致声的水下目标探测方法，其特征在于，所述探测器还包括与所述反射壳体的敞口侧对接的延伸筒体，所述发信号步骤中，还包括通过所述延伸筒体的内壁约束未经所述反射壳体反射的部分所述声波信号的传播方向。

7.根据权利要求6所述的基于激光致声的水下目标探测方法，其特征在于，所述扩束聚焦装置安装于所述延伸筒体上且靠近所述反射壳体的敞口侧边缘设置，所述扩束聚焦装置沿所述延伸筒体的周向均布。

8.根据权利要求6所述的基于激光致声的水下目标探测方法，其特征在于，所述收信号步骤中，利用所述水听器采集被水下目标物反射的声波信号的过程中，包括在水下移动所述探测器的步骤，直至所述水听器采集到被水下目标物反射的声波信号。

9.根据权利要求8所述的基于激光致声的水下目标探测方法，其特征在于，所述收信号步骤中，所述水听器将采集到的所述声波信号转换为电信号，并将所述电信号上传至所述主控上位机。

10.根据权利要求8所述的基于激光致声的水下目标探测方法，其特征在于，所述水听器固定安装于所述延伸筒体的外壁，所述水听器为多个，多个所述水听器绕所述延伸筒体的周向均布于所述延伸筒体的外壁。