基于激光多点相干探测的水下发声目标位置估计方法及实现该方法的装置的制造方法
基于激光多点相干探测的水下发声目标位置估计方法及实现该方法的装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及水下发声目标位置探测技术。
【背景技术】
[0002] 包括水下测音器、声响浮标及拖拽式声波定位器在内的声响技术依然是当前水下 发声目标探测的主流技术手段，例如利用声响技术对MH370黑厘子的捜索，声响技术是一种 利用声波在水下的传播特性，通过电声转换和信息处理完成水下探测和通讯任务的电子设 备，分为主动式和被动式两种类型。船载声响技术由于机动性、灵活性W及隐蔽性较差，对 水下发声目标的探测应用受到了诸多限制。
[0003] 人们希望能够实现水下发声目标的遥测，于是提出了 "激光-声"联合探测手段，目 前的实验室研究显示了 "激光-声"联合探测技术的潜力，激光相干探测法已被研究应用到 水下声信号的提取中，取得了一定的成效，但目前"激光-声"联合探测手段仍然无法实现水 下发声目标位置的探测。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是为了解决"激光-声"联合探测手段无法实现水下发声目标位置探 测的问题，提供两种基于激光多点相干探测的水下发声目标位置估计方法及实现上述两种 方法的装置。
[0005] 本发明所述的第一种基于激光多点相干探测的水下发声目标位置估计方法为同 步多点探测法，该方法包括W下步骤：
[0006] 步骤一、在水表面上任意选取四个点作为探测点，且四个探测点构成正方形；
[0007] 步骤二、采用水下声信号激光相干探测法对四个探测点进行探测，分别得到四个 探测点的探测信号Id(t)，即光电探测器接收到的信号，并对四个探测点的探测信号进行频 谱分析或相位解调，得到四个探测点的水表面声波振幅值；
[000引步骤Ξ、判断四个探测点的水表面声波振幅值是否相同，如果相同，则将探测中 屯、、即四个探测点构成的正方形的中屯、点0作为声源中屯、位置的最佳估计，如果不相同，贝U 执行步骤四；
[0009] 步骤四、根据振幅最大和次大探测点计算探测系统光学探头移动的方向向量
[0010]
[OOW 其中，Amaxl为四个探测点的水表面声波最大振幅值，Amaxl对应的位置为探测点 Smaxl，Ama。为四个探测点的水表面声波次大振幅值，Ama。对应的位置为探测点Sma。，0为四个 探测点构成的正方形的中屯、；
[0012]步骤五、按照步骤四得到的向量Μ来移动四个光学探头，然后返回步骤二。
[0013] 实现上述方法的装置包括激光器（1)、光隔离器(2)、1X4光纤禪合器(3)、四个光 纤声光调制器（4)、四个光环形器（5)、四个探头（6)、四个光衰减器（7)、四个2 XI禪合器 (8)、4通道的光电探测器(9)和4通道的信号解调模块(10);
[0014] 激光器（1)发出的激光经过光隔离器(2)后进入1X4光纤禪合器(3) ,1X4光纤禪 合器(3)的四个输出端分别连接四个光纤声光调制器(4)的输入端；
[0015] 每个光纤声光调制器(4)与一个光环形器(5)、一个光衰减器(7)、一个2 XI禪合器 (8)和一个探头(6)相对应，每个光纤声光调制器(4)的一个输出端通过光衰减器(7)连接2 X 1禪合器(8)的一个输入端，该光纤声光调制器(4)的另一个输出端连接光环形器(5)的一 号端口，该光环形器(5)的二号端口连接探头(6)的光纤接口，该光环形器(5)的Ξ号端口连 接2 X 1禪合器(8)的另一个输入端；
[0016] 四个2X1禪合器(8)的输出端连接光电探测器(9)的信号输入端，光电探测器(9) 的输出端连接信号解调模块(10)的信号输入端，信号解调模块(10)的输出端用于连接上位 机。
[0017] 本发明所述的第二种基于激光多点相干探测的水下发声目标位置估计方法为异 步多点探测方法，该方法为:采用水下声信号激光相干探测法对待探测水域进行逐点探测， 得到各个探测点的探测信号Id(t)，即光电探测器接收到的信号，并对每个探测点的探测信 号进行频谱分析或相位解调，得到每个探测点的水表面声波振幅值，将水表面声波振幅值 最大的探测点的位置作为声源中屯、位置的最佳估计。
[0018] 实现上述方法的装置包括激光器（1)、光隔离器（2)、光纤声光调制器(4)、光环形 器(5)、探头(6)、光衰减器(7)、2X1禪合器(8)、光电探测器(9)和信号解调模块(10);
[0019] 激光器（1)发出的激光经过光隔离器(2)后进入光纤声光调制器(4)的输入端，光 纤声光调制器(4)的一个输出端通过光衰减器(7)连接2X1禪合器(8)的一个输入端，该光 纤声光调制器(4)的另一个输出端连接光环形器(5)的一号端口，该光环形器(5)的二号端 口连接探头(6)的光纤接口，该光环形器(5)的Ξ号端口连接2X1禪合器(8)的另一个输入 端，2X1禪合器(8)的输出端连接光电探测器(9)的信号输入端，光电探测器(9)的输出端连 接信号解调模块(10)的信号输入端，信号解调模块(10)的输出端用于连接上位机。
[0020] 本发明针对水下发声源位置的空中探测运一问题提出了解决方案。本发明所述的 两种方法可简述为如下过程：1)搭建激光相干探测系统；2)利用相干探测系统对感兴趣的 水域多个位置进行水表面声波探测；3)利用频谱分析、相位解调等方法实现各个点水表面 声波波幅的测量;4)根据水表面声波波幅分布特征，波幅最大的位置视为水下声源中屯、的 最优估计。
[0021 ]根据基本多点相干探测的水下发声目标位置评估方法的基本原理，其实现方法可 采用两种形式:1)同步多点探测;2)异步多点探测。
[0022] 本发明所述的方法和装置能够实现水下发声源位置的空中探测，可根据实际需求 选择同步多点相干探测或异步多点相干探测两种方法，灵活性和机动性非常好，适用于水 下发声目标探测，W及空对潜通信。
【附图说明】
[0023] 图1为实施方式一中的水表面声波的空间形态图；
[0024] 图2为实施方式一中的水下声信号激光相干探测的基本原理示意图，11表示分光 镜，12表示平面反射镜，13表示信号发生器，14表示功率放大器，15表示水下声源，16表示数 据采集及处理系统；
[0025] 图3为实施方式一中四个探测点的初始位置分布图；
[00%]图4为实施方式一中声源中屯、定位示意图；
[0027] 图5为实施方式一所述方法的流程图；
[0028] 图6为实施方式二中的根据相干信号获得水表面声波信息的原理框图；
[0029] 图7为实施方式五所述装置的结构示意图；
[0030] 图8为实施方式屯所述装置的结构示意图。
【具体实施方式】
【具体实施方式】 [0031] 一：结合图1至图5说明本实施方式，本实施方式所述的基于激光多 点相干探测的水下发声目标位置估计方法为同步多点探测法，该方法为：
[0032] 步骤一、在水表面上任意选取四个点作为探测点，且四个探测点构成正方形；
[0033] 步骤二、采用水下声信号激光相干探测法对四个探测点进行探测，分别得到四个 探测点的探测信号Id(t)，即光电探测器接收到的信号，并对四个探测点的探测信号进行频 谱分析或相位解调，得到四个探测点的水表面声波振幅值；
[0034] 步骤Ξ、判断四个探测点的水表面声波振幅值是否相同，如果相同，则将探测中 屯、、即四个探测点构成的正方形的中屯、点0作为声源中屯、位置的最佳估计，如果不相同，贝U 执行步骤四；
[0035] 步骤四、根据振幅最大和次大探测点计算探测系统光学探头移动的方向向量品;
[0036]
[0037] 其中，Amaxl为四个探测点的水表面声波最大振幅值，Amaxl对应的位置为探测点 Smaxl，Ama。为四个探测点的水表面声波次大振幅值，Amax拥应的位置为探测点Smax2，0为四个 探测点构成的正方形的中屯、；
[0038] 步骤五、按照步骤四得到的向量《来移动四个光学探头，然后返回步骤二。
[0039] 水表面声波是由水下声福射穿透水气界面而引起的一种横向微幅波，若W水表面 声源扰动中屯、为坐标原点，水面法方向作为Z坐标轴建立坐标系，那么根据液体表面横向微 幅波理论，水表面声波的Ξ维行波解可由下式表示：
[0040]
[0041] 式中，η为位置(X，y)处水表面声波实时波幅，j为虚数符号，X为X轴坐标分量，y为Y 轴坐标分量，ω为水 表面声波的角频率(也即水下声信号的角频率），e为自然对数的底。
[0042] 由于水的粘滞作用，水表面横向微幅波的波幅不可能保持不变，也即水表面横向 微幅波的范围不是无限的，水表面微幅波的振幅随着传播距离的增加而减小，即水表面微 幅波区域的质点越靠近扰动源，其振幅越大。研究表明，水表面横向微幅波的波幅将W指数 形式衰减，因此，可将上式修正为：
[0043]
[0044] 式中，τ为衰减系数。因此，由水下声福射引起的水表面声波的空间形态如图1所 示。整个波形呈现同屯、圆的结构，且中屯、幅度大，外沿幅度小。同屯、圆的圆屯、位置即为水下 声福射中屯、的所在位置。正是由于水表面横向微幅波的振幅衰减的特点，我们可W利用多 点波幅探测的方法来实现水下目标发声位置的估计。
[0045] 水下声信号激光相干探测的原理如图2所示，该图为典型的激光相干法探测水下 声信号的光路图。激光器发出的激光束经声光调制器(Α0Μ)衍射后，分成两束光，一束作为 测量光，另一束作为参考光。测量光直接入射到被测水面，该水面的振动因为受到了水下声 源的调制而包含有水下声源同频率的振动成分，位相被运些振动调制的反射光(实际表现 为中屯、光强大四周光强小的光斑)入射至分光镜，并经分光镜反射;参考光经45度平面反射 镜反射后，入射至分光镜，并经分光镜透射，在分光镜里内部，测量光与参考光汇合，发生了 相干，相干光入射至光电探测器的探测面上。光电探测器接收相干信号，并将其转化为电信 号，该电信号经过信号处理电路和数据采集及处理系统处理后，被上位机读取，被上位机读 取的相干信号做进一步处理可解调出水下声信号的特征。
[0046] 同步多点相干探测法的4个探测点51、52、53、54的分布如图3所示，整体呈现正方 形，其几何中屯、为0点。实践时，利用同步多点相干探测系统对感兴趣的水域进行多点探测， 得到4个探测点51、52、53、54处的水表面声波信息，选出水表面声波振幅最大和次大的两个 探测位置，分别记为Smaxl和Smax2，那么声源中屯、方向则位于振幅最大探测点Smaxl和次大探测 点Smax2与中屯、点0组成的张角范围内。W图3为例，水表面声波振幅最大的探测点为Sl，次大 探测点为S4,那么声源中屯、C相对于探测系统的方向OC刚位于向量源;和庶;之间.为捜索 水表面声波的最大振幅位置，探测系统需按照方向OC巧动，不断调整探测系统的位置，使4 个探测点探测到的水表面声波的振幅大小基本一致，如图4所示，此时认为探测中屯、点0即 为声源中屯、的最优估计。
【具体实施方式】 [0047] 二:结合图6说明本实施方式，本实施方式是对实施方式一所述的一 种基于激光多点相干探测的水下发声目标位置估计方法的进一步限定，根据实施方式一中 的测量原理，步骤二中的探测信号Id (t)的获得方法为：
[004引参考光的光振幅Eb随时间t的分布为：
[0049] Eb(t) =Absin( ω 〇t+kzb+Φ ) (1)
[0050] 式中，Ab为参考光光振幅Eb的幅值；
[0051 ] ω日为激光角频率；
[0052] k为激光波数；
[0053] Zb为参考光的光程；
[0化4] Φ为激光初始相位。
[0055] 测量光的光振幅Em随时间t的分布为：
[0056] Em(t) =Amsin[( ω0+ωd)t+kzm+Φ ] (2)
[0057] 式中，Am为测量光光振幅Eb的幅值；
[005引Zm为测量光的光程；
[0059] Wd为声光调制器调制频率。
[0060]参考光与测量光汇合后的合振幅为：
[0064]光强由光电探测器接收，光电探测器不对高频项响应，即将4,巧/+&"+键、 4^cos?巧,+巧)/'+Ar,-l·沟、和AmAbCos[(2ωo+ωd)t+kzm+kzb+2Φ]转变为直流信号，因此，去除直 流分量后的光强信号Id表示为：
[00化]Id(t)=KAmAbCOS[k(Zm-Zb)]=AdCOS[ t0dt+k(Zm-Zb)] (5)
[0066] 式中，Κ为光电接收器的放大倍率，记Ad = KAmAb，
[0067] 由上式可知，光电探测器接收的信号是关于参考光和测量光光程差的调制信号， 两束激光的光程差由两个臂的初始长度和水表面振动有关，其中水表面振动包含自然水表 面的波动W及水下声信号激发的水表面声波两部分，因此，光程差Zm-Zb表示为：
[006引 Zm-Zb = 2a 广 L2)+2Ansin(2 灶 nt+<l)n)+2Assin(2 灶 st+<l)s) (6)
[0069] 式中，AnSin(化fnt+Φη)为自然水表面的振动表达式(An为自然水表面振幅，fn为自 然水表面振动频率，Φ η为自然水表面振动初相位），Assin(2时st+ Φ S)为水下声源引起的水 表面振动表达式(As为水表面声波振幅，fs为水表面声波振动频率，Φβ为水表面声波振动初 相位），^为水面静止时测量光的初始光程，L2为水面静止时参考光的光程，那么，ai-L2)为 水面静止时两路光的初始光程差，记为AL，则光电探测器接收到的光强信号可由下式表 述：
[0070] Id(t) = Adcos{ ω dt+k[2 Δ L+2Ansin(2时nt+Φ n)+2Assin(2时st+Φ S) ]} (7)
[0071] Assin(2时st+(l)s)为由水下声源引起的水表面声波的信息。
[0072] 由公式(7)可知，由光电探测器获得的探测信号的相位中包含了水下声源引起的 水表面声波的信息:Assin(2时st+ Φ S)。采用常规的方法(例如频谱分析或相位解调等方法） 对探测信号进行分析，即可得到水表面声波的振动幅值As和振动频率fs。可采用图6所示的 原理得到水表面声波信息:Assin(2时st+ Φ S)。
【具体实施方式】 [0073] 本实施方式所述的基于激光多点相干探测的水下发声目标位置 估计方法为异步多点探测方法，该方法为:采用水下声信号激光相干探测法对待探测水域 进行逐点探测，得到各个探测点的探测信号Id(t)，即光电探测器接收到的信号，并对每个 探测点的探测信号进行频谱分析或相位解调，得到每个探测点的水表面声波振幅值，将水 表面声波振幅值最大的探测点的位置作为声源中屯、位置的最佳估计。
【具体实施方式】 [0074] 四：本实施方式是对实施方式Ξ所述的基于激光多点相干探测的水 下发声目标位置估计方法的进一步限定，探测信号Id(t)的获得方法为：
[0075] 参考光的光振幅Eb随时间t的分布为：
[0076] Eb(t) =Absin( ω 〇t+kzb+Φ ) (1)
[0077] 式中，Ab为参考光光振幅Eb的幅值；
[007引 ω0为激光角频率；
[0079] k为激光波数；
[0080] Zb为参考光的光程；
[0081] Φ为激光初始相位。
[0082] 测量光的光振幅Em随时间t的分布为：
[0083] Em(t) =Amsin[( ω0+ωd)t+kzm+Φ ] (2)
[0084] 式中，Am为测量光光振幅Eb的幅值；
[0085] Zm为测量光的光程；
[00化]cod为声光调制器调制频率。
[0087]参考光与测量光汇合后的合振幅为：
[008引 E(t)=Eb(t)+Em(t)=Amsin( ωο?+Ι?Ζ??+Φ )+Absin[( ω0+ω<ιΗ+1?Ζ6+Φ ] (3)
[0089] 则相干光光强I(t)为：
[0090]
[0091] 光强由光电探测器接收，光电探测器将4，""《?""(娜+旬+#、半《?弔巧+巧片崎+沟、和 AmAbcos[ (2 ω日+ ω d)t+kzm+kzb+2 Φ ]转变为直流信号，因此，去除直流分量后的光强信号Id 表不为：
[0092] Id(t) =KAmAbcos[k(Zm-zb)] =Adcos[ ωdt+k(Zm-zb)] (5)
[0093] 式中，Κ为光电接收器的放大倍率，记Ad = KAmAb，
[0094] 光程差Zm-Zb表示为：
[0095] Zm-Zb = 2a 广 L2)+2Ansin(2 灶 nt+<l)n)+2Assin(2 灶 st+<l)s) (6)< br>[0096] 式中，AnSin(化fnt+ Φ η)为自然水表面的振动表达式(An为自然水表面振幅，fn为自 然水表面振动频率，Φ η为自然水表面振动初相位），AsSin( 2时st+ Φ S)为水下声源引起的水 表面振动表达式(As为水表面声波振幅，fs为水表面声波振动频率，Φβ为水表面声波振动初 相位），^为水面静止时测量光的初始光程，L2为水面静止时参考光的光程，那么，ai-L2)为 水面静止时两路光的初始光程差，记为al，则光电探测器接收到的光强信号可由下式表 述：
[0097] Id(t)=Adcos{ Wdt+k[2AL+2Ansin(23ifnt+<l)n)+2Assin(^ifst+<l)s)]} (7)
[009引 Assin(化fst+d)s)为由水下声源引起的水表面声波的信息。
【具体实施方式】 [0099] 五:结合图6和图7说明本实施方式，本实施方式是实现实施方式二 所述的基于激光多点相干探测的水下发声目标位置估计方法的装置，所述装置包括激光器 (1)、光隔离器(2)、1X4光纤禪合器(3)、四个光纤声光调制器(4)、四个光环形器(5)、四个 探头(6)、四个光衰减器(7)、四个2X1禪合器(8)、4通道的光电探测器(9)和4通道的信号解 调板块(10);
[0100] 激光器（1)发出的激光经过光隔离器(2)后进入1X4光纤禪合器(3) ,1X4光纤禪 合器(3)的四个输出端分别连接四个光纤声光调制器(4)的输入端；
[0101] 每个光纤声光调制器(4)与一个光环形器(5)、一个光衰减器(7)、一个2 XI禪合器 (8)和一个探头(6)相对应，每个光纤声光调制器(4)的一个输出端通过光衰减器(7)连接2 XI禪合器(8)的一个输入端，该光纤声光调制器(4)的另一个输出端连接光环形器(5)的一 号端口，该光环形器(5)的二号端口连接探头(6)的光纤接口，该光环形器(5)的Ξ号端口连 接2 X 1禪合器(8)的另一个输入端；
[0102] 四个2X1禪合器(8)的输出端连接光电探测器(9)的信号输入端，光电探测器(9) 的输出端连接信号解调模块(10)的信号输入端，信号解调模块(10)的输出端用于连接上位 机。
[0103] 图7所示为实现同步多点探测法的装置的结构示意图：带尾纤的激光器（1)输出单 频激光束，经过光隔离器(2)后输入到1X4光纤禪合器(3)内，该1X4光纤禪合器(3)按等光 强输出4路激光，4路激光各自输入到光纤声光调制器(4)，光纤声光调制器(4)输出的0级光 作为参考光，其输出的1级光作为探测光:4路探测光经光环形器(5)输出到4个探头(6)，4个 探头(6)将探测激光出射到待探测水域，并接收水面返射回的激光束，即反射激光束，反射 激光束的相位受到了水表面波动的调制，反射激光束经环形器后输入到2X1禪合器(8);另 一方面，参考光经过光衰减器(7)后也输入到2X1禪合器(8)，两束光汇合后产生了相干信 号，4路相干信号由4通道的光电探测器(9)接收，光电探测器(9)将相干信号转换为电信号， 进入4通道的信号解调模块(10)，信号解调模块(10)采用图6所示的原理对接收到的信号进 行处理，得到水表面声波信息Assin(2时st+(l)s)，将该信息发送至上位机，上位机即可获得4 个探测点水表面声波的信息。
[0104]
【具体实施方式】六:结合图7说明本实施方式，本实施方式是对实施方式五所述装置 的进一步限定，本实施方式中，所述探头(6)包括多镜片光禪合器(6-1)和定焦透镜(6- 2)，多镜片光禪合器(6-1)的光纤接口作为探头(6)的光纤接口，探测光依次经过多镜片光 禪合器(6-1)和定焦透镜(6-2)后入射到水表面，经水表面返回的激光依次经过定焦透镜 (6-2)和多镜片光禪合器(6-1)后进入光环形器(5)的二号端口。
[0105] 该光纤禪合器(6-1)用于将探测激光出射到待探测水域，同时配合定焦透镜(6- 2)实现反射激光束的接收。
【具体实施方式】 [0106] 屯:结合图8说明本实施方式，本实施方式是实现实施方式四所述的 基于激光多点相干探测的水下发声目标位置估计方法的装置，所述装置包括激光器(1)、光 隔离器(2)、光纤声光调制器(4)、光环形器(5)、探头(6)、光衰减器(7)、2X1禪合器(8)、光 电探测器(9)和信号解调模块(10);
[0107] 激光器（1)发出的激光经过光隔离器(2)后进入光纤声光调制器(4)的输入端，光 纤声光调制器(4)的一个输出端通过光衰减器(7)连接2X1禪合器(8)的一个输入端，该光 纤声光调制器(4)的另一个输出端连接光环形器(5)的一号端口，该光环形器(5)的二号端 口连接探头(6)的光纤接口，该光环形器(5)的Ξ号端口连接2X1禪合器(8)的另一个输入 端，2X1禪合器(8)的输出端连接光电探测器(9)的信号输入端，光电探测器(9)的输出端连 接信号解调模块(10)的信号输入端，信号解调模块(10)的输出端用于连接上位机。
[0108] 该装置利用一个光学探头对感兴趣的水域内进行逐点的水表面声波探测，W最大 振幅处为声源中屯、位置的最优估计。
[0109]
【具体实施方式】八:结合图8说明本实施方式，本实施方式是对实施方式屯所述装置 的进一步限定，本实施方式中，所述探头(6)包括多镜片光禪合器(6-1)和定焦透镜(6- 2)，多镜片光禪合器(6-1)的光纤接口作为探头(6)的光纤接口，探测光依次经过多镜片光 禪合器(6-1)和定焦透镜(6-2)后入射到水表面，经水表面返回的激光依次经过定焦透镜 (6-2)和多镜片光禪合器(6-1)后进入光环形器(5)的二号端口。
[0110]该光纤禪合器(6-1)用于将探测激光出射到待探测水域，同时配合定焦透镜(6- 2)实现反射激光束的接收。
【主权项】
1. 基于激光多点相干探测的水下发声目标位置估计方法，其特征在于，该方法为： 步骤一、在水表面上任意选取四个点作为探测点，且四个探测点构成正方形； 步骤二、采用水下声信号激光相干探测法对四个探测点进行探测，分别得到四个探测 点的探测信号Id(t)，即光电探测器接收到的信号，并对四个探测点的探测信号进行频谱分 析或相位解调，得到四个探测点的水表面声波振幅值； 步骤三、判断四个探测点的水表面声波振幅值是否相同，如果相同，则将探测中心、BP 四个探测点构成的正方形的中心点〇作为声源中心位置的最佳估计，如果不相同，则执行步 骤四； 步骤四、根据振幅最大和次大探测点计算探测系统光学探头移动的方向向量i :其中，Amaxl为四个探测点的水表面声波最大振幅值，Amaxl对应的位置为探测点S maxl，Amax2 为四个探测点的水表面声波次大振幅值，Amax2对应的位置为探测点Smax2,0为四个探测点构 成的正方形的中心； 步骤五、按照步骤四得到的向量S来移动四个光学探头，然后返回步骤二。2. 根据权利要求1所述的基于激光多点相干探测的水下发声目标位置估计方法，其特 征在于，步骤二中的探测信号Id (t)的获得方法为： 参考光的光振幅Eb随时间t的分布为： Eb(t)=Ab sin( c〇〇t+kzb+<i)) (I) 式中，Ab为参考光光振幅Eb的幅值； ω 〇为激光角频率； k为激光波数； Zb为参考光的光程； Φ为激光初始相位。 测量光的光振幅Em随时间t的分布为： Em(t)=Am sin[( t〇〇+c〇d)t+kzm+<i) ] (2) 式中，Am为测量光光振幅Eb的幅值； Zm为测量光的光程； ω d为声光调制器调制频率。 参考光与测量光汇合后的合振幅为： E(t) =Eb(t)+Em(t) =Am sin( ω〇t+kzm+Φ )+Ab sin[( ω〇+ωd)t+kzb+Φ ] (3) 则相干光光强I (t)为： I(t)= |E(t) |2=Am2cos2( t〇〇t+kzm+<i) )+Ab2cos2[( t〇〇+c〇d)t+kzb+<i) ] (4) +AmAbcos[ (2 ω 〇+ω d)t+kzm+kzb+2 Φ ]+AmAbcos[ t〇dt+k(Zm-zb)] 光强由光电探测器接收，光电探测器将Am2cos2( ω ot+kzm+ Φ )、Ab2cos2[ ( ω 〇+ ω d)t+kzb+ Φ ] jPAmAb cos[ (2 ω 〇+ ω d)t+kzm+kzb+2 Φ ]转变为直流信号，因此，去除直流分量后的光强 信号Id表不为： Id(t) =KAmAb COs[k (zm-Zb) ] =Ad cost ω dt+k(zm-Zb) ] (5) 式中，K为光电接收器的放大倍率，记Ad = KAmAb， 光程差Zm-Zb表不为： Zm-Zb = 2(Li-L2)+2An sin(2JTfnt+Φn)+2As sin(2JTfst+Φs) (6) 式中，An sin(2JTfnt+ Φ n)为自然水表面的振动表达式(An为自然水表面振幅，fn为自然 水表面振动频率，Φ η为自然水表面振动初相位），As S in (2JTf st+ Φ s)为水下声源引起的水 表面振动表达式(As为水表面声波振幅，fs为水表面声波振动频率，<i) s为水表面声波振动初 相位），L1为水面静止时测量光的初始光程，L2为水面静止时参考光的光程，那么，（L 1-L2)为 水面静止时两路光的初始光程差，记为AL，则光电探测器接收到的光强信号可由下式表 述： Id(t) =Ad cos{ ωdt+k[2AL+2An sin(2jrfnt+Φn)+2As sin(2jrfst+Φs)]} (7) As sin(2iifst+ Φ s)为由水下声源引起的水表面声波的信息。3. 基于激光多点相干探测的水下发声目标位置估计方法，其特征在于，该方法为:采用 水下声信号激光相干探测法对待探测水域进行逐点探测，得到各个探测点的探测信号Id (t)，即光电探测器接收到的信号，并对每个探测点的探测信号进行频谱分析或相位解调， 得到每个探测点的水表面声波振幅值，将水表面声波振幅值最大的探测点的位置作为声源 中心位置的最佳估计。4. 根据权利要求3所述的基于激光多点相干探测的水下发声目标位置估计方法，其特 征在于，探测信号Id (t)的获得方法为： 参考光的光振幅Eb随时间t的分布为： Eb(t)=Ab sin( c〇〇t+kzb+<i)) (I) 式中，Ab为参考光光振幅Eb的幅值； ω 〇为激光角频率； k为激光波数； Zb为参考光的光程； Φ为激光初始相位。 测量光的光振幅Em随时间t的分布为： Em(t)=Am sin[( t〇〇+c〇d)t+kzm+<i) ] (2) 式中，Am为测量光光振幅Eb的幅值； Zm为测量光的光程； ω d为声光调制器调制频率。 参考光与测量光汇合后的合振幅为： E(t) =Eb(t)+Em(t) =Am sin( ω〇t+kzm+Φ )+Ab sin[( ω〇+ωd)t+kzb+Φ ] (3) 则相干光光强I (t)为： I(t)= |E(t) |2=Am2cos2( t〇〇t+kzm+<i) )+Ab2cos2[( t〇〇+c〇d)t+kzb+<i) ] (4) +AmAb COS[ (2 C〇〇+C〇d)t+kZm+kzb+2 (})]+AmAb COS[t〇dt+k(Zm-Zb)] 光强由光电探测器接收，光电探测器将Am2cos2( ω ot+kzm+ Φ )、Ab2cos2[ ( ω 〇+ ω d)t+kzb+ Φ ] jPAmAbcos[ (2 ω 〇+ω d) t+kzm+kzb+2 Φ ]转变为直流信号，因此，去除直流分量后的光强 信号Id表不为： Id(t) =KAmAb COs[k(zm-Zb) ] =Ad cost ω dt+k(zm-Zb) ] (5) 式中，K为光电接收器的放大倍率，记Ad = KAmAb， 光程差Zm-Zb表不为： Zm-Zb = 2(Li-L2)+2An sin(2JTfnt+Φn)+2As sin(2JTfst+Φs) (6) 式中，An sin(2JTfnt+ Φ n)为自然水表面的振动表达式(An为自然水表面振幅，fn为自然 水表面振动频率，Φ η为自然水表面振动初相位），As S in (2JTf st+ Φ s)为水下声源引起的水 表面振动表达式(As为水表面声波振幅，fs为水表面声波振动频率，<i) s为水表面声波振动初 相位），L1为水面静止时测量光的初始光程，L2为水面静止时参考光的光程，那么，（L 1-L2)为 水面静止时两路光的初始光程差，记为AL，则光电探测器接收到的光强信号可由下式表 述： Id(t) =Ad cos{ ωdt+k[2AL+2An sin(2jrfnt+Φn)+2As sin(2jrfst+Φs)]} (7) As sin(2iifst+ Φ s)为由水下声源引起的水表面声波的信息。5. 实现权利要求2所述的基于激光多点相干探测的水下发声目标位置估计方法的装 置，其特征在于，所述装置包括激光器（1)、光隔离器(2)、1X4光纤耦合器(3)、四个光纤声 光调制器(4)、四个光环形器(5)、四个探头(6)、四个光衰减器(7)、四个2X 1耦合器(8)、4通 道的光电探测器(9)和4通道的信号解调模块(10); 激光器（1)发出的激光经过光隔离器（2)后进入1X4光纤耦合器(3)，1X4光纤耦合器 (3)的四个输出端分别连接四个光纤声光调制器(4)的输入端； 每个光纤声光调制器(4)与一个光环形器(5)、一个光衰减器(7)、一个2 X 1親合器(8) 和一个探头(6)相对应，每个光纤声光调制器(4)的一个输出端通过光衰减器(7)连接2X1 親合器(8)的一个输入端，该光纤声光调制器(4)的另一个输出端连接光环形器(5)的一号 端口，该光环形器(5)的二号端口连接探头(6)的光纤接口，该光环形器(5)的三号端口连接 2 X 1耦合器(8)的另一个输入端； 四个2X1耦合器(8)的输出端连接光电探测器(9)的信号输入端，光电探测器(9)的输 出端连接信号解调模块(10)的信号输入端，信号解调模块(10)的输出端用于连接上位机。6. 根据权利要求5所述的实现基于激光多点相干探测的水下发声目标位置估计方法的 装置，其特征在于，所述探头(6)包括多镜片光耦合器(6 - 1)和定焦透镜(6 - 2)，多镜片光 耦合器(6 - 1)的光纤接口作为探头(6)的光纤接口，探测光依次经过多镜片光耦合器(6 - 1)和定焦透镜(6 - 2)后入射到水表面，经水表面返回的激光依次经过定焦透镜(6 - 2)和多 镜片光耦合器(6 - 1)后进入光环形器(5)的二号端口。7. 实现权利要求4所述的基于激光多点相干探测的水下发声目标位置估计方法的装 置，其特征在于，所述装置包括激光器（1)、光隔离器（2)、光纤声光调制器（4)、光环形器 (5)、探头(6)、光衰减器(7)、2X1耦合器(8)、光电探测器(9)和信号解调模块(10); 激光器（1)发出的激光经过光隔离器(2)后进入光纤声光调制器(4)的输入端，光纤声 光调制器(4)的一个输出端通过光衰减器(7)连接2X1耦合器(8)的一个输入端，该光纤声 光调制器(4)的另一个输出端连接光环形器(5)的一号端口，该光环形器(5)的二号端口连 接探头(6)的光纤接口，该光环形器(5)的三号端口连接2X1耦合器(8)的另一个输入端，2 Xl耦合器(8)的输出端连接光电探测器(9)的信号输入端，光电探测器(9)的输出端连接信 号解调模块(10)的信号输入端，信号解调模块(10)的输出端用于连接上位机。8. 根据权利要求7所述的实现基于激光多点相干探测的水下发声目标位置估计方法的 装置，其特征在于，所述探头(6)包括多镜片光耦合器(6 - 1)和定焦透镜(6 - 2)，多镜片光 耦合器(6 - 1)的光纤接口作为探头(6)的光纤接口，探测光依次经过多镜片光耦合器(6 - 1)和定焦透镜(6 - 2)后入射到水表面，经水表面返回的激光依次经过定焦透镜(6 - 2)和多 镜片光耦合器(6 - 1)后进入光环形器(5)的二号端口。
【专利摘要】基于激光多点相干探测的水下发声目标位置估计方法及实现该方法的装置，涉及水下发声目标位置探测技术。为了解决“激光-声”联合探测手段无法实现水下发声目标位置探测的问题。本发明首先搭建激光相干探测系统，然后利用相干探测系统对感兴趣的水域多个位置进行水表面声波探测，利用频谱分析、相位解调等方法实现各个点水表面声波波幅的测量，最后根据水表面声波波幅分布特征，波幅最大的位置视为水下声源中心的最优估计。本发明所述的方法和装置能够实现水下发声源位置的空中探测，可根据实际需求选择同步多点相干探测或异步多点相干探测两种方法，灵活性和机动性非常好，适用于水下发声目标探测，以及空对潜通信。
【IPC分类】G01S15/06
【公开号】CN105487077
【申请号】CN201511021900
【发明人】张晓琳, 张烈山, 唐文彦, 王军
【申请人】哈尔滨工业大学
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2015年12月29日
【技术领域】
[0001] 本发明设及水下发声目标位置探测技术。
【背景技术】
[0002] 包括水下测音器、声响浮标及拖拽式声波定位器在内的声响技术依然是当前水下 发声目标探测的主流技术手段，例如利用声响技术对MH370黑厘子的捜索，声响技术是一种 利用声波在水下的传播特性，通过电声转换和信息处理完成水下探测和通讯任务的电子设 备，分为主动式和被动式两种类型。船载声响技术由于机动性、灵活性W及隐蔽性较差，对 水下发声目标的探测应用受到了诸多限制。
[0003] 人们希望能够实现水下发声目标的遥测，于是提出了 "激光-声"联合探测手段，目 前的实验室研究显示了 "激光-声"联合探测技术的潜力，激光相干探测法已被研究应用到 水下声信号的提取中，取得了一定的成效，但目前"激光-声"联合探测手段仍然无法实现水 下发声目标位置的探测。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是为了解决"激光-声"联合探测手段无法实现水下发声目标位置探 测的问题，提供两种基于激光多点相干探测的水下发声目标位置估计方法及实现上述两种 方法的装置。
[0005] 本发明所述的第一种基于激光多点相干探测的水下发声目标位置估计方法为同 步多点探测法，该方法包括W下步骤：
[0006] 步骤一、在水表面上任意选取四个点作为探测点，且四个探测点构成正方形；
[0007] 步骤二、采用水下声信号激光相干探测法对四个探测点进行探测，分别得到四个 探测点的探测信号Id(t)，即光电探测器接收到的信号，并对四个探测点的探测信号进行频 谱分析或相位解调，得到四个探测点的水表面声波振幅值；
[000引步骤Ξ、判断四个探测点的水表面声波振幅值是否相同，如果相同，则将探测中 屯、、即四个探测点构成的正方形的中屯、点0作为声源中屯、位置的最佳估计，如果不相同，贝U 执行步骤四；
[0009] 步骤四、根据振幅最大和次大探测点计算探测系统光学探头移动的方向向量
[0010]
[OOW 其中，Amaxl为四个探测点的水表面声波最大振幅值，Amaxl对应的位置为探测点 Smaxl，Ama。为四个探测点的水表面声波次大振幅值，Ama。对应的位置为探测点Sma。，0为四个 探测点构成的正方形的中屯、；
[0012]步骤五、按照步骤四得到的向量Μ来移动四个光学探头，然后返回步骤二。
[0013] 实现上述方法的装置包括激光器（1)、光隔离器(2)、1X4光纤禪合器(3)、四个光 纤声光调制器（4)、四个光环形器（5)、四个探头（6)、四个光衰减器（7)、四个2 XI禪合器 (8)、4通道的光电探测器(9)和4通道的信号解调模块(10);
[0014] 激光器（1)发出的激光经过光隔离器(2)后进入1X4光纤禪合器(3) ,1X4光纤禪 合器(3)的四个输出端分别连接四个光纤声光调制器(4)的输入端；
[0015] 每个光纤声光调制器(4)与一个光环形器(5)、一个光衰减器(7)、一个2 XI禪合器 (8)和一个探头(6)相对应，每个光纤声光调制器(4)的一个输出端通过光衰减器(7)连接2 X 1禪合器(8)的一个输入端，该光纤声光调制器(4)的另一个输出端连接光环形器(5)的一 号端口，该光环形器(5)的二号端口连接探头(6)的光纤接口，该光环形器(5)的Ξ号端口连 接2 X 1禪合器(8)的另一个输入端；
[0016] 四个2X1禪合器(8)的输出端连接光电探测器(9)的信号输入端，光电探测器(9) 的输出端连接信号解调模块(10)的信号输入端，信号解调模块(10)的输出端用于连接上位 机。
[0017] 本发明所述的第二种基于激光多点相干探测的水下发声目标位置估计方法为异 步多点探测方法，该方法为:采用水下声信号激光相干探测法对待探测水域进行逐点探测， 得到各个探测点的探测信号Id(t)，即光电探测器接收到的信号，并对每个探测点的探测信 号进行频谱分析或相位解调，得到每个探测点的水表面声波振幅值，将水表面声波振幅值 最大的探测点的位置作为声源中屯、位置的最佳估计。
[0018] 实现上述方法的装置包括激光器（1)、光隔离器（2)、光纤声光调制器(4)、光环形 器(5)、探头(6)、光衰减器(7)、2X1禪合器(8)、光电探测器(9)和信号解调模块(10);
[0019] 激光器（1)发出的激光经过光隔离器(2)后进入光纤声光调制器(4)的输入端，光 纤声光调制器(4)的一个输出端通过光衰减器(7)连接2X1禪合器(8)的一个输入端，该光 纤声光调制器(4)的另一个输出端连接光环形器(5)的一号端口，该光环形器(5)的二号端 口连接探头(6)的光纤接口，该光环形器(5)的Ξ号端口连接2X1禪合器(8)的另一个输入 端，2X1禪合器(8)的输出端连接光电探测器(9)的信号输入端，光电探测器(9)的输出端连 接信号解调模块(10)的信号输入端，信号解调模块(10)的输出端用于连接上位机。
[0020] 本发明针对水下发声源位置的空中探测运一问题提出了解决方案。本发明所述的 两种方法可简述为如下过程：1)搭建激光相干探测系统；2)利用相干探测系统对感兴趣的 水域多个位置进行水表面声波探测；3)利用频谱分析、相位解调等方法实现各个点水表面 声波波幅的测量;4)根据水表面声波波幅分布特征，波幅最大的位置视为水下声源中屯、的 最优估计。
[0021 ]根据基本多点相干探测的水下发声目标位置评估方法的基本原理，其实现方法可 采用两种形式:1)同步多点探测;2)异步多点探测。
[0022] 本发明所述的方法和装置能够实现水下发声源位置的空中探测，可根据实际需求 选择同步多点相干探测或异步多点相干探测两种方法，灵活性和机动性非常好，适用于水 下发声目标探测，W及空对潜通信。
【附图说明】
[0023] 图1为实施方式一中的水表面声波的空间形态图；
[0024] 图2为实施方式一中的水下声信号激光相干探测的基本原理示意图，11表示分光 镜，12表示平面反射镜，13表示信号发生器，14表示功率放大器，15表示水下声源，16表示数 据采集及处理系统；
[0025] 图3为实施方式一中四个探测点的初始位置分布图；
[00%]图4为实施方式一中声源中屯、定位示意图；
[0027] 图5为实施方式一所述方法的流程图；
[0028] 图6为实施方式二中的根据相干信号获得水表面声波信息的原理框图；
[0029] 图7为实施方式五所述装置的结构示意图；
[0030] 图8为实施方式屯所述装置的结构示意图。
【具体实施方式】
【具体实施方式】 [0031] 一：结合图1至图5说明本实施方式，本实施方式所述的基于激光多 点相干探测的水下发声目标位置估计方法为同步多点探测法，该方法为：
[0032] 步骤一、在水表面上任意选取四个点作为探测点，且四个探测点构成正方形；
[0033] 步骤二、采用水下声信号激光相干探测法对四个探测点进行探测，分别得到四个 探测点的探测信号Id(t)，即光电探测器接收到的信号，并对四个探测点的探测信号进行频 谱分析或相位解调，得到四个探测点的水表面声波振幅值；
[0034] 步骤Ξ、判断四个探测点的水表面声波振幅值是否相同，如果相同，则将探测中 屯、、即四个探测点构成的正方形的中屯、点0作为声源中屯、位置的最佳估计，如果不相同，贝U 执行步骤四；
[0035] 步骤四、根据振幅最大和次大探测点计算探测系统光学探头移动的方向向量品;
[0036]
[0037] 其中，Amaxl为四个探测点的水表面声波最大振幅值，Amaxl对应的位置为探测点 Smaxl，Ama。为四个探测点的水表面声波次大振幅值，Amax拥应的位置为探测点Smax2，0为四个 探测点构成的正方形的中屯、；
[0038] 步骤五、按照步骤四得到的向量《来移动四个光学探头，然后返回步骤二。
[0039] 水表面声波是由水下声福射穿透水气界面而引起的一种横向微幅波，若W水表面 声源扰动中屯、为坐标原点，水面法方向作为Z坐标轴建立坐标系，那么根据液体表面横向微 幅波理论，水表面声波的Ξ维行波解可由下式表示：
[0040]
[0041] 式中，η为位置(X，y)处水表面声波实时波幅，j为虚数符号，X为X轴坐标分量，y为Y 轴坐标分量，ω为水 表面声波的角频率(也即水下声信号的角频率），e为自然对数的底。
[0042] 由于水的粘滞作用，水表面横向微幅波的波幅不可能保持不变，也即水表面横向 微幅波的范围不是无限的，水表面微幅波的振幅随着传播距离的增加而减小，即水表面微 幅波区域的质点越靠近扰动源，其振幅越大。研究表明，水表面横向微幅波的波幅将W指数 形式衰减，因此，可将上式修正为：
[0043]
[0044] 式中，τ为衰减系数。因此，由水下声福射引起的水表面声波的空间形态如图1所 示。整个波形呈现同屯、圆的结构，且中屯、幅度大，外沿幅度小。同屯、圆的圆屯、位置即为水下 声福射中屯、的所在位置。正是由于水表面横向微幅波的振幅衰减的特点，我们可W利用多 点波幅探测的方法来实现水下目标发声位置的估计。
[0045] 水下声信号激光相干探测的原理如图2所示，该图为典型的激光相干法探测水下 声信号的光路图。激光器发出的激光束经声光调制器(Α0Μ)衍射后，分成两束光，一束作为 测量光，另一束作为参考光。测量光直接入射到被测水面，该水面的振动因为受到了水下声 源的调制而包含有水下声源同频率的振动成分，位相被运些振动调制的反射光(实际表现 为中屯、光强大四周光强小的光斑)入射至分光镜，并经分光镜反射;参考光经45度平面反射 镜反射后，入射至分光镜，并经分光镜透射，在分光镜里内部，测量光与参考光汇合，发生了 相干，相干光入射至光电探测器的探测面上。光电探测器接收相干信号，并将其转化为电信 号，该电信号经过信号处理电路和数据采集及处理系统处理后，被上位机读取，被上位机读 取的相干信号做进一步处理可解调出水下声信号的特征。
[0046] 同步多点相干探测法的4个探测点51、52、53、54的分布如图3所示，整体呈现正方 形，其几何中屯、为0点。实践时，利用同步多点相干探测系统对感兴趣的水域进行多点探测， 得到4个探测点51、52、53、54处的水表面声波信息，选出水表面声波振幅最大和次大的两个 探测位置，分别记为Smaxl和Smax2，那么声源中屯、方向则位于振幅最大探测点Smaxl和次大探测 点Smax2与中屯、点0组成的张角范围内。W图3为例，水表面声波振幅最大的探测点为Sl，次大 探测点为S4,那么声源中屯、C相对于探测系统的方向OC刚位于向量源;和庶;之间.为捜索 水表面声波的最大振幅位置，探测系统需按照方向OC巧动，不断调整探测系统的位置，使4 个探测点探测到的水表面声波的振幅大小基本一致，如图4所示，此时认为探测中屯、点0即 为声源中屯、的最优估计。
【具体实施方式】 [0047] 二:结合图6说明本实施方式，本实施方式是对实施方式一所述的一 种基于激光多点相干探测的水下发声目标位置估计方法的进一步限定，根据实施方式一中 的测量原理，步骤二中的探测信号Id (t)的获得方法为：
[004引参考光的光振幅Eb随时间t的分布为：
[0049] Eb(t) =Absin( ω 〇t+kzb+Φ ) (1)
[0050] 式中，Ab为参考光光振幅Eb的幅值；
[0051 ] ω日为激光角频率；
[0052] k为激光波数；
[0053] Zb为参考光的光程；
[0化4] Φ为激光初始相位。
[0055] 测量光的光振幅Em随时间t的分布为：
[0056] Em(t) =Amsin[( ω0+ωd)t+kzm+Φ ] (2)
[0057] 式中，Am为测量光光振幅Eb的幅值；
[005引Zm为测量光的光程；
[0059] Wd为声光调制器调制频率。
[0060]参考光与测量光汇合后的合振幅为：
[0064]光强由光电探测器接收，光电探测器不对高频项响应，即将4,巧/+&"+键、 4^cos?巧,+巧)/'+Ar,-l·沟、和AmAbCos[(2ωo+ωd)t+kzm+kzb+2Φ]转变为直流信号，因此，去除直 流分量后的光强信号Id表示为：
[00化]Id(t)=KAmAbCOS[k(Zm-Zb)]=AdCOS[ t0dt+k(Zm-Zb)] (5)
[0066] 式中，Κ为光电接收器的放大倍率，记Ad = KAmAb，
[0067] 由上式可知，光电探测器接收的信号是关于参考光和测量光光程差的调制信号， 两束激光的光程差由两个臂的初始长度和水表面振动有关，其中水表面振动包含自然水表 面的波动W及水下声信号激发的水表面声波两部分，因此，光程差Zm-Zb表示为：
[006引 Zm-Zb = 2a 广 L2)+2Ansin(2 灶 nt+<l)n)+2Assin(2 灶 st+<l)s) (6)
[0069] 式中，AnSin(化fnt+Φη)为自然水表面的振动表达式(An为自然水表面振幅，fn为自 然水表面振动频率，Φ η为自然水表面振动初相位），Assin(2时st+ Φ S)为水下声源引起的水 表面振动表达式(As为水表面声波振幅，fs为水表面声波振动频率，Φβ为水表面声波振动初 相位），^为水面静止时测量光的初始光程，L2为水面静止时参考光的光程，那么，ai-L2)为 水面静止时两路光的初始光程差，记为AL，则光电探测器接收到的光强信号可由下式表 述：
[0070] Id(t) = Adcos{ ω dt+k[2 Δ L+2Ansin(2时nt+Φ n)+2Assin(2时st+Φ S) ]} (7)
[0071] Assin(2时st+(l)s)为由水下声源引起的水表面声波的信息。
[0072] 由公式(7)可知，由光电探测器获得的探测信号的相位中包含了水下声源引起的 水表面声波的信息:Assin(2时st+ Φ S)。采用常规的方法(例如频谱分析或相位解调等方法） 对探测信号进行分析，即可得到水表面声波的振动幅值As和振动频率fs。可采用图6所示的 原理得到水表面声波信息:Assin(2时st+ Φ S)。
【具体实施方式】 [0073] 本实施方式所述的基于激光多点相干探测的水下发声目标位置 估计方法为异步多点探测方法，该方法为:采用水下声信号激光相干探测法对待探测水域 进行逐点探测，得到各个探测点的探测信号Id(t)，即光电探测器接收到的信号，并对每个 探测点的探测信号进行频谱分析或相位解调，得到每个探测点的水表面声波振幅值，将水 表面声波振幅值最大的探测点的位置作为声源中屯、位置的最佳估计。
【具体实施方式】 [0074] 四：本实施方式是对实施方式Ξ所述的基于激光多点相干探测的水 下发声目标位置估计方法的进一步限定，探测信号Id(t)的获得方法为：
[0075] 参考光的光振幅Eb随时间t的分布为：
[0076] Eb(t) =Absin( ω 〇t+kzb+Φ ) (1)
[0077] 式中，Ab为参考光光振幅Eb的幅值；
[007引 ω0为激光角频率；
[0079] k为激光波数；
[0080] Zb为参考光的光程；
[0081] Φ为激光初始相位。
[0082] 测量光的光振幅Em随时间t的分布为：
[0083] Em(t) =Amsin[( ω0+ωd)t+kzm+Φ ] (2)
[0084] 式中，Am为测量光光振幅Eb的幅值；
[0085] Zm为测量光的光程；
[00化]cod为声光调制器调制频率。
[0087]参考光与测量光汇合后的合振幅为：
[008引 E(t)=Eb(t)+Em(t)=Amsin( ωο?+Ι?Ζ??+Φ )+Absin[( ω0+ω<ιΗ+1?Ζ6+Φ ] (3)
[0089] 则相干光光强I(t)为：
[0090]
[0091] 光强由光电探测器接收，光电探测器将4，""《?""(娜+旬+#、半《?弔巧+巧片崎+沟、和 AmAbcos[ (2 ω日+ ω d)t+kzm+kzb+2 Φ ]转变为直流信号，因此，去除直流分量后的光强信号Id 表不为：
[0092] Id(t) =KAmAbcos[k(Zm-zb)] =Adcos[ ωdt+k(Zm-zb)] (5)
[0093] 式中，Κ为光电接收器的放大倍率，记Ad = KAmAb，
[0094] 光程差Zm-Zb表示为：
[0095] Zm-Zb = 2a 广 L2)+2Ansin(2 灶 nt+<l)n)+2Assin(2 灶 st+<l)s) (6)< br>[0096] 式中，AnSin(化fnt+ Φ η)为自然水表面的振动表达式(An为自然水表面振幅，fn为自 然水表面振动频率，Φ η为自然水表面振动初相位），AsSin( 2时st+ Φ S)为水下声源引起的水 表面振动表达式(As为水表面声波振幅，fs为水表面声波振动频率，Φβ为水表面声波振动初 相位），^为水面静止时测量光的初始光程，L2为水面静止时参考光的光程，那么，ai-L2)为 水面静止时两路光的初始光程差，记为al，则光电探测器接收到的光强信号可由下式表 述：
[0097] Id(t)=Adcos{ Wdt+k[2AL+2Ansin(23ifnt+<l)n)+2Assin(^ifst+<l)s)]} (7)
[009引 Assin(化fst+d)s)为由水下声源引起的水表面声波的信息。
【具体实施方式】 [0099] 五:结合图6和图7说明本实施方式，本实施方式是实现实施方式二 所述的基于激光多点相干探测的水下发声目标位置估计方法的装置，所述装置包括激光器 (1)、光隔离器(2)、1X4光纤禪合器(3)、四个光纤声光调制器(4)、四个光环形器(5)、四个 探头(6)、四个光衰减器(7)、四个2X1禪合器(8)、4通道的光电探测器(9)和4通道的信号解 调板块(10);
[0100] 激光器（1)发出的激光经过光隔离器(2)后进入1X4光纤禪合器(3) ,1X4光纤禪 合器(3)的四个输出端分别连接四个光纤声光调制器(4)的输入端；
[0101] 每个光纤声光调制器(4)与一个光环形器(5)、一个光衰减器(7)、一个2 XI禪合器 (8)和一个探头(6)相对应，每个光纤声光调制器(4)的一个输出端通过光衰减器(7)连接2 XI禪合器(8)的一个输入端，该光纤声光调制器(4)的另一个输出端连接光环形器(5)的一 号端口，该光环形器(5)的二号端口连接探头(6)的光纤接口，该光环形器(5)的Ξ号端口连 接2 X 1禪合器(8)的另一个输入端；
[0102] 四个2X1禪合器(8)的输出端连接光电探测器(9)的信号输入端，光电探测器(9) 的输出端连接信号解调模块(10)的信号输入端，信号解调模块(10)的输出端用于连接上位 机。
[0103] 图7所示为实现同步多点探测法的装置的结构示意图：带尾纤的激光器（1)输出单 频激光束，经过光隔离器(2)后输入到1X4光纤禪合器(3)内，该1X4光纤禪合器(3)按等光 强输出4路激光，4路激光各自输入到光纤声光调制器(4)，光纤声光调制器(4)输出的0级光 作为参考光，其输出的1级光作为探测光:4路探测光经光环形器(5)输出到4个探头(6)，4个 探头(6)将探测激光出射到待探测水域，并接收水面返射回的激光束，即反射激光束，反射 激光束的相位受到了水表面波动的调制，反射激光束经环形器后输入到2X1禪合器(8);另 一方面，参考光经过光衰减器(7)后也输入到2X1禪合器(8)，两束光汇合后产生了相干信 号，4路相干信号由4通道的光电探测器(9)接收，光电探测器(9)将相干信号转换为电信号， 进入4通道的信号解调模块(10)，信号解调模块(10)采用图6所示的原理对接收到的信号进 行处理，得到水表面声波信息Assin(2时st+(l)s)，将该信息发送至上位机，上位机即可获得4 个探测点水表面声波的信息。
[0104]
【具体实施方式】六:结合图7说明本实施方式，本实施方式是对实施方式五所述装置 的进一步限定，本实施方式中，所述探头(6)包括多镜片光禪合器(6-1)和定焦透镜(6- 2)，多镜片光禪合器(6-1)的光纤接口作为探头(6)的光纤接口，探测光依次经过多镜片光 禪合器(6-1)和定焦透镜(6-2)后入射到水表面，经水表面返回的激光依次经过定焦透镜 (6-2)和多镜片光禪合器(6-1)后进入光环形器(5)的二号端口。
[0105] 该光纤禪合器(6-1)用于将探测激光出射到待探测水域，同时配合定焦透镜(6- 2)实现反射激光束的接收。
【具体实施方式】 [0106] 屯:结合图8说明本实施方式，本实施方式是实现实施方式四所述的 基于激光多点相干探测的水下发声目标位置估计方法的装置，所述装置包括激光器(1)、光 隔离器(2)、光纤声光调制器(4)、光环形器(5)、探头(6)、光衰减器(7)、2X1禪合器(8)、光 电探测器(9)和信号解调模块(10);
[0107] 激光器（1)发出的激光经过光隔离器(2)后进入光纤声光调制器(4)的输入端，光 纤声光调制器(4)的一个输出端通过光衰减器(7)连接2X1禪合器(8)的一个输入端，该光 纤声光调制器(4)的另一个输出端连接光环形器(5)的一号端口，该光环形器(5)的二号端 口连接探头(6)的光纤接口，该光环形器(5)的Ξ号端口连接2X1禪合器(8)的另一个输入 端，2X1禪合器(8)的输出端连接光电探测器(9)的信号输入端，光电探测器(9)的输出端连 接信号解调模块(10)的信号输入端，信号解调模块(10)的输出端用于连接上位机。
[0108] 该装置利用一个光学探头对感兴趣的水域内进行逐点的水表面声波探测，W最大 振幅处为声源中屯、位置的最优估计。
[0109]
【具体实施方式】八:结合图8说明本实施方式，本实施方式是对实施方式屯所述装置 的进一步限定，本实施方式中，所述探头(6)包括多镜片光禪合器(6-1)和定焦透镜(6- 2)，多镜片光禪合器(6-1)的光纤接口作为探头(6)的光纤接口，探测光依次经过多镜片光 禪合器(6-1)和定焦透镜(6-2)后入射到水表面，经水表面返回的激光依次经过定焦透镜 (6-2)和多镜片光禪合器(6-1)后进入光环形器(5)的二号端口。
[0110]该光纤禪合器(6-1)用于将探测激光出射到待探测水域，同时配合定焦透镜(6- 2)实现反射激光束的接收。
【主权项】
1. 基于激光多点相干探测的水下发声目标位置估计方法，其特征在于，该方法为： 步骤一、在水表面上任意选取四个点作为探测点，且四个探测点构成正方形； 步骤二、采用水下声信号激光相干探测法对四个探测点进行探测，分别得到四个探测 点的探测信号Id(t)，即光电探测器接收到的信号，并对四个探测点的探测信号进行频谱分 析或相位解调，得到四个探测点的水表面声波振幅值； 步骤三、判断四个探测点的水表面声波振幅值是否相同，如果相同，则将探测中心、BP 四个探测点构成的正方形的中心点〇作为声源中心位置的最佳估计，如果不相同，则执行步 骤四； 步骤四、根据振幅最大和次大探测点计算探测系统光学探头移动的方向向量i :其中，Amaxl为四个探测点的水表面声波最大振幅值，Amaxl对应的位置为探测点S maxl，Amax2 为四个探测点的水表面声波次大振幅值，Amax2对应的位置为探测点Smax2,0为四个探测点构 成的正方形的中心； 步骤五、按照步骤四得到的向量S来移动四个光学探头，然后返回步骤二。2. 根据权利要求1所述的基于激光多点相干探测的水下发声目标位置估计方法，其特 征在于，步骤二中的探测信号Id (t)的获得方法为： 参考光的光振幅Eb随时间t的分布为： Eb(t)=Ab sin( c〇〇t+kzb+<i)) (I) 式中，Ab为参考光光振幅Eb的幅值； ω 〇为激光角频率； k为激光波数； Zb为参考光的光程； Φ为激光初始相位。 测量光的光振幅Em随时间t的分布为： Em(t)=Am sin[( t〇〇+c〇d)t+kzm+<i) ] (2) 式中，Am为测量光光振幅Eb的幅值； Zm为测量光的光程； ω d为声光调制器调制频率。 参考光与测量光汇合后的合振幅为： E(t) =Eb(t)+Em(t) =Am sin( ω〇t+kzm+Φ )+Ab sin[( ω〇+ωd)t+kzb+Φ ] (3) 则相干光光强I (t)为： I(t)= |E(t) |2=Am2cos2( t〇〇t+kzm+<i) )+Ab2cos2[( t〇〇+c〇d)t+kzb+<i) ] (4) +AmAbcos[ (2 ω 〇+ω d)t+kzm+kzb+2 Φ ]+AmAbcos[ t〇dt+k(Zm-zb)] 光强由光电探测器接收，光电探测器将Am2cos2( ω ot+kzm+ Φ )、Ab2cos2[ ( ω 〇+ ω d)t+kzb+ Φ ] jPAmAb cos[ (2 ω 〇+ ω d)t+kzm+kzb+2 Φ ]转变为直流信号，因此，去除直流分量后的光强 信号Id表不为： Id(t) =KAmAb COs[k (zm-Zb) ] =Ad cost ω dt+k(zm-Zb) ] (5) 式中，K为光电接收器的放大倍率，记Ad = KAmAb， 光程差Zm-Zb表不为： Zm-Zb = 2(Li-L2)+2An sin(2JTfnt+Φn)+2As sin(2JTfst+Φs) (6) 式中，An sin(2JTfnt+ Φ n)为自然水表面的振动表达式(An为自然水表面振幅，fn为自然 水表面振动频率，Φ η为自然水表面振动初相位），As S in (2JTf st+ Φ s)为水下声源引起的水 表面振动表达式(As为水表面声波振幅，fs为水表面声波振动频率，<i) s为水表面声波振动初 相位），L1为水面静止时测量光的初始光程，L2为水面静止时参考光的光程，那么，（L 1-L2)为 水面静止时两路光的初始光程差，记为AL，则光电探测器接收到的光强信号可由下式表 述： Id(t) =Ad cos{ ωdt+k[2AL+2An sin(2jrfnt+Φn)+2As sin(2jrfst+Φs)]} (7) As sin(2iifst+ Φ s)为由水下声源引起的水表面声波的信息。3. 基于激光多点相干探测的水下发声目标位置估计方法，其特征在于，该方法为:采用 水下声信号激光相干探测法对待探测水域进行逐点探测，得到各个探测点的探测信号Id (t)，即光电探测器接收到的信号，并对每个探测点的探测信号进行频谱分析或相位解调， 得到每个探测点的水表面声波振幅值，将水表面声波振幅值最大的探测点的位置作为声源 中心位置的最佳估计。4. 根据权利要求3所述的基于激光多点相干探测的水下发声目标位置估计方法，其特 征在于，探测信号Id (t)的获得方法为： 参考光的光振幅Eb随时间t的分布为： Eb(t)=Ab sin( c〇〇t+kzb+<i)) (I) 式中，Ab为参考光光振幅Eb的幅值； ω 〇为激光角频率； k为激光波数； Zb为参考光的光程； Φ为激光初始相位。 测量光的光振幅Em随时间t的分布为： Em(t)=Am sin[( t〇〇+c〇d)t+kzm+<i) ] (2) 式中，Am为测量光光振幅Eb的幅值； Zm为测量光的光程； ω d为声光调制器调制频率。 参考光与测量光汇合后的合振幅为： E(t) =Eb(t)+Em(t) =Am sin( ω〇t+kzm+Φ )+Ab sin[( ω〇+ωd)t+kzb+Φ ] (3) 则相干光光强I (t)为： I(t)= |E(t) |2=Am2cos2( t〇〇t+kzm+<i) )+Ab2cos2[( t〇〇+c〇d)t+kzb+<i) ] (4) +AmAb COS[ (2 C〇〇+C〇d)t+kZm+kzb+2 (})]+AmAb COS[t〇dt+k(Zm-Zb)] 光强由光电探测器接收，光电探测器将Am2cos2( ω ot+kzm+ Φ )、Ab2cos2[ ( ω 〇+ ω d)t+kzb+ Φ ] jPAmAbcos[ (2 ω 〇+ω d) t+kzm+kzb+2 Φ ]转变为直流信号，因此，去除直流分量后的光强 信号Id表不为： Id(t) =KAmAb COs[k(zm-Zb) ] =Ad cost ω dt+k(zm-Zb) ] (5) 式中，K为光电接收器的放大倍率，记Ad = KAmAb， 光程差Zm-Zb表不为： Zm-Zb = 2(Li-L2)+2An sin(2JTfnt+Φn)+2As sin(2JTfst+Φs) (6) 式中，An sin(2JTfnt+ Φ n)为自然水表面的振动表达式(An为自然水表面振幅，fn为自然 水表面振动频率，Φ η为自然水表面振动初相位），As S in (2JTf st+ Φ s)为水下声源引起的水 表面振动表达式(As为水表面声波振幅，fs为水表面声波振动频率，<i) s为水表面声波振动初 相位），L1为水面静止时测量光的初始光程，L2为水面静止时参考光的光程，那么，（L 1-L2)为 水面静止时两路光的初始光程差，记为AL，则光电探测器接收到的光强信号可由下式表 述： Id(t) =Ad cos{ ωdt+k[2AL+2An sin(2jrfnt+Φn)+2As sin(2jrfst+Φs)]} (7) As sin(2iifst+ Φ s)为由水下声源引起的水表面声波的信息。5. 实现权利要求2所述的基于激光多点相干探测的水下发声目标位置估计方法的装 置，其特征在于，所述装置包括激光器（1)、光隔离器(2)、1X4光纤耦合器(3)、四个光纤声 光调制器(4)、四个光环形器(5)、四个探头(6)、四个光衰减器(7)、四个2X 1耦合器(8)、4通 道的光电探测器(9)和4通道的信号解调模块(10); 激光器（1)发出的激光经过光隔离器（2)后进入1X4光纤耦合器(3)，1X4光纤耦合器 (3)的四个输出端分别连接四个光纤声光调制器(4)的输入端； 每个光纤声光调制器(4)与一个光环形器(5)、一个光衰减器(7)、一个2 X 1親合器(8) 和一个探头(6)相对应，每个光纤声光调制器(4)的一个输出端通过光衰减器(7)连接2X1 親合器(8)的一个输入端，该光纤声光调制器(4)的另一个输出端连接光环形器(5)的一号 端口，该光环形器(5)的二号端口连接探头(6)的光纤接口，该光环形器(5)的三号端口连接 2 X 1耦合器(8)的另一个输入端； 四个2X1耦合器(8)的输出端连接光电探测器(9)的信号输入端，光电探测器(9)的输 出端连接信号解调模块(10)的信号输入端，信号解调模块(10)的输出端用于连接上位机。6. 根据权利要求5所述的实现基于激光多点相干探测的水下发声目标位置估计方法的 装置，其特征在于，所述探头(6)包括多镜片光耦合器(6 - 1)和定焦透镜(6 - 2)，多镜片光 耦合器(6 - 1)的光纤接口作为探头(6)的光纤接口，探测光依次经过多镜片光耦合器(6 - 1)和定焦透镜(6 - 2)后入射到水表面，经水表面返回的激光依次经过定焦透镜(6 - 2)和多 镜片光耦合器(6 - 1)后进入光环形器(5)的二号端口。7. 实现权利要求4所述的基于激光多点相干探测的水下发声目标位置估计方法的装 置，其特征在于，所述装置包括激光器（1)、光隔离器（2)、光纤声光调制器（4)、光环形器 (5)、探头(6)、光衰减器(7)、2X1耦合器(8)、光电探测器(9)和信号解调模块(10); 激光器（1)发出的激光经过光隔离器(2)后进入光纤声光调制器(4)的输入端，光纤声 光调制器(4)的一个输出端通过光衰减器(7)连接2X1耦合器(8)的一个输入端，该光纤声 光调制器(4)的另一个输出端连接光环形器(5)的一号端口，该光环形器(5)的二号端口连 接探头(6)的光纤接口，该光环形器(5)的三号端口连接2X1耦合器(8)的另一个输入端，2 Xl耦合器(8)的输出端连接光电探测器(9)的信号输入端，光电探测器(9)的输出端连接信 号解调模块(10)的信号输入端，信号解调模块(10)的输出端用于连接上位机。8. 根据权利要求7所述的实现基于激光多点相干探测的水下发声目标位置估计方法的 装置，其特征在于，所述探头(6)包括多镜片光耦合器(6 - 1)和定焦透镜(6 - 2)，多镜片光 耦合器(6 - 1)的光纤接口作为探头(6)的光纤接口，探测光依次经过多镜片光耦合器(6 - 1)和定焦透镜(6 - 2)后入射到水表面，经水表面返回的激光依次经过定焦透镜(6 - 2)和多 镜片光耦合器(6 - 1)后进入光环形器(5)的二号端口。
【专利摘要】基于激光多点相干探测的水下发声目标位置估计方法及实现该方法的装置，涉及水下发声目标位置探测技术。为了解决“激光-声”联合探测手段无法实现水下发声目标位置探测的问题。本发明首先搭建激光相干探测系统，然后利用相干探测系统对感兴趣的水域多个位置进行水表面声波探测，利用频谱分析、相位解调等方法实现各个点水表面声波波幅的测量，最后根据水表面声波波幅分布特征，波幅最大的位置视为水下声源中心的最优估计。本发明所述的方法和装置能够实现水下发声源位置的空中探测，可根据实际需求选择同步多点相干探测或异步多点相干探测两种方法，灵活性和机动性非常好，适用于水下发声目标探测，以及空对潜通信。
【IPC分类】G01S15/06
【公开号】CN105487077
【申请号】CN201511021900
【发明人】张晓琳, 张烈山, 唐文彦, 王军
【申请人】哈尔滨工业大学
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2015年12月29日
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