一种应用于水下目标探测的激光声装置及探测方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供的是一种应用于水下目标探测的激光声装置及探测方法。由接收基阵、接收机和ＰＣ机构成，其中，接收机由１０通道模拟接收板、电源控制板和采集控制板组成，接收基阵由１０元传感器组成，基阵接收由激光器发出的激光强脉冲击水所激发的声波，ＰＣ机通过ＰＣＩ接口板、光纤与接收机互联。本发明专利技术的性能良好，工作稳定可靠，能够检测到水中目标的回波，探测到水下目标。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及的是一种探测装置及方法，特别是一种对水下目标进行探测的装 置及方法，具体地说是一种空中飞行载体利用激光致声技术进行水下目标的有效 探测技术。(二)
技术介绍
水下目标探测的主流技术是声纳，由于强烈的需求牵引，其它如电磁、尾流、 激光等相关技术也受到特别的关注。自从激光器诞生以来，人们就希望将其应用 于水下目标的探测，以实现对海洋的高效、快速监测。这其中最为重要的技术途 径之一就是激光声技术。高能量的激光聚焦到水面上，可以使水面局部受热膨胀、 气化乃至爆炸，在水中产生声波，称之为激光声。作为一种新的激发声波的方法， 它有非常明显的优点首先是可以从空中以较高的高度和较远的距离上激发水下 声波；其次是只要激光能量足够大，产生的声波就可以有很高的声源级；第三是 激光在水中激发的声脉冲很窄，频谱很宽，以利于水下目标的探测。这使得激光 声技术一直受到人们的关注。美国和俄国在激光声的相关领域起步较早，探讨了 激光声的机理、特性，做了大量的湖试、海试。在激光击水产生水下声波后，接收目标回波的激光声技术通常有两种 一种 是在空气中用反射回来的激光提取被声波扰动了的水表面所蕴含的声场信息，从 而检测出水下目标；另外一种方法是在空气中直接接收穿过水-空气界面的声波， 从而获得水下目标的信息。本专利技术所研制的用于水下目标探测得激光声探测系统 利用的是后一种方法。(三)
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种可以实现对海洋的高效、快速监测，而且能够装 在高速运动的载体上，在海洋监测方面具有极大的应用潜力的一种应用于水下目 标探测的激光声装置及探测方法。本专利技术的目的是这样实现的本专利技术的应用于水下目标探测的激光声装置由接收基阵、接收机和PC机构成，其中，接收机由IO通道模拟接收板、电源控制板和采集控制板组成，接收 基阵由IO元传感器组成，基阵接收由激光器发出的激光强脉冲击水所激发的声 波，PC机通过PCI接口板、光纤与接收机互联。本专利技术的应用于水下目标探测的激光声装置还可以包括1、 GPS数据通过串口送入PC机。2、 模拟接收板各通道接收电路相位不一致性<5°，滤波器带宽统一配置，各通道接收增益可程控配置。3、 采集控制板的主要器件是FPGA。4、 PC机中的PCI接口板主要由FPGA和PCIDP组成，FPGA按功能分为4 个模块光纤接收模块负责接收光纤数据，拼成32bit的数据传输给数据上行传 输模块；数据上行传输模块负责把数据传输给PCIDP;控制模块负责控制其它的 模块，从主机接收命令和配置信息，并下传给接收机；光纤发送模块负责发送配 置信息和命令。本专利技术的应用于水下目标探测的激光声探测方法为一个由10元传感器组成的基阵接收由激光器发出的激光强脉冲击水所激发 的声波，信号被接入接收机之后，接收机将接收的信号进行放大、滤波、数字化 和波束形成，接收机通过光纤将处理过的21路波束形成后的信号和10路阵元的 信号送入PC机，PC机通过PCI接口板接收信号、并进行实时显示和存储，激 光器每发出一次激光脉冲的同时输出一个同步脉冲给PC机。在外场实验时，要 求能够实时获得载体的大地坐标以更好地实现对目标的探测，通过串口将GPS 数据送入PC机。本系统不仅通过了实验室的试验，并且参加了海上试验，实验结果表明本系 统的原理完全正确，而且性能良好，工作稳定可靠，能够检测到水中目标的回波， 探测到水下目标。说明激光声技术用于水下目标探测是切实可行的，这套激光声 探测系统的研制成功填补了国内的空白。(四) 附图说明图1是本专利技术的实验原理示意图；图2是本专利技术的激光声装置的原理框图；图3-a、图3-b的显控软件的功能划分。具体实施方式 下面结合附图举例对本专利技术做更详细地描述激光声探测系统的原理实验是在非消声水池进行的，下面简要分析本系统技 术实现上的原理。结合图l，激光的击水点为S， R为接收基阵，水池中有一目标为T。由于水面的作用，声源具有偶极子指向性，水中声源的主极大轴方向垂 直水面向下。激光器发出的强激光束照到水面S点上，水被瞬时气化而产生类似 于"爆炸"的宽频带的声脉冲，在水中和空气中均产生声脉冲。水中的声脉冲遇 到目标T产生回波，回波可以穿透水-空气界面到达放置于空气中的接收基阵， 接收基阵具有特定的预成指向性。在整个系统的工作工程中，到达接收基阵的声波有水池体积混响，目标回 波，池底池壁混响，空气中声脉冲的直达波，房间混响。由于空气和水之间的界 面的作用，接收基阵各阵元接收到的水中透射的声波均集中在半开角约为13。的 圆锥体中。水中透射出的声波都可以作为感兴趣的信号，因此主要的干扰是空气 中声脉冲的直达波和房间中的混响。实验时，将基阵布置在与激光器击水点相距 较远处，这样由于水中声速远比空气中声速快，感兴趣的信号先于空气中的干扰 到达，从而将它们在时间上分开。以上针对水池实验做了分析，更为重要的是进 行外场实验，由飞行载体携带着激光器和接收基阵对广阔水域中水下目标进行探 测。此时空气中的混响是次要的干扰，载体的噪声干扰倒是主要的干扰了。结合图2本专利技术设计了激光声探测装置，主要由接收基阵、接收机、PC机 构成。其中，接收机由IO通道模拟接收板、电源控制板和采集控制板组成。一 个由10元传感器组成的基阵接收由激光器发出的激光强脉冲击水所激发的声 波。信号被接入接收机之后，接收机将接收的信号进行放大、滤波、数字化和波 束形成。接收机通过光纤将处理过的21路波束形成后的信号和10路阵元的信号 送入PC机。PC机通过PCI接口板接收信号，并进行实时显示和存储。激光器 每发出一次激光脉冲的同时输出一个同步脉冲给PC机，以便测量回波延时。在 外场实验时，要求能够实时获得载体的大地坐标以更好地实现对目标的探测，通 过串口将GPS数据送入PC机。电源控制板将电池组提供的电源供给接收机的各个部分，同时把电池组能源 消耗的情况传送给采集控制板；依据采集控制命令管理各部分电源的通断。数字 电源采用转换效率较高的直流变换器；模拟电源釆用低噪声的低压差线性稳压电 源；模拟电源和数字电源采用光耦进行隔离。模拟接收板各通道接收电路相位不一致性<5°，滤波器带宽统一配置，各通 道接收增益可程控配置。模拟接收板可以接收采集控制板输出的自检信号，以便 于系统自检。采集控制板的主要器件是FPGA，其功能是控制10通道A/D数模转换；将 采样后的数据作波束形成；将采集数据和波束形成后的数据送入上行光纤。FPGA 通过下行光纤接收PCI接口板传来的控制命令，控制各部分工作参数。 一片DSP 进行自检信号的发送。PC机中的PCI接口板主要由FPGA和PCIDP组成。FPGA按功能分为4个 模块光纤接收模块负责接收光纤数据，拼成32bit的数据传输给数据上行传输 模块；数据上行传输模块负责把数据传输给PCIDP;控制模块负责控制其它的模 块，从主机接收命令和配置信息，并下传给接收机；光纤发送模块负责发送配置 信息和命令。结合图3-a和图3-b，激光声探测系统的软件设计主要包括采集系统软件 设计、实时多波束处理软件设计以及显示和控制软件设计。采集系统软件设计以 及实时多波束处理软件设计主要是对FPGA和DSP的编程，主要是两块电路板 的软件设计其一是采本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种应用于水下目标探测的激光声装置，由接收基阵、接收机和ＰＣ机构成，其特征是：其中，接收机由１０通道模拟接收板、电源控制板和采集控制板组成，接收基阵由１０元传感器组成，基阵接收由激光器发出的激光强脉冲击水所激发的声波，ＰＣ机通过ＰＣＩ接口板、光纤与接收机互联。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：惠俊英，赵安邦，惠娟，孙国仓，蔡平，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：93[中国|哈尔滨]