CN117169893B - 激光致声跨空水下目标探测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于水下探测技术领域，涉及一种激光致声跨空水下目标探测系统及方法。该系统包括机载平台及设置于机载平台上的激光发射装置、光学整形装置、光学聚焦装置、超声换能器探测阵列及上位机；激光发射装置产生激光，依次经过光学整形装置及光学聚焦装置后射入水中且在水面聚焦，使水介质产生光声效应，向周围辐射声波，声波被水下目标物体反射后跨过水面由超声换能器探测阵列接收；超声换能器探测阵列将接收到的声波信号转换成电信号并发送给上位机；上位机对该电信号进行处理，获得水下目标物体的深度及方位信息。本发明能够实现对水下目标物体的空中远距离探测，具有可移动性强、覆盖面广、机动灵活、探测效率高等优点。

Description

激光致声跨空水下目标探测系统及方法

技术领域

本发明属于水下探测技术领域，具体涉及一种激光致声跨空水下目标探测系统及方法。

背景技术

目前，水下目标探测主要有两种手段：光学探测和声学探测。光学探测主要利用成像的方法探测水下目标物体；然而在水下，光波的传播衰减非常大，传播和测量的距离有限。相比之下，声波在水中的传播性能较好。声波在遇到水下目标物体后反射系数较大，有利于获取水下目标物体的信息。在传统声学探测中，声呐传感器被广泛使用作为接收传感器，然而声呐传感器本身又存在探测精度低、功耗大、重量大、需要布置较大空间体积、不方便移动探测等缺点。

申请公布号为CN110389345A、名称为《基于激光致声扫描方式的水下目标探测系统和方法》的发明专利申请，将水听器设置于水中，将激光器等设置于水上平台上，利用激光器产生激光以使水介质产生光声效应，使声波在水下传播，声波经水下目标物体发射后由水中的水听器接收，水听器将声波信号转换成电信号后发送给上位机，上位机将水听器发送的电信号调节成声信号，对声信号进行处理后获得水下目标物体的深度及方位；该技术方案虽然克服了传统声学探测中声呐传感器的缺点，但一方面需要提前在水下布置水听器，导致人力物力的额外耗费，降低了水下目标探测的灵活性和探测效率；另一方面该水上平台相当于一种船载式平台，导致整套水下探测系统机动性较差、隐蔽性不足。

发明内容

针对相关技术中存在的不足之处，本发明提供一种激光致声跨空水下目标探测系统及方法，旨在解决传统声学探测中声呐传感器的缺点，使水下目标探测更加灵活机动，提高探测效率。

本发明提供一种激光致声跨空水下目标探测系统，包括机载平台及设置于机载平台上的激光发射装置、光学整形装置、光学聚焦装置、超声换能器探测阵列及上位机；其中，

激光发射装置用于产生激光，光学整形装置用于对激光发射装置产生的激光进行调节，光学聚焦装置用于对光学整形装置调节后的激光进行聚焦；上位机与激光发射装置、光学整形装置及光学聚焦装置均通信连接，以控制激光的产生、调节及聚焦；

激光发射装置产生的激光依次经过光学整形装置及光学聚焦装置后，射入水中且在水面聚焦，使水介质产生光声效应，向周围辐射声波，声波被水下目标物体反射后跨过水面由超声换能器探测阵列接收；超声换能器探测阵列包括多个布设于不同方位上的超声换能器，用于接收反射后的声波信号，并将其转换成电信号发送给上位机；

上位机用于对超声换能器探测阵列发送的电信号进行处理，以获得水下目标物体的深度及方位信息。

上述技术方案，通过使用超声换能器探测阵列作为接收传感器并将其设置于机载平台上，能够实现对水下目标物体的空中远距离探测，解决了现有水下探测系统机动性较差、隐蔽性较差、探测效率较低等问题，具有可移动性强、覆盖面广、机动灵活、探测效率高等优点。

在其中一些实施例中，光学整形装置用于对激光发射装置产生的激光的传输方向、光束直径大小及激光光束发散角进行调节；光学聚焦装置用于对光学整形装置调节后的激光进行焦点位置的调节，光学聚焦装置包括凸透镜、凹透镜、第一电机和第二电机，第一电机用于驱动凸透镜移动或偏转，第二电机用于驱动凹透镜移动或偏转；光学整形装置调节后的激光依次经过凸透镜和凹透镜聚焦后射入水中且在水面聚焦。

在其中一些实施例中，激光致声跨空水下目标探测系统还包括激光测距装置和控制单元；激光测距装置用于测量激光发射装置距离水面的实时距离，并将测量结果发送到上位机；上位机将激光发射装置距离水面的实时距离与其预设距离进行比对，并将比对结果发送给控制单元，控制单元根据比对结果对光学聚焦装置进行实时调控，以使激光始终在水面聚焦。该技术方案能够实时反馈水面波浪起伏情况，进而对激光焦点位置进行实时自动调节，使激光始终能够稳定聚焦在水面上，进而确保激光产生稳定可靠的声场。

在其中一些实施例中，激光测距装置为相位式激光测距仪，相位式激光测距仪用于向水面发射激光束并对其进行幅度调制，通过测定调制光往返测线一次所产生的相位延迟，获得激光发射装置距离水面的实时距离。

在其中一些实施例中，激光发射装置为固体脉冲激光器，固体脉冲激光器产生的激光波长为1064nm，输出能量≥2J，重复频率为1-20Hz，脉冲宽度为6-8ns。该技术方案通过使用大功率大输出能量的激光器，使产生的声波信号具有声压级高、频谱宽、可进行非接触式控制、传播距离大等优势，因而能够更好地满足对水下目标物体进行空中远距离探测的需要。

在其中一些实施例中，激光发射装置采用氙灯泵浦方式产生激光。

在其中一些实施例中，上位机内置时延模块和电信号处理模块；时延模块与超声换能器探测阵列连接，以调控各超声换能器的工作状态；电信号处理模块与超声换能器探测阵列连接，用于采集各超声换能器发送的电信号。

本发明还提供一种激光致声跨空水下目标探测方法，采用上述的激光致声跨空水下目标探测系统进行，包括以下步骤：

准备步骤：将激光发射装置、光学整形装置、光学聚焦装置、超声换能器探测阵列、激光测距装置、控制单元及上位机置于飞机的机载平台上；飞机带动机载平台升至水面上，并使激光发射装置距离水面的距离达到其预设距离；

探测步骤：利用激光发射装置产生激光，并调整凸透镜或/和凹透镜的位置，使激光依次经过光学整形装置及光学聚焦装置后射入水中且在水面聚焦，使水介质产生光声效应，向周围辐射声波，声波被水下目标物体反射后跨过水面在空中传播；调整超声换能器探测阵列的位置，使水下目标物体反射后跨过水面的声波由超声换能器探测阵列接收；超声换能器探测阵列将接收到的声波信号转换成电信号并发送给上位机；

解析步骤：上位机运用相关法、差分法和高斯-牛顿迭代算法对超声换能器探测阵列发送的电信号进行处理，获得水下目标物体的深度及方位信息。

在其中一些实施例中，在探测步骤中，还包括：

激光测距装置向水面发射激光束，并利用无线电波段的频率对激光束进行幅度调制，测定调制光往返测线一次所产生的相位延迟，根据式（1）计算出激光发射装置距离水面的实时距离/>；

（1）；

式（1）中，为调制光在大气中的传播速度；/>为调制光往返测线一次所用的时间，；/>为调制光的角频率，/>；在给定调制和标准大气条件下，频率为常数；

激光测距装置将激光发射装置距离水面的实时距离发送到上位机；上位机将激光发射装置距离水面的实时距离/>与其预设距离进行比对，并将比对结果发送给控制单元；控制单元根据比对结果对凸透镜或/和凹透镜的位置进行实时调控，以调节激光焦点位置，使激光始终在水面聚焦。

在其中一些实施例中，在探测步骤中，还包括：上位机控制凸透镜或/和凹透镜偏转，使用激光扫描的方式使激光焦点处光斑以不同速度在同一平面内以规则形状或特定方向移动,使扫描路径上产生的声波在传播过程中相干叠加，叠加后的声波被水下目标物体反射后跨过水面由超声换能器探测阵列接收。

基于上述技术方案，本发明实施例中的激光致声跨空水下目标探测系统及方法，利用激光产生声源，将激光能量转换为声波能量以在水中进行传播，声波遇到水下目标物体后反射系数较大，有利于获取水下目标物体的信息；通过激光测距装置的设置，实现了对水面波浪起伏情况的实时测量，进而对激光焦点位置进行实时自动调节，使激光始终能够稳定聚焦在水面上，确保激光产生稳定可靠的声场；通过使用超声换能器探测阵列作为接收传感器并将其设置于机载平台上，既避免光学探测下高频波在水中衰减速率大、测量范围小的缺点，又克服了传统声学探测中声呐传感器的缺点，解决了现有水下探测系统因搭载于船载式平台上而导致机动性和隐蔽性较差的问题，解决了需提前在水下布置水听器而导致人力物力耗费、探测灵活性和效率较低的问题，实现了对水下目标物体的空中远距离探测，增强了水下目标物体探测的可移动性和覆盖面，提高了探测精度和探测效率，提高了探测的机动灵活性和隐蔽性。

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为本发明的激光致声跨空水下目标探测系统的工作示意图；

图2为本发明的激光致声跨空水下目标探测系统的原理示意图；

图3为本发明的激光致声跨空水下目标探测方法的流程图；

图4为本发明中的光学聚焦装置框图；

图5为本发明中的声场叠加特性图；

图6为本发明中的声波相干叠加示意图；

图7为本发明中的超声换能器探测阵列示意图；

图8为本发明中的超声换能器探测阵列信号叠加示意图；

图9为本发明中的超声换能器探测阵列示意图；

图10为本发明中的直达信号与反射信号的示意图；

图11为本发明中的互相关函数示意图。

图中：

1、激光发射装置；2、光学整形装置；3、光学聚焦装置；31、凸透镜；32、凹透镜；4、水下目标物体；5、超声换能器探测阵列；51、超声换能器；6、上位机；7、控制单元；8、激光测距装置

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”、“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”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。

术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。

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。

参考图1-图2所示，本发明提供一种激光致声跨空水下目标探测系统，用于对水下目标物体4的深度和方位等信息进行探测。激光致声跨空水下目标探测系统包括机载平台及设置于机载平台上的激光发射装置1、光学整形装置2、光学聚焦装置3、超声换能器探测阵列5及上位机6；可以理解的是，机载平台设置于飞机上，飞机飞行时带动机载平台同步飞行，进而带动搭载于机载平台上的各装置设备同步飞行。

激光发射装置1用于作为光源产生激光，光学整形装置2用于对激光发射装置1产生的激光进行调节，光学聚焦装置3用于对光学整形装置2调节后的激光进行聚焦；上位机6分别与激光发射装置1、光学整形装置2及光学聚焦装置3通信连接，以控制激光的产生、调节及聚焦，即上位机6用于控制激光发射装置1的激光输出及激光焦点光斑情况。

激光发射装置1产生的激光依次经过光学整形装置2及光学聚焦装置3后，射入水中且在水面聚焦，使水介质产生光声效应，向周围辐射声波，声波被水下目标物体4反射后跨过水面由超声换能器探测阵列5接收。超声换能器探测阵列5包括多个布设于不同方位上的超声换能器51，超声换能器51也可简称为CMUT，超声换能器51具有成阵列容易、体积小、可移动性强、灵敏度高、探测范围大等优点；超声换能器探测阵列5用于接收反射后的声波信号，并将其转换成电信号发送给上位机6。需要说明的是，由于待探测的水下目标物体4位置的不确定性及水下目标物体4自身形状特点，其反射后的声波回波也具有多个入射角度；为便于对反射回波进行采集，可实时调节超声换能器探测阵列5的方位，以获得对反射回波的最佳接收角度。

上位机6用于对超声换能器探测阵列5发送来的电信号进行处理，以获得水下目标物体4的深度及方位信息。

上述示意性实施例，利用激光产生声源，将激光能量转换为声波能量以在水中进行传播，声波遇到水下目标物体4后反射系数较大，有利于获取水下目标物体4的信息；通过使用超声换能器探测阵列5作为接收传感器并将其设置于机载平台上，既避免光学探测下高频波在水中衰减速率大、测量范围小的缺点，又克服了传统声学探测中声呐传感器的缺点，使该激光致声跨空水下目标探测系统具有探测精度高、探测范围大、灵敏度高、体积小重量轻等优点；而且，能够实现对水下目标物体4的空中远距离探测，可实现即测即飞，由此解决了现有水下探测系统因搭载于船载式平台上而导致机动性和隐蔽性较差的问题，解决了需提前在水下布置水听器而导致人力物力耗费、探测灵活性和效率较低的问题，因而本实施例的激光致声跨空水下目标探测系统具有可移动性强、覆盖面广、机动灵活、探测效率高、隐蔽性强等优点。

在一些实施例中，光学整形装置2用于对激光发射装置1产生的激光的传输方向、光束直径大小及激光光束发散角等进行调节。光学聚焦装置3用于对光学整形装置2调节后的激光进行焦点位置的调节。光学聚焦装置3包括凸透镜31、凹透镜32、以及与上位机6通信连接的第一电机和第二电机；第一电机与凸透镜31连接，用于驱动凸透镜31移动或偏转；第二电机与凹透镜32连接，用于驱动凹透镜32移动或偏转。光学整形装置2调节后的激光，先经凸透镜31聚焦，再经凹透镜32二次聚焦后，射入水中且在水面聚焦。进一步地，参考图4所示，简要说明激光焦点位置的计算原理：

图4中代表激光发射装置1的位置，也即激光发射装置1产生的激光的输出点位置，/>代表激光焦点位置，根据式（2）可以计算出激光焦点与凹透镜32之间的距离/>；

（2）；

式（2）中，为激光发射装置1与激光焦点之间的距离；/>为凸透镜31焦距；/>为凹透镜32焦距；/>为凸透镜31与凹透镜32之间的距离。

需要说明的是，第一电机和第二电机在上位机6的控制下启动，以分别调节凸透镜31和凹透镜32的移动或偏转，以使激光发射装置1发出的激光能够在水面聚焦，由此实现光学聚焦装置3的自动聚焦功能。

上述示意性实施例，通过对光学整形装置2和光学聚焦装置3的细化设置，实现了对激光发射装置1产生的激光的调节及聚焦作用。

参考图2所示，在一些实施例中，激光致声跨空水下目标探测系统还包括设置于机载平台上并与上位机6通信连接的激光测距装置8和控制单元7。激光测距装置8用于测量激光发射装置1距离水面的实时距离，也即激光输出点距离水面的实时距离，并将测量结果发送到上位机6。上位机6将激光发射装置1距离水面的实时距离与其预设距离进行比对，并将比对结果发送给控制单元7，控制单元7根据比对结果对光学聚焦装置3进行实时调控，以使激光始终在水面聚焦。

进一步说明，激光发射装置1距离水面的预设距离，为水面完全平稳的理想状态下的理论值；而实际上水面会有不同程度的波浪起伏，本实施例利用激光测距系统来实时测量水面波浪信息并反馈到上位机6，比对结果的数值即反映水面波浪起伏情况；上位机6通过控制单元7对光学聚焦装置3进行实时自动调控，如通过第一电机及第二电机来调节凸透镜31及凹透镜32的位置等，以对激光焦点位置进行实时自动调节，补偿因水面波浪起伏而导致的水面高度变化，实现对水面波浪高度的自适应调节，使激光始终能够稳定聚焦在水面上，保持最佳激光聚焦激发位置，提高聚焦质量，由此确保激光产生稳定可靠的声场，确保光声转换效率和水下通信质量。

进一步地，参考图5所示，本领域技术人员可以理解的是，激光在一定深度范围内被强烈吸收，如果深度超过声波波长，反射波将具有强烈的破坏性干扰作用；如果激光吸收深度小且不超过声波波长，反射波可以同相排列向下传播的波最终达到更大净波，这样可以大大提高声波能量，声波在传播过程中相干叠加，叠加后的声波被水下目标物体4反射后能够更好地跨过水面由超声换能器探测阵列5接收。

上述示意性实施例，通过激光测距装置8和控制单元7的设置，能够实时反馈水面波浪起伏情况，进而对激光焦点位置进行实时自动调节，补偿因水面波浪起伏而导致的水面高度变化，使激光始终能够稳定聚焦在水面上，进而确保激光产生稳定可靠的声场。

在一些实施例中，激光测距装置8为相位式激光测距仪，相位式激光测距仪用于向水面发射激光束并对其进行幅度调制，通过测定调制光往返测线一次所产生的相位延迟，获得激光发射装置1距离水面的实时距离。进一步地，相位式激光测距仪采用数字测相原理，是利用无线电波段的频率，对激光束进行幅度调制并测定调制光往返测线一次所产生的相位延迟，再根据调制光的波长，换算此相位延迟所代表的距离，即用间接方法测定出光经往返测线所需的时间；相位式激光测距仪的测量精度可达毫米量级，具有测量精度高、环境适应性强等优点。

在一些实施例中，激光发射装置1为固体脉冲激光器，固体脉冲激光器产生的激光波长为1064nm，输出能量≥2J，重复频率为1-20Hz，脉冲宽度为6-8ns。需要说明的是，高能量密度的激光聚焦到水中，可使水介质产生热膨胀、汽化、介电击穿等光声效应并向周围辐射声波；本实施例采用大功率激光器来产生声源信号，其输出能量可达2J以上，因而产生的声波信号具有声压级高、频谱宽、可进行非接触式控制、传播距离大等优势，因而能够更好地满足对水下目标物体4进行空中远距离探测的需要。

在一些实施例中，激光发射装置1采用氙灯泵浦方式产生激光，其发射光谱范围宽、功率大、使用方便。

参考图7-图9所示，在一些实施例中，上位机6内置时延模块和电信号处理模块；时延模块与超声换能器探测阵列5连接，以调控各超声换能器51的工作状态；电信号处理模块与超声换能器探测阵列5连接，用于采集各超声换能器51发送的电信号；进而，上位机6通过算法分析电信号在时域和频域的特性，实现对水下目标物体4的探测功能。

参考图1-图11所示，本发明还提供一种激光致声跨空水下目标探测方法，采用上述的激光致声跨空水下目标探测系统进行，包括以下步骤：

准备步骤：将激光发射装置1、光学整形装置2、光学聚焦装置3、超声换能器探测阵列5、激光测距装置8、控制单元7及上位机6置于飞机的机载平台上；飞机带动机载平台升至水面上，并使激光发射装置1距离水面的距离达到其预设距离。

探测步骤：利用激光发射装置1产生激光，并调整凸透镜31或/和凹透镜32的位置，使激光依次经过光学整形装置2及光学聚焦装置3后射入水中且在水面聚焦，使水介质产生光声效应，向周围辐射声波，声波被水下目标物体4反射后跨过水面在空中传播；调整超声换能器探测阵列5的位置，使水下目标物体4反射后跨过水面的声波由超声换能器探测阵列5接收；超声换能器探测阵列5将接收到的声波信号转换成电信号并发送给上位机6。

解析步骤：上位机6运用相关法、差分法和高斯-牛顿迭代算法对超声换能器探测阵列5发送的电信号进行计算处理，获得水下目标物体4的深度及方位信息。

上述示意性实施例，利用激光产生声源，将激光能量转换为声波能量以在水中进行传播，声波遇到水下目标物体4后反射系数较大，有利于获取水下目标物体4的信息；通过使用超声换能器探测阵列5作为接收传感器并将其设置于机载平台上，实现了对水下目标物体4的空中远距离探测，解决了现有水下探测系统因搭载于船载式平台上而导致机动性和隐蔽性较差的问题，解决了需提前在水下布置水听器而导致人力物力耗费、探测灵活性和效率较低的问题，由此增强了水下目标物体4探测的可移动性和覆盖面，提高了探测精度和探测效率，提高了探测的机动灵活性和隐蔽性。

参考图1-图3所示，在一些实施例中，在探测步骤中，还包括：

激光测距装置8向水面发射激光束，并利用无线电波段的频率对激光束进行幅度调制，测定调制光往返测线一次所产生的相位延迟，根据式（1）计算出激光发射装置1距离水面的实时距离/>；

（1）；

式（1）中，为调制光在大气中的传播速度；/>为调制光往返测线一次所用的时间，；/>为调制光的角频率，/>；在给定调制和标准大气条件下，频率为常数。

激光测距装置8将激光发射装置1距离水面的实时距离发送到上位机6；上位机6将激光发射装置1距离水面的实时距离/>与其预设距离进行比对，并将比对结果发送给控制单元7；控制单元7根据比对结果对凸透镜31或/和凹透镜32的位置进行实时自动调控，以调节激光焦点位置，使激光始终在水面聚焦。

上述示意性实施例，实现了对水面波浪起伏情况的实时测量，进而对激光焦点位置进行实时自动调节，补偿因水面波浪起伏而导致的水面高度变化，实现对水面波浪高度的自适应调节，使激光始终能够稳定聚焦在水面上，进而确保激光产生稳定可靠的声场。

参考图6所示，在一些实施例中，在探测步骤中，还包括：上位机6控制凸透镜31或/和凹透镜32偏转，使用激光扫描的方式使激光焦点处光斑以不同速度在同一平面内以规则形状或特定方向移动,使扫描路径上产生的声波在传播过程中相干叠加，叠加后的声波被水下目标物体4反射后跨过水面由超声换能器探测阵列5接收。该示意性实施例，使用激光扫描的方式，利用声源移动产生多普勒效应，可获得更宽的声波信号频谱；控制激光焦点光斑的移动速度，可以编码声波信号，用于激光致声探测及通信；通过光学聚焦装置3使激光在光斑扫描路径上形成一系列的声波，声波相干叠加后，可以在特定方向上使传播范围大幅增加，从而使探测范围扩大；使用声换能器探测阵列作为接收传感器，既避免光学探测下高频波在水中衰减速率大、测量范围小的缺点，又克服了传统声学探测中声呐传感器的缺点，使该激光致声跨空水下目标探测系统具有探测范围大、灵敏度高、体积小重量轻等优点。

下面参考图1-图11，给出本发明提供的技术方案的一个应用实施例。

将激光发射装置1、光学整形装置2、光学聚焦装置3、超声换能器探测阵列5、激光测距装置8、控制单元7及上位机6置于飞机的机载平台上；飞机带动机载平台升至水面上，并使激光发射装置1距离水面的距离达到其预设距离。

激光发射装置1产生激光；光学整形装置2调节激光，包括激光传输方向、光束直径大小及激光光束发散角等；激光测距装置8实时测量激光发射装置1距离水面的实时距离，光学聚焦装置3调节激光焦点位置使其在水面聚焦，使使水介质产生光声效应，向周围辐射声波。以扫描方式控制激光焦点光斑以水中音速、超音速等不同速度以规则形状移动，编码声波信息，用于激光致声探测。若以水中音速使激光焦点光斑以规则形状或特定方向移动，在水介质中光斑移动路径上产生一系列的声波，声波在传播过程中相干叠加。相干叠加后的声波传播过程中遇到水下目标物体4反射至机载平台上的超声换能器探测阵列5，并由超声换能器探测阵列5转换为电信号传送至上位机6，上位机6运用相关法、差分法和高斯-牛顿迭代算法处理超声换能器探测阵列5解调出的水下目标物体4反射信号如图11，通过图10所示的直达信号（蓝色示意）与反射信号（红色示意）做相关算法，得到水下目标物体4的深度和方位信息。

若控制激光焦点光斑移速，使声源在传播过程中产生多普勒频移，即可获得更宽频谱的声波信息，使用此方法可调制声源频谱等信息，利用多波束声波反射信息，实现对水下目标物体4定位，在激光声探测方面有广泛的应用前景。假设光学聚焦装置3控制激光焦点光斑在X-Y平面内以水中音速沿X轴移动，在扫描路径上产生的声波逐步叠加，最后在扫描终点处达到最大，从而使声波在X方向上能够传播更远的距离，使探测范围大幅增加。

图6为本发明提供的技术方案中的声波相干叠加。激光在水介质中产生点声源，若假设单个声源产生的声波以球面波形式传播。球面波表达式为：

其中，指声场中其中一点处振幅，/>指声波在此点处的方向矢量，在球面坐标系统中，/>指声源到此点的矢径，/>，其中/>、/>和/>为/>的方向余弦，/>为角速度，/>为质点振动时间，/>为球面声场的半径。两列频率相同、振动方向相同、位相差恒定的声波在叠加区将会出现强弱稳定的声强分布现象。

假设声源产生的声波在特定方向上传播时，此方向上某点的入射波视为平面波。平面波表达式：，其中,/>，则有两列声波相干叠加公式如下，

其中，，/>。

若视，/>，则有两个声波叠加振幅与单个声波振幅之间的关系。

假设激光焦点光斑以水中声速沿/>轴运动时，单位长度上产生的声波在/>轴上传播声强为/>，则若激光焦点光斑扫描路径长度为/>时，其扫描时间为/>，则有扫描时间/>，可视声波个数/>。在扫描终点处这/>个声波开始全部叠加，即

，

此时，有，/>，则/>。

为了表示一个信号与在时间轴上平移后的信号/>的相关特性，可以用相关函数来表示，即：/>。

通过对超声换能器探测阵列5采集到的声波信号进行滤波、截取、求互相关用，就可以求出声波从声源处经水下目标物体4反射后被超声换能器探测阵列5所接收经历的时间。

假设超声换能器探测阵列5由布设于A、B、C三个不同方位点上的三个超声换能器51组成，则由三个超声换能器51构成的超声换能器探测阵列5利用差分法就可以得到如下方程组：

，

其中，三个超声换能器51分别放在A,B,C三点上，并且在坐标系、/>、/>坐标轴上离原点位置为/>，/>、/>、/>分别为声波从声源处经水下目标物体4反射后到达三个超声换能器51的时间，/>为声波在水中及空中传播速度平均速度，/>为空中垂直下方反射后到达超声换能器51的时间；本领域技术人员可以理解的是，实际应用时，调整超声换能器探测阵列5的位置，以某一超声换能器51所能接收到最强信号的位置为空中垂直水下目标物体的位置，/>于该位置处进行获取。

上位机6运用高斯-牛顿迭代算法求解上述方程组，就可以得到水下目标物体4的深度及方位信息。

综上所述，本发明的激光致声跨空水下目标探测系统及方法，利用激光产生声源，将激光能量转换为声波能量以在水中进行传播，声波遇到水下目标物体后反射系数较大，有利于获取水下目标物体的信息；通过激光测距装置的设置，实现了对水面波浪起伏情况的实时测量，进而对激光焦点位置进行实时自动调节，补偿因水面波浪起伏而导致的水面高度变化，使激光始终能够稳定聚焦在水面上，确保激光产生稳定可靠的声场；通过使用超声换能器探测阵列作为接收传感器并将其设置于机载平台上，既避免光学探测下高频波在水中衰减速率大、测量范围小的缺点，又克服了传统声学探测中声呐传感器的缺点，解决了现有水下探测系统因搭载于船载式平台上而导致机动性和隐蔽性较差的问题，解决了需提前在水下布置水听器而导致人力物力耗费、探测灵活性和效率较低的问题，实现了对水下目标物体的空中远距离探测，增强了水下目标物体探测的可移动性和覆盖面，提高了探测精度和探测效率，提高了探测的机动灵活性和隐蔽性。

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 (9)

1.激光致声跨空水下目标探测系统，其特征在于，包括机载平台及设置于机载平台上的激光发射装置、光学整形装置、光学聚焦装置、超声换能器探测阵列、激光测距装置、控制单元及上位机；其中，

所述激光发射装置用于产生激光，所述光学整形装置用于对激光发射装置产生的激光进行调节，所述光学聚焦装置用于对光学整形装置调节后的激光进行聚焦；所述上位机与激光发射装置、光学整形装置及光学聚焦装置均通信连接，以控制激光的产生、调节及聚焦；

所述激光测距装置用于向水面发射激光束，并利用无线电波段的频率对激光束进行幅度调制，测定调制光往返测线一次所产生的相位延迟，以根据式（1）计算出激光发射装置距离水面的实时距离/>，并将其发送给上位机；

（1）；

式（1）中，为调制光在大气中的传播速度；/>为调制光往返测线一次所用的时间，；/>为调制光的角频率，/>；在给定调制和标准大气条件下，频率为常数；

所述上位机将激光发射装置距离水面的实时距离与其预设距离进行比对，并将比对结果发送给控制单元；所述控制单元根据比对结果对光学聚焦装置进行实时调控，以使激光始终在水面聚焦；

所述激光发射装置产生的激光依次经过光学整形装置及光学聚焦装置后，射入水中且在水面聚焦，使水介质产生光声效应，向周围辐射声波，声波被水下目标物体反射后跨过水面由所述超声换能器探测阵列接收；所述超声换能器探测阵列包括多个布设于不同方位上的超声换能器，用于接收反射后的声波信号，并将其转换成电信号发送给所述上位机；

所述上位机用于对超声换能器探测阵列发送的电信号进行处理，以获得水下目标物体的深度及方位信息。

2.根据权利要求1所述的激光致声跨空水下目标探测系统，其特征在于，所述光学整形装置用于对激光发射装置产生的激光的传输方向、光束直径大小及激光光束发散角进行调节；所述光学聚焦装置用于对光学整形装置调节后的激光进行焦点位置的调节，所述光学聚焦装置包括凸透镜、凹透镜、第一电机和第二电机，所述第一电机用于驱动凸透镜移动或偏转，所述第二电机用于驱动凹透镜移动或偏转；所述光学整形装置调节后的激光依次经过凸透镜和凹透镜聚焦后射入水中且在水面聚焦。

3.根据权利要求2所述的激光致声跨空水下目标探测系统，其特征在于，所述激光测距装置为相位式激光测距仪，所述相位式激光测距仪用于向水面发射激光束并对其进行幅度调制，通过测定调制光往返测线一次所产生的相位延迟，获得激光发射装置距离水面的实时距离。

4.根据权利要求1所述的激光致声跨空水下目标探测系统，其特征在于，所述激光发射装置为固体脉冲激光器，所述固体脉冲激光器产生的激光波长为1064nm，输出能量≥2J，重复频率为1-20Hz，脉冲宽度为6-8ns。

5.根据权利要求1所述的激光致声跨空水下目标探测系统，其特征在于，所述激光发射装置采用氙灯泵浦方式产生激光。

6.根据权利要求1所述的激光致声跨空水下目标探测系统，其特征在于，所述上位机内置时延模块和电信号处理模块；所述时延模块与超声换能器探测阵列连接，以调控各所述超声换能器的工作状态；所述电信号处理模块与超声换能器探测阵列连接，用于采集各所述超声换能器发送的电信号。

7.激光致声跨空水下目标探测方法，其特征在于，采用如权利要求3所述的激光致声跨空水下目标探测系统进行，包括以下步骤：

准备步骤：将激光发射装置、光学整形装置、光学聚焦装置、超声换能器探测阵列、激光测距装置、控制单元及上位机置于飞机的机载平台上；飞机带动机载平台升至水面上，并使激光发射装置距离水面的距离达到其预设距离；

探测步骤：利用激光发射装置产生激光，并调整凸透镜或/和凹透镜的位置，使激光依次经过光学整形装置及光学聚焦装置后射入水中且在水面聚焦，使水介质产生光声效应，向周围辐射声波，声波被水下目标物体反射后跨过水面在空中传播；调整超声换能器探测阵列的位置，使水下目标物体反射后跨过水面的声波由超声换能器探测阵列接收；超声换能器探测阵列将接收到的声波信号转换成电信号并发送给上位机；

解析步骤：上位机运用相关法、差分法和高斯-牛顿迭代算法对超声换能器探测阵列发送的电信号进行处理，获得水下目标物体的深度及方位信息。

8.根据权利要求7所述的激光致声跨空水下目标探测方法，其特征在于，在所述探测步骤中，还包括：利用激光测距装置获得激光发射装置距离水面的实时距离，并将其发送到上位机；上位机将激光发射装置距离水面的实时距离/>与其预设距离进行比对，并将比对结果发送给控制单元；控制单元根据比对结果对凸透镜或/和凹透镜的位置进行实时调控，以调节激光焦点位置，使激光始终在水面聚焦。

9.根据权利要求7所述的激光致声跨空水下目标探测方法，其特征在于，在所述探测步骤中，还包括：上位机控制凸透镜或/和凹透镜偏转，使用激光扫描的方式使激光焦点处光斑以不同速度在同一平面内以规则形状或特定方向移动,使扫描路径上产生的声波在传播过程中相干叠加，叠加后的声波被水下目标物体反射后跨过水面由超声换能器探测阵列接收。