基于干涉合成孔径的激光超声水下目标探测方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及一种基于干涉合成孔径的激光超声水下目标探测方法及系统，其特征在于，由工控机的激光控制单元完成对脉冲激光器的激励，发射脉冲激光束，单个窄脉冲经分束镜作用后形成两束不同路径的独立光束，而后分别通过棱镜进行反射完成光路偏转，使两束同源脉冲激光在不同时刻射入水中并发生光声效应，在液体中产生超声波并辐射传播，通过光纤水听器接收与目标物作用后的声场信号，然后经过放大、滤波去噪处理，对两组信号收集并送入A/D转换器进行信号转变，最后完成信号的解调，通过示波器显示水下目标物的声场时域和频域情况，提供给工控机数据以完成干涉合成孔径的处理分析，进而实现对水下目标物的轮廓探测及深度定位测算。测算。

【技术实现步骤摘要】
基于干涉合成孔径的激光超声水下目标探测方法及系统

：
[0001]本专利技术涉及水下目标探测领域，特别涉及一种基于干涉合成孔径的激光超声水下目标探测方法及系统。

技术介绍
：
[0002]水下目标的精准定位和海底地形的准确勘测一直以来都是海洋军事领域和水下工业领域的技术难点，随着北斗三号全球卫星导航系统正式开通，我国在目标快速实时定位方面得到极大提升，但水下精准探测方面仍需继续提升。针对液体介质的测深及水下物体的测距，在水面扰动小的湖泊一般使用测深锤或微波方式进行测算，由于受环境因素干扰不大，得到的数据较为准确；对于湍急的河海通常采用回声探测仪和多波束探测系统进行测量，受洋流涌动、水下生物等不稳定要素的影响，会使结果产生严重偏差。这对于建设海底隧道这类现代化工程、分析海洋地形的运动规律来预警地震、军事中的水下反潜及海域划分等领域有着重要影响。因此，有必要研究一种灵活可靠、测算精准的水下目标轮廓探测与测距系统。

技术实现思路
：
[0003]本专利技术是针对现有水下目标探测设备和方法采集的数据易受水体环境影响而出现不能精准勘测的问题，提出了一种克服上述问题的基于干涉合成孔径的激光超声水下目标轮廓探测方法及系统，通过对干涉相位解缠而反演出水下目标轮廓探测与深度定位。
[0004]本专利技术的技术方案为：
[0005]一种基于干涉合成孔径的激光超声水下目标探测方法，其特征在于，由工控机的激光控制单元完成对脉冲激光器的激励，发射脉冲激光束，单个窄脉冲经分束镜作用后形成两束不同路径的独立光束，而后分别通过棱镜进行反射完成光路偏转，使两束同源脉冲激光在不同时刻射入水中并发生光声效应，在液体中产生超声波并辐射传播，通过光纤水听器接收与目标物作用后的声场信号，然后经过放大、滤波去噪处理，对两组信号收集并送入A/D转换器进行信号转变，最后完成信号的解调，通过示波器显示水下目标物的声场时域和频域情况，提供给工控机数据以完成干涉合成孔径的处理分析，进而实现对水下目标物的轮廓探测及深度定位测算。
[0006]本专利技术所述探测方法包括如下步骤：
[0007]S1：输出稳定、能量大的脉冲激光束；
[0008]S2：精确调整激光扫描控制模块中分束镜和两组棱镜的位置和角度，使光束能量因透射和偏转所发生的幅值衰减降到最低，同时使两束同源激光入射方向朝向水下目标物所在区域，空中的脉冲激光辐照至分层界面处，在水中激励超声波并继续向深处扩散；
[0009]S3：置于水下目标物附近的光纤水听器完成对目标物所在区域声场信号的收集，通过前置信号放大器将水下微弱信号进行放大，然后利用滤波器进行初步降噪处理，将处理后的信号数据送入数据采集卡，之后通过A/D转换器将信号转变为需要的信号类型；
[0010]S4：对光纤水听器采集的信号进行解调，将得到的超声振幅的波形情况输送至示波器显示，通过超声信号的水下的渡越时间和在传播速度获得两组入射点至水下目标物的几何距离，同时得到超声干涉合成孔径信号的相位信息；其中，得到的两组信号分别为：
[0011]s1(R)＝u1(R)exp((iφR))
[0012]s2(R)＝u1(R+ΔR)exp(iφ(R+ΔR))
[0013]两组信号的相位信息由传播路径确定的相位和因水下目标物不同散射特性产生的随机相位共同组成，有：
[0014][0015][0016]其中arg{u1}和arg{u2}是因水下目标物不同散射特性产生的随机相位，由于在同一点的两组随机相位贡献基本相同，故在复共轭相乘时可相互抵消；
[0017]S5：将两组复矩阵构成的超声合成孔径相位图像进行初步粗匹配，再经过预滤波及数据精准匹配后将两图像进行复共轭相乘，进而生成干涉条纹图像，提取相位差关系，通过去平操作来改善密集干涉条纹分布情况；其中将两幅图像进行复共轭相乘：
[0018][0019]得到干涉条纹图，其中，干涉图中的随机相位已抵消，仅有因传播路径而产生的相位差：
[0020][0021]在处理过程中，上述只能得到干涉相位的主值，存在整周模糊的问题，故需要对其进行解缠操作；
[0022]S6：对得到的干涉条纹图像进行自适应滤波处理及干涉性计算，得到相干系数；其中，通过在干涉条纹图像中截取多个局部窗口的多个复数来估计相干系数γ∈(0，1)，其值越接近1表示干涉相位受噪声干扰越小：
[0023][0024]S7：利用最小二乘法对干涉图像进行相位解缠，确定整周相位，得到的绝对相位差值ψ
m
，从而计算出精确的斜距差ΔR，通过公式h＝H
‑
R2cosθ2确定水下目标物的具体深度高程。
[0025]S7：利用最小二乘法对干涉图像进行相位解缠，确定整周相位，提取的绝对相位差值ψ
m
，得到相位差与入射点间距的具体关系从而计算出精确的斜距差ΔR，通过公式h＝H
‑
R2cosθ2可确定水下目标物的具体定位高度。
[0026]本专利技术在步骤S5中，当得到的干涉纹图因水下目标物平整的轮廓而产生大量密集条纹，从而使相位图失真时，可通过对图像能量进行测算从而确定是否进行去平处理，以消
除其造成影响。
[0027]本专利技术在步骤S5中，所得到的干涉条纹图对应水下目标物轮廓形状，最密集处为目标轮廓最高峰处，最稀疏处为目标物轮廓最深处。
[0028]本专利技术在步骤S7中利用最小范数法中的最小二乘法对缠绕相位进行解缠操作，基本思想时使离散形式的缠绕相位与解缠相位的偏微分导数差的平方和最小：
[0029][0030]其中，φ
i,j
(i＝0,1,2
…
M
‑
1；j＝0,1,2
…
N
‑
1)为解缠相位函数，其值域为[
‑
π,π)，和为干涉图像元像元(i,j)x方向和y方向的缠绕相位差，以基于FFT的最小二乘法来介绍相位解缠的具体步骤：
[0031]步骤7
‑
1：计算干涉图0≤i≤M,0≤j≤N范围内像元上的ρ
i,j
值
[0032][0033]步骤7
‑
2：对ρ
i,j
每一行进行镜像对称操作，得
[0034][0035]接着对其进行二维傅里叶变换得到F
n
，用此函数代替ρ
i,j
的值，对每一行操作完成后，再对所有列重复上述过程，得到P
m,n
；
[0036]步骤7
‑
3：计算Φ
m,n
，
[0037][0038]其中，P
m,n
是镜像对称处理后的ρ
i,j
的二维傅里叶变换形式；
[0039]步骤7
‑
4：对Φ
m,n
进行反傅里叶变换，得出解缠函数φ
i,j
的最小二乘估算值
[0040]ψ
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于干涉合成孔径的激光超声水下目标探测方法，其特征在于，由工控机的激光控制单元完成对脉冲激光器的激励，发射脉冲激光束，单个窄脉冲经分束镜作用后形成两束不同路径的独立光束，而后分别通过棱镜进行反射完成光路偏转，使两束同源脉冲激光在不同时刻射入水中并发生光声效应，在液体中产生超声波并辐射传播，通过光纤水听器接收与目标物作用后的声场信号，然后经过放大、滤波去噪处理，对两组信号收集并送入A/D转换器进行信号转变，最后完成信号的解调，通过示波器显示水下目标物的声场时域和频域情况，提供给工控机数据以完成干涉合成孔径的处理分析，进而实现对水下目标物的轮廓探测及深度定位测算。2.根据权利要求1所述的一种基于干涉合成孔径的激光超声水下目标探测方法，其特征在于，所述探测方法包括如下步骤：S1：输出稳定、能量大的脉冲激光束；S2：精确调整激光扫描控制模块中分束镜和两组棱镜的位置和角度，使光束能量因透射和偏转所发生的幅值衰减降到最低，同时使两束同源激光入射方向朝向水下目标物所在区域，空中的脉冲激光辐照至分层界面处，在水中激励超声波并继续向深处扩散；S3：置于水下目标物附近的光纤水听器完成对目标物所在区域声场信号的收集，通过前置信号放大器将水下微弱信号进行放大，然后利用滤波器进行初步降噪处理，将处理后的信号数据送入数据采集卡，之后通过A/D转换器将信号转变为需要的信号类型；S4：对光纤水听器采集的信号进行解调，将得到的超声振幅的波形情况输送至示波器显示，通过超声信号的水下的渡越时间和在传播速度获得两组入射点至水下目标物的几何距离，同时得到超声干涉合成孔径信号的相位信息；其中，得到的两组信号分别为：s1(R)＝u1(R)exp((iφR))s2(R)＝u1(R+ΔR)exp(iφ(R+ΔR))两组信号的相位信息由传播路径确定的相位和因水下目标物不同散射特性产生的随机相位共同组成，有：机相位共同组成，有：其中arg{u1}和arg{u2}是因水下目标物不同散射特性产生的随机相位，由于在同一点的两组随机相位贡献基本相同，故在复共轭相乘时可相互抵消；S5：将两组复矩阵构成的超声合成孔径相位图像进行初步粗匹配，再经过预滤波及数据精准匹配后将两图像进行复共轭相乘，进而生成干涉条纹图像，提取相位差关系，通过去平操作来改善密集干涉条纹分布情况；其中将两幅图像进行复共轭相乘：得到干涉条纹图，其中，干涉图中的随机相位已抵消，仅有因传播路径而产生的相位差：
在处理过程中，上述只能得到干涉相位的主值，存在整周模糊的问题，故需要对其进行解缠操作；S6：对得到的干涉条纹图像进行自适应滤波处理及干涉性计算，得到相干系数；其中，通过在干涉条纹图像中截取多个局部窗口的多个复数来估计相干系数γ∈(0，1)，其值越接近1表示干涉相位受噪声干扰越小：S7：利用最小二乘法对干涉图像进行相位解缠，确定整周相位，得到的绝对相位差值ψ
m
，从而计算出精确的斜距差ΔR，通过公式h＝H
‑
R2cosθ2确定水下目标物的具体深度高程。3.根据权利要求1所述的一种基于干涉合成孔径的激光超声水下目标探测方法，其特征在于，在步骤S5中，当得到的干涉纹图因水下目标物平整的轮廓而产生大量密集条纹，从而使相位图失真时，可通过对图像能量进行测算从而确定是否进行去平处理，以消除其造成影响；步骤S5中，所得到的干涉条纹图对应水下目标物轮廓形状，最密集处为目标轮廓最高峰处，最稀疏处为目标物轮廓最深处。S7：利用最小二乘法对干涉图像进行相位解缠，确定整周相位，提取的绝对相位差值ψ
m
，得到相位差与入射点间距的具体关系从而计算出精确的斜距差ΔR，通过公式h＝H
‑
R2cosθ2可确定水下目标物的具体定位高度。4.根据权利要求1所述的一种基于干涉合成孔径的激光超声水下目标探测方法，其特征在于，在步骤S7中利用最小范数法中的最小二乘法对缠绕相位进行解缠操作，基本思想时使离散形式的缠绕相位与解缠相位...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵扬，张鹏辉，李鹏，周志权，李迎春，陈铖，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学威海，
类型：发明
国别省市：