一种激光探声声纳丢失数据的恢复设备与方法技术

本发明专利技术公开一种激光探声声纳丢失数据的恢复设备和方法，包括：激光数据采集器采集水下目标引起的水面质点振动速度的变化信息；数据甄别器，将表示所述变化信息的信号甄别为有信号批次和丢失信号批次；相位估计模块，根据声纳平台运动速度和所述有信号批次数据的时空相关性，获取所述数字信号的相位变化，利用运动合成孔径原理，对丢失信号的数据批次进行重建；数据汇合器，将所述有信号批次和所重建的数据批次合成，恢复丢失数据。解决了激光探声声纳所特有的由于水面波浪的起伏和激光接收孔径的限制所导致的成批数据丢失的问题，保持探声声纳的探测性能不至于下降。本发明专利技术的方法简单实用，可以实时实现且不需要增加许多额外的计算资源。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及阵列信号处理和激光探声声纳
，更具体地，本专利技术涉 及一种激光探声声纳丟失数据的恢复设备与方法。
技术介绍
目前空中平台(如直升机)对潜探测的手段主要有两种手段， 一种是雷达 探测，通过雷达(如合成孔径雷达)分析潜艇行驶时所造成的尾流来探测潜艇， 这种方式仅对浅水潜行的潜艇有效，且由于探测是尾流痕迹，其也不适于远距离探测；另一种是空投浮标探测，通过直升机发射有线或者无线的浮标于水面， 通过浮标探测水下目标，这种方式由于受浮标性能和拖曳局限的影响，往往探 测范围有限，而且作为一种侵入式探测手段其布放相对困难，且存在一定的安 全风险。激光探声技术就是利用空中激光对水下声信息进行有效的探测和获取的技 术，通过对水下声信息的探测获取，用于空中平台对水下目标(如潜艇)的快 速大范围探测，进而实施跟踪打击。采用激光探声技术的空中声纳(简称为激光 探声声纳)作为一种全新的非侵入式空中探潜手段，仅在美国有相应的装备出 现。对于激光探声声纳，如图1所示，诸如直升机的空中平台发射相干激光束 垂直照射到海面上，拾取水下目标带来的水下声信息引起的海面质点振动速度 的变化，进行非侵入式的测量海面振动速度，从而实现提取水下声信息。但是， 水面波浪的起伏和激光接收孔径的限制往往会导致所接收的数据成批的丢失， 将使探声声纳的探测性能急剧下降，影响探声声纳的实用性5(L. Antonelli,L Walsh, and A. Alberg, "Laser interrogation of the air-water interface for in water sound detection: Initial feasibility tests", J. Acoust. Soc. Am. ， Vol. 106， Pt. 2, 1999; L. Antonelli and F. Blackmon，"Experimental demonstration of remote, passive acousto_optic sensing" ， L Acoust. Soc. Am. , Vol. 116， No. 6， Dec. 2004, 3393-3403 )。
技术实现思路
为克服现有激光探声声纳接收数据易丢失且实用性差的缺陷，本专利技术提出 。根据本专利技术的一个方面，提出了一种激光探声声纳丟失数据的恢复设备， 包括多个激光数据釆集器，用于采集水下目标引起的水面质点振动速度的变化 息;数据甄别器，将表示所述变化信息的信号甄别为有信号批次数据和丟失信号批次数据；相位估计模块，根据声纳平台运动速度和所述有信号批次数据的时空相关 性，获取信号之间的相位变化信息，利用运动合成孔径原理，对丢失信号的数 据批次进行重建；数据汇合器，将所述有信号批次和所重建的数据批次合成，恢复丟失数据。 其中，所述多个激光数据采集器通过反射信号光与参考光进行相干检测，得到水下声信息所引起的海面质点振动速度的多普勒频移，获取水表面质点振动速度。其中，所述数据甄别器与激光数据采集器相连，用于对表示所述变化信息 的信号按时间顺序进行甄别，分为有信号的批次凄t据和丟失信号的批次数据。 其中，所述激光数据采集器采集的频移和水下声平面波的之间满足△/= ro os,w, ^是运动方向和观察方向的夹角，Po是水下声平面波的幅度; 义PQ所述数据甄别器根据与0有关的阈值甄别数据批次。其中，所述相位估计模块包括速度估计器，用于测量装配激光探声声纳的载体的速度；相位估计器，根据所述速度估计器发送来的载体速度，对在空间上有重叠 的有信号的批次数据进行相位估计，依据运动合成孔径原理估计丟失信号的批 次数据的相位因子；数据重建器，根据所述相位因子和所述丢失信号的数据批次的在先批次重 建丟失信号的批次数据，将所重建数据发送到所述数据汇合器。其中，所述相位估计器获取t时刻和,+ r时刻的第n个激光数据采集器所探 观'J到的水下声波的声压值和,根据Z ,0,z力=exp(7fi;r);7 (/%z,"r),获耳又相位估计因子exp(y"r)。其中，所述数据重建器获知第n个激光数据采集器在第"r时刻的数据丟 失，通过第n+q个激光数据采集器在第^时刻所测量的数据p,(r,z力根据所述相位因子c。^^)重建第n个激光数据采集器在第"r时刻的数据A(r,^ + ",& o, z," t)=函*o， 2, f)。根据本专利技术的另 一方面，提出了 一种激光探声声纳丟失数据的恢复方法，包括步骤IO)、采集水下目标引起的水面质点振动速度的变化信息； 步骤20)、将表示所述变化信息的信号甄别为有信号批次数据和丢失信号 批次数据；步骤30)、根据声纳平台运动速度和所述有信号批次数据的时空相关性， 获取信号的相位变化信息，利用运动合成孔径原理，对丢失信号的批次数据进行重建；步骤40)、将所述有信号批次和所重建的批次数据合成，恢复丢失数据。其中，步骤10)还包括通过反射信号光与参考光进行相干检测，得到水下声信息所引起的海面质点振动速度的多普勒频移，获取水表面质点振动速度。其中，步骤20)还包括对表示所述变化信息的信号按时间顺序进行甄别， 分为有信号的数据批次和丟失信号的数据批次，其中，所述激光数据采集器采 集的频移和水下声平面波的之间满足A/ = 4po'cosg— ， ^是运动方向和观察方向的夹角，户。是水下声平面波的幅度；所述数据甄别器根据与^有关的阈值甄别 数据批次。其中，步骤30)还包括步骤310)、测量装配激光探声声纳的载体的速度；步骤32G)、根据所述载体速度，对在空间上有重叠的有信号的批次数据进 行相位估计，依据运动合成孔径原理估计丢失信号批次数据的相位因子；步骤330 )、根据所述相位因子和所述丟失信号的批次数据的在先批次数据 重建丟失信号的批次数据。其中，步骤320 )还包括获取t时刻和"r时刻的第n个激光数据采集器 所探测到的水下声波的声压值； ,(n0和R(r,z，, + 0 ， 根据 /7,0,z,/1) = expOyr)p"0,z,"r)， 获耳又相位估计因子expOy"。其中，步骤330 )还包括获知第n个激光数据采集器在第,+ r时刻的数据 丢失，通过第n+q个激光数据釆集器在第f时刻所测量的数据才艮据所述相位因子 进行重建，本专利技术利用声波所激励振荡出的水界面质点振动速度的时空相关性，采用 运动合成孔径技术来进行丟失数据恢复，利用激光器阵列运动产生的时间-空间 遍历特性和水下声波的时空连续性，根据运动孔径合成原理，使用正确接收的 数据来重建丢失数据，解决了激光探声声纳所特有的由于水面波浪的起伏和激 光接收孔径的限制所导致的成批数据丢失的问题。通过数据的重建，可以保持 探声声纳的探测性能不至于下降。本专利技术的方法简单实用，可以实时实现且不8需要增加许多额外的计算资源；本专利技术的方法适用于激光探声声纳系统，同样 也适用于拖曳线列阵系统。附图说明图l是激光探声声纳系统的原理示意图2是激光探声声纳丢失数据恢复设备的结构框图3是激光数据釆集器的结构示意图4是水表面质点振动速度与水下声平面波之间的关系示意图； 图5是数据的成批丟失所导致的激光探声声纳的性能对比示意图； 图本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种激光探声声纳丢失数据的恢复设备，包括：　多个激光数据采集器，用于采集水下目标引起的水面质点振动速度的变化信息；　数据甄别器，将表示所述变化信息的信号甄别为有信号批次数据和丢失信号批次数据；　相位估计模块，根据声纳平台运 动速度和所述有信号批次数据的时空相关性，获取信号之间的相位变化信息，对丢失信号的数据批次进行重建；　数据汇合器，将所述有信号批次和所重建的数据批次合成，恢复丢失数据。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：李宇，黄勇，黄海宁，李淑秋，张春华，
申请(专利权)人：中国科学院声学研究所，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]