[发明专利]一种水下声源方位估计方法

说明书

技术领域

本发明涉及声光耦合干涉型光纤水听器以及水下声源方位估计方法，属于传感器阵列信号处理、水下目标被动探测领域。

背景技术

波达方向(DOA)估计在雷达、声纳、通讯、地震勘探、射电天文、导航、声源跟踪等多种军事和国民经济应用领域有着广泛的应用，引起了人们极大的研究兴趣。水听器是水中监听声场信号的仪器，将水下声信号转换成电信号，再通过信号处理系统，把水下声信号解调出来。对于水下声源的方位估计，通常在水下布置物理的水听器阵，接收水下声源发出的信号，再通过阵列信号处理技术，估计水下声源的方位。这种方法的优点是定位的精度高，技术比较成熟。但是缺点是水听器阵列布阵麻烦，阵列的可移动性差，不能实现大海域范围内的搜索。

近年来，随着光声探测技术的发展。出现了一种新的水中声场监听仪器，基于声光耦合的干涉型光纤水听器。我们知道，光发生干涉的条件为两个光波的频率相同、振动方向相同，相位差恒定。当这两个光波的相位差发生变化的时候，干涉条纹就会发生移动，根据干涉条纹移动的数目，就可以算出相位差的变化，从而进一步推算出引起这种变化的外界信号的幅度频率等等。基于声光耦合的干涉型光纤水听器的种子激光产生探测光与参考光，探测光由光纤水听器的准直器照射到水面上，水下声源发出的声波使水表面形成受迫振动，振动频率和幅度分别和水下声波的频率和强度一致，探测光在水面的反射光的频率受水表面的受迫振动振动速度调制，由光电探测器探测到，解调器解调出水表面的振动速度，进而获得水下声波的波形，实现对水下声信号的探测。

与线阵和传统的平面相控阵相比，圆形阵列有着自身独特的优越性能。对于均匀圆形阵列来说，可以在圆形阵所在平面形成无方向性方向图，也可以形成单波束，而且形状是对称的。此外，水下声源信号常看作为宽带的信号，圆形阵列具有远场模式与频率无关的特点，但同时圆形阵列具有相对主瓣较高的旁瓣电平。

发明内容：

本发明的目的是提供一种基于声光耦合干涉型光纤水听器阵列的水下声源方位估计方法。

为实现上述目的，本发明所采用的水下声源方位估计方法包括如下步骤：

步骤（1）：将声光耦合干涉型光纤水听器安装在水上机载平台上，且所有声光耦合干涉型光纤水听器构成均匀圆形阵列；

步骤（2）：各所述声光耦合干涉型光纤水听器分别向水面垂直发射探测光，同时产生参考光；

步骤（3）：各路探测光经水面反射后各自返回原声光耦合干涉型光纤水听器，并由原声光耦合干涉型光纤水听器对返回的探测光进行相干解调得到水下声源数据；

步骤（4）：运用波束形成算法处理各声光耦合干涉型光纤水听器解调出的水下声源数据，估计得到水下声源的方位。

进一步地，本发明所述均匀圆形阵列满足下式所示的条件：

N≥4πr/λ_H

其中，N表示构成所述均匀圆形阵列的声光耦合干涉型光纤水听器的数量；r表示所述均匀圆形阵列的半径，是各光纤水听器与所述均匀圆形阵列的中心点的距离；λ_H表示水下声源的最高频率所对应的波长。

进一步地，本发明所述水上机载平台上固定有滑动轨道，所述声光耦合干涉型光纤水听器安装在所述滑动轨道上且能够在所述滑动轨道上滑动。

进一步地，本发明所述均匀圆形阵列所在的三维坐标系为：以水面作为所述三维坐标系的x-y平面，所述三维坐标系的z轴垂直于x-y平面，且z轴的正方向向下，所述三维坐标系的原点与各所述声光耦合干涉型光纤水听器的探测光在x-y平面上的垂直照射点所组成的圆的圆心重合。

进一步地，本发明在所述步骤（3）中，所述相干解调的方法为外差解调法或零差解调法。

进一步地，本发明在所述步骤（4）中，所述波束形成算法为常规波束形成算法或高分辨波束形成算法。

进一步地，本发明所述高分辨波束形成算法为MUSIC算法或ESPRIT算法。

与现有技术相比，本发明方法具有如下有益效果：

本发明所用声信号传感器为声光耦合干涉型光纤水听器，它具有非接触式探测水下声源、可移动性强、体积小、结构设计灵活等优点；通过将多个基于声光耦合的干涉型光纤水听器放置于设于水上机载平台的滑动轨道上并布置成均匀圆形阵列，可实现大范围海域的快速探测，实现水下声源方位角、俯仰角的全方位估计；通过调节光纤水听器在滑动轨道上的位置，使均匀圆形阵列可适用于较宽频带范围的水下声源定位。

附图说明：

图1是本发明方法的流程示意图；