(zm-Zb) ] =Ad cost ω dt+k(zm-Zb) ] (5) 式中，K為光電接收器的放大倍率，記Ad = KAmAb， 光程差Zm-Zb表不為： Zm-Zb = 2(Li-L2)+2An sin(2JTfnt+Φn)+2As sin(2JTfst+Φs) (6) 式中，An sin(2JTfnt+ Φ n)為自然水表面的振動(dòng)表達(dá)式(An為自然水表面振幅，fn為自然 水表面振動(dòng)頻率，Φ η為自然水表面振動(dòng)初相位），As S in (2JTf st+ Φ s)為水下聲源引起的水 表面振動(dòng)表達(dá)式(As為水表面聲波振幅，fs為水表面聲波振動(dòng)頻率，<i) s為水表面聲波振動(dòng)初 相位），L1為水面靜止時(shí)測(cè)量光的初始光程，L2為水面靜止時(shí)參考光的光程，那么，（L 1-L2)為 水面靜止時(shí)兩路光的初始光程差，記為AL，則光電探測(cè)器接收到的光強(qiáng)信號(hào)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)為由水下聲源引起的水表面聲波的信息。3. 基于激光多點(diǎn)相干探測(cè)的水下發(fā)聲目標(biāo)位置估計(jì)方法，其特征在于，該方法為:采用 水下聲信號(hào)激光相干探測(cè)法對(duì)待探測(cè)水域進(jìn)行逐點(diǎn)探測(cè)，得到各個(gè)探測(cè)點(diǎn)的探測(cè)信號(hào)Id (t)，即光電探測(cè)器接收到的信號(hào)，并對(duì)每個(gè)探測(cè)點(diǎn)的探測(cè)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析或相位解調(diào)， 得到每個(gè)探測(cè)點(diǎn)的水表面聲波振幅值，將水表面聲波振幅值最大的探測(cè)點(diǎn)的位置作為聲源 中心位置的最佳估計(jì)。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于激光多點(diǎn)相干探測(cè)的水下發(fā)聲目標(biāo)位置估計(jì)方法，其特 征在于，探測(cè)信號(hào)Id (t)的獲得方法為： 參考光的光振幅Eb隨時(shí)間t的分布為： Eb(t)=Ab sin( c〇〇t+kzb+<i)) (I) 式中，Ab為參考光光振幅Eb的幅值； ω 〇為激光角頻率； k為激光波數(shù)； Zb為參考光的光程； Φ為激光初始相位。 測(cè)量光的光振幅Em隨時(shí)間t的分布為： Em(t)=Am sin[( t〇〇+c〇d)t+kzm+<i) ] (2) 式中，Am為測(cè)量光光振幅Eb的幅值； Zm為測(cè)量光的光程； ω d為聲光調(diào)制器調(diào)制頻率。 參考光與測(cè)量光匯合后的合振幅為： E(t) =Eb(t)+Em(t) =Am sin( ω〇t+kzm+Φ )+Ab sin[( ω〇+ωd)t+kzb+Φ ] (3) 則相干光光強(qiáng)I (t)為： 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)] 光強(qiáng)由光電探測(cè)器接收，光電探測(cè)器將Am2cos2( ω ot+kzm+ Φ )、Ab2cos2[ ( ω 〇+ ω d)t+kzb+ Φ ] jPAmAbcos[ (2 ω 〇+ω d) t+kzm+kzb+2 Φ ]轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷餍盘?hào)，因此，去除直流分量后的光強(qiáng) 信號(hào)Id表不為： Id(t) =KAmAb COs[k(zm-Zb) ] =Ad cost ω dt+k(zm-Zb) ] (5) 式中，K為光電接收器的放大倍率，記Ad = KAmAb， 光程差Zm-Zb表不為： Zm-Zb = 2(Li-L2)+2An sin(2JTfnt+Φn)+2As sin(2JTfst+Φs) (6) 式中，An sin(2JTfnt+ Φ n)為自然水表面的振動(dòng)表達(dá)式(An為自然水表面振幅，fn為自然 水表面振動(dòng)頻率，Φ η為自然水表面振動(dòng)初相位），As S in (2JTf st+ Φ s)為水下聲源引起的水 表面振動(dòng)表達(dá)式(As為水表面聲波振幅，fs為水表面聲波振動(dòng)頻率，<i) s為水表面聲波振動(dòng)初 相位），L1為水面靜止時(shí)測(cè)量光的初始光程，L2為水面靜止時(shí)參考光的光程，那么，（L 1-L2)為 水面靜止時(shí)兩路光的初始光程差，記為AL，則光電探測(cè)器接收到的光強(qiáng)信號(hào)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)為由水下聲源引起的水表面聲波的信息。5. 實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求2所述的基于激光多點(diǎn)相干探測(cè)的水下發(fā)聲目標(biāo)位置估計(jì)方法的裝 置，其特征在于，所述裝置包括激光器（1)、光隔離器(2)、1X4光纖耦合器(3)、四個(gè)光纖聲 光調(diào)制器(4)、四個(gè)光環(huán)形器(5)、四個(gè)探頭(6)、四個(gè)光衰減器(7)、四個(gè)2X 1耦合器(8)、4通 道的光電探測(cè)器(9)和4通道的信號(hào)解調(diào)模塊(10); 激光器（1)發(fā)出的激光經(jīng)過(guò)光隔離器（2)后進(jìn)入1X4光纖耦合器(3)，1X4光纖耦合器 (3)的四個(gè)輸出端分別連接四個(gè)光纖聲光調(diào)制器(4)的輸入端； 每個(gè)光纖聲光調(diào)制器(4)與一個(gè)光環(huán)形器(5)、一個(gè)光衰減器(7)、一個(gè)2 X 1親合器(8) 和一個(gè)探頭(6)相對(duì)應(yīng)，每個(gè)光纖聲光調(diào)制器(4)的一個(gè)輸出端通過(guò)光衰減器(7)連接2X1 親合器(8)的一個(gè)輸入端，該光纖聲光調(diào)制器(4)的另一個(gè)輸出端連接光環(huán)形器(5)的一號(hào) 端口，該光環(huán)形器(5)的二號(hào)端口連接探頭(6)的光纖接口，該光環(huán)形器(5)的三號(hào)端口連接 2 X 1耦合器(8)的另一個(gè)輸入端； 四個(gè)2X1耦合器(8)的輸出端連接光電探測(cè)器(9)的信號(hào)輸入端，光電探測(cè)器(9)的輸 出端連接信號(hào)解調(diào)模塊(10)的信號(hào)輸入端，信號(hào)解調(diào)模塊(10)的輸出端用于連接上位機(jī)。6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的實(shí)現(xiàn)基于激光多點(diǎn)相干探測(cè)的水下發(fā)聲目標(biāo)位置估計(jì)方法的 裝置，其特征在于，所述探頭(6)包括多鏡片光耦合器(6 - 1)和定焦透鏡(6 - 2)，多鏡片光 耦合器(6 - 1)的光纖接口作為探頭(6)的光纖接口，探測(cè)光依次經(jīng)過(guò)多鏡片光耦合器(6 - 1)和定焦透鏡(6 - 2)后入射到水表面，經(jīng)水表面返回的激光依次經(jīng)過(guò)定焦透鏡(6 - 2)和多 鏡片光耦合器(6 - 1)后進(jìn)入光環(huán)形器(5)的二號(hào)端口。7. 實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求4所述的基于激光多點(diǎn)相干探測(cè)的水下發(fā)聲目標(biāo)位置估計(jì)方法的裝 置，其特征在于，所述裝置包括激光器（1)、光隔離器（2)、光纖聲光調(diào)制器（4)、光環(huán)形器 (5)、探頭(6)、光衰減器(7)、2X1耦合器(8)、光電探測(cè)器(9)和信號(hào)解調(diào)模塊(10); 激光器（1)發(fā)出的激光經(jīng)過(guò)光隔離器(2)后進(jìn)入光纖聲光調(diào)制器(4)的輸入端，光纖聲 光調(diào)制器(4)的一個(gè)輸出端通過(guò)光衰減器(7)連接2X1耦合器(8)的一個(gè)輸入端，該光纖聲 光調(diào)制器(4)的另一個(gè)輸出端連接光環(huán)形器(5)的一號(hào)端口，該光環(huán)形器(5)的二號(hào)端口連 接探頭(6)的光纖接口，該光環(huán)形器(5)的三號(hào)端口連接2X1耦合器(8)的另一個(gè)輸入端，2 Xl耦合器(8)的輸出端連接光電探測(cè)器(9)的信號(hào)輸入端，光電探測(cè)器(9)的輸出端連接信 號(hào)解調(diào)模塊(10)的信號(hào)輸入端，信號(hào)解調(diào)模塊(10)的輸出端用于連接上位機(jī)。8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的實(shí)現(xiàn)基于激光多點(diǎn)相干探測(cè)的水下發(fā)聲目標(biāo)位置估計(jì)方法的 裝置，其特征在于，所述探頭(6)包括多鏡片光耦合器(6 - 1)和定焦透鏡(6 - 2)，多鏡片光 耦合器(6 - 1)的光纖接口作為探頭(6)的光纖接口，探測(cè)光依次經(jīng)過(guò)多鏡片光耦合器(6 - 1)和定焦透鏡(6 - 2)后入射到水表面，經(jīng)水表面返回的激光依次經(jīng)過(guò)定焦透鏡(6 - 2)和多 鏡片光耦合器(6 - 1)后進(jìn)入光環(huán)形器(5)的二號(hào)端口。
【專利摘要】基于激光多點(diǎn)相干探測(cè)的水下發(fā)聲目標(biāo)位置估計(jì)方法及實(shí)現(xiàn)該方法的裝置，涉及水下發(fā)聲目標(biāo)位置探測(cè)技術(shù)。為了解決“激光-聲”聯(lián)合探測(cè)手段無(wú)法實(shí)現(xiàn)水下發(fā)聲目標(biāo)位置探測(cè)的問(wèn)題。本發(fā)明首先搭建激光相干探測(cè)系統(tǒng)，然后利用相干探測(cè)系統(tǒng)對(duì)感興趣的水域多個(gè)位置進(jìn)行水表面聲波探測(cè)，利用頻譜分析、相位解調(diào)等方法實(shí)現(xiàn)各個(gè)點(diǎn)水表面聲波波幅的測(cè)量，最后根據(jù)水表面聲波波幅分布特征，波幅最大的位置視為水下聲源中心的最優(yōu)估計(jì)。本發(fā)明所述的方法和裝置能夠?qū)崿F(xiàn)水下發(fā)聲源位置的空中探測(cè)，可根據(jù)實(shí)際需求選擇同步多點(diǎn)相干探測(cè)或異步多點(diǎn)相干探測(cè)兩種方法，靈活性和機(jī)動(dòng)性非常好，適用于水下發(fā)聲目標(biāo)探測(cè)，以及空對(duì)潛通信。
【IPC分類】G01S15/06
【公開(kāi)號(hào)】CN105487077
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201511021900
【發(fā)明人】張曉琳, 張烈山, 唐文彥, 王軍
【申請(qǐng)人】哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【公開(kāi)日】2016年4月13日
【申請(qǐng)日】2015年12月29日