一种船载气泡尾流特征检测装置及舰船的制作方法

1.本实用新型涉及船载探测技术领域，尤其涉及一种船载气泡尾流特征检测装置及舰船。


背景技术：

2.水面或者水中的动态目标物在航行过程中，由于推进器的运动引起空化或者吃水线处波浪破碎及空气的卷入，在动态目标物尾部的水域中形成一条含有大量气泡和涡流的特殊区域，称为气泡尾流。气泡尾流会在水中留存较长时间，通常可以达到数十分钟。通过对气泡尾流的探测，可以实现对动态目标物的间接探测。
3.传统的气泡尾流探测方式采用的是声尾流探测，声尾流探测可以分为主动声探测和被动声探测。主动声探测是主动发射声波，声波遇到目标物后发生反射，接收反射回波，根据反射回波测定目标物的参数。但是主动声探测自身需要发射声波信号，发射的声波信号容易被发现，即隐蔽性较差。另外，被动声探测是通过接收目标物产生的辐射噪声和水声设备发射的信号，对接收到的声信号进行处理计算得到目标物的相关参数。但是辐射噪声和水声设备发射的信号处经远距离传播后衰减的十分微弱，使得被动声探测信噪比较低，为提高信噪比需要更多的信号处理措施，因此容易导致探测装置复杂且庞大，不能满足水下动态目标物的探测。


技术实现要素：

4.本实用新型提供一种船载气泡尾流特征检测装置及舰船，能够解决现有声尾流探测方式隐蔽性较差或者探测装置复杂且庞大的问题。
5.第一方面，一种船载气泡尾流特征检测装置，包括：至少一个激光发射模块、至少一个激光光源模块、至少一个光学变换传感模块、信号采集处理模块、稳压电源模块、检测结果显示终端和总控制模块；
6.所述激光光源模块与所述激光发射模块通过穿舱光缆连接；所述光学变换传感模块与所述信号采集处理模块通过穿舱电缆电连接；所述稳压电源模块分别与所述信号采集处理模块和所述光学变换传感模块通过所述穿舱电缆电连接；所述检测结果显示终端与所述信号采集处理模块通过所述穿舱电缆电连接；所述总控制模块分别与所述激光发射模块、所述激光光源模块、所述光学变换传感模块、所述信号采集处理模块、所述稳压电源模块和所述检测结果显示终端通过所述穿舱电缆电连接。
7.第二方面，一种舰船，采用上述任意一种所述的船载气泡尾流特征检测装置，所述船载气泡尾流特征检测装置的激光发射模块和光学变换传感模块均位于舰船艏部的船舱外壁上；
8.所述船载气泡尾流特征检测装置的激光光源模块、信号采集处理模块和稳压电源模块位于舰船艏部的船舱内部；
9.所述船载气泡尾流特征检测装置的检测结果显示终端和总控制模块位于舰船指
挥舱内。
10.本实用新型提供的一种船载气泡尾流特征检测装置及舰船，装置通过激光光源模块产生激光束，经过激光发射模块的扩展后发射出去，扩展激光束如果遇到气泡尾流则会发生气泡群散射效应，如果未遇到气泡尾流，则继续朝着检测区域传播；光学变换传感模块接受前向散射的光信号或者前向传播的光信号，并对接受到的光信号进行空间频谱变换，对光信号进行空间识别分析，之后将变换后的光信号转换为电信号，信号采集处理模块将电信号进行相应处理，得到检测结果，最后将检测结果和动态目标物的方位信息显示再显示器上。相比较现有的声尾流探测方式，激光束不容易被截获，隐蔽性较好，装置结构简单，安装较灵活，使用范围较广。并且，相较于利用声波探测，本实用新型利用激光束遇到气泡尾流发生气泡群散射的光学效应，对于动态目标物的方位信息的判断较为准确，灵敏度和稳定性较高。安装有上述船载气泡尾流特征检测装置的舰船，将激光发射模块和光学变换传感模块安装在舰船艏部可以探测舰船航行前方的动态目标物，避免受到舰船本身产生气泡尾流的干扰。
附图说明
11.图1为本说明书实施例提供的第一种船载气泡尾流特征检测装置结构示意图；
12.图2为本说明书实施例提供的第二种船载气泡尾流特征检测装置结构示意图；
13.图3为本说明书实施例提供的第一种舰船结构示意图；
14.图4为本说明书实施例提供的第二种舰船结构示意图；
15.图5为本说明书实施例提供的一种气泡尾流特征检测方法流程图。
具体实施方式
16.为了更好的理解本说明书实施例提供的技术方案，下面通过附图以及具体实施例对本说明书实施例的技术方案做详细的说明，应当理解本说明书实施例以及实施例中的具体特征是对本说明书实施例技术方案的详细的说明，而不是对本说明书技术方案的限定，在不冲突的情况下，本说明书实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。
17.传统的气泡尾流探测方式采用的是声尾流探测，声尾流探测可以分为主动声探测和被动声探测。主动声探测是主动发射声波，声波遇到目标物后发生反射，接收反射回波，根据反射回波测定目标物的参数。但是主动声探测自身需要发射声波信号，发射的声波信号容易被发现，即隐蔽性较差。另外，被动声探测是通过接收目标物产生的辐射噪声和水声设备发射的信号，对接收到的声信号进行处理计算得到目标物的相关参数。但是辐射噪声和水声设备发射的信号处经远距离传播后衰减的十分微弱使得被动声探测信噪比较低，为提高信噪比需要更多的信号处理措施容易导致探测装置复杂且庞大，因此不能满足水下动态目标物的探测。
18.理论和试验研究表明，气泡特征的存在会使得光在尾迹区域传播特性发生变化，具体的，当扩展激光束在水中传输时，由于气泡群散射效应的存在，前向散射光束的空间频谱宽度会变窄。本实用新型结合水面舰船的结构和外形特征，基于气泡尾流的光学散射特征，提出一种船载气泡尾流特征检测装置、安装有该装置的舰船和利用该装置的气泡尾流特征检测方法，能够有效检测水面和水中动态目标物的气泡尾流特征，以达到探测动态目
标物方位的目的。
19.具体的，第一方面，图1为本说明书实施例提供的第一种船载气泡尾流特征检测装置结构示意图。如图1所示，本实施例提供的船载气泡尾流特征检测装置，包括：激光发射模块1、激光光源模块2、光学变换传感模块3、信号采集处理模块4、稳压电源模块5、检测结果显示终端6和总控制模块7。总控制模块7分别与激光发射模块1、激光光源模块2、光学变换传感模块3、信号采集处理模块4、稳压电源模块5和检测结果显示终端6通过穿舱电缆ec(图1实线所示)电连接。总控制模块7对于其他各个模块起到控制作用，控制开启、关闭、参数设定或参数修改等等，本技术不作具体限定。
20.继续参考图1，激光光源模块2与激光发射模块1通过穿舱光缆oc(图1点划线所示)连接；激光光源模块2可以采用波长为532nm的蓝绿光固体激光器，波长为532nm的蓝绿光固体激光器发出的光束质量较高，光束在水下的衰减较小，设备体积也较小。激光光源模块2产生激光束，通过穿舱光缆oc传送至激光发射模块1，激光发射模块1对激光束进行相应扩展后向水中发射。光学变换传感模块3与信号采集处理模块4通过穿舱电缆ec电连接；信号采集处理模块4可以采用dsp处理器。
21.继续参考图1，光学变换传感模块3包括光信号接收变换子模块31和光电转换子模块32，光电转换子模块32与信号采集处理模块4通过穿舱电缆ec电连接。激光发射模块1发射扩展激光束的方向通常朝着载有本实施例提供的检测装置舰船的航行方向，舰船航行的前方区域则为检测区域，扩展激光束在检测区域内的传播过程中，如果遇到气泡尾流，则会发生气泡群散射效应，光信号接收变换子模块31可以用于接收朝着舰船航行方向传播的前向散射光束，前向散射光束可以看作是在激光发射模块1发射扩展激光束的发射方向上传播的散射光信号，容易理解的是，此处的相同并不是严格意义上的相同，只是大体上的相同。如果扩展激光束在检测区域内未遇到气泡尾流，则光信号接收变换子模块31接收到的光信号只是激光发射模块1发出的前向传播的光信号。光信号接收变换子模块31可以对接收到的光信号进行空间频谱变换；空间频谱变换可以采用光学空间傅里叶变换；空间频谱变换是将光信号进行空间信息识别、分析和整合的过程，可以分析出动态目标物产生气泡尾流的位置信息。光电转换子模块32用于将光信号转关为电信号，需要说明的是，光信号接收变换子模块31和光电转换子模块32是在现有市场上可以购得的。激光发射模块1和光信号接收变换子模块31是光学共轴的，光信号接收变换子模块31才能对接收到的光信号进行准确的空间频谱变换。
22.继续参考图1，稳压电源模块5分别与信号采集处理模块4和光学变换传感模块3通过穿舱电缆ec电连接。稳压电源模块5主要为光学变换传感模块3和信号采集处理模块4提供稳定的电压供应。光电转换子模块32输出的电信号传送至信号采集处理模块4，信号采集处理模块4将电信号进行相应处理，得到检测结果。举例说明，处理后的电信号可以是以光学散射频谱的形式来表征检测结果，再将检测结果发送至检测结果显示终端6进行显示。具体的，检测结果显示终端6可以包括显示器61和检测结果判断子模块62；检测结果判断子模块62内设置有预设阈值，预设阈值由光学散射频谱宽度取倒数得到，计算预设阈值的光学散射频谱是未经过气泡群散射效应的光信号对应的光学散射频谱，预设阈值可以根据不同水域等具体环境进行差异性设置。如果检测结果的光学散射频谱宽度取倒数得到的值超过预设阈值，可以判定检测区域内存在动态目标物的气泡尾流，根据气泡尾流的方位信息可
以得到动态目标物的方位信息，检测结果判断子模块62最后输出最终结果显示数据，如果探测到动态目标物的方位信息，则最终结果显示数据包含有动态目标物的方位信息，最终结果显示数据被发送给显示器61进行显示。检测结果判断子模块62与信号采集处理模块4通过穿舱电缆ec电连接，检测结果判断子模块62是在现有市场上可以购得的。
23.需要说明的是，穿舱光缆oc和穿舱电缆ec可以与水面舰船上使用的常规型号一致，可以提高船载气泡尾流特征检测装置的可靠性和兼容性。
24.本实施例提供的船载气泡尾流特征检测装置，通过激光光源模块2产生激光束，经过激光发射模块1的扩展后发射出去，扩展激光束如果遇到气泡尾流则会发生气泡群散射效应，如果未遇到气泡尾流，则继续朝着检测区域传播；光信号接收变换子模块31接受前向散射的光信号或者前向传播的光信号，并对接受到的光信号进行空间频谱变换，对光信号进行空间识别分析，光电转换子模块32将变换后的光信号转换为电信号，信号采集处理模块4将电信号进行相应处理，得到检测结果，检测结果判断子模块62对检测结果与预设阈值进行比对分析，可以得到动态目标物产生的气泡尾流的方位信息，进一步可以分析得到动态目标物的方位信息，最后将检测结果和动态目标物的方位信息显示再显示器61上。相比较现有的声尾流探测方式，激光束不容易被截获，隐蔽性较好，装置结构简单，安装较灵活，使用范围较广。并且，相较于利用声波探测，本实用新型利用激光束遇到气泡尾流发生气泡群散射的光学效应，对于动态目标物的方位信息的判断较为准确，灵敏度和稳定性较高。
25.图2为本说明书实施例提供的第二种船载气泡尾流特征检测装置结构示意图。如图2所示，本实施例提供的船载气泡尾流特征检测装置，激光发射模块1、激光光源模块2和光学变换传感模块3的数量均为3个。关于激光发射模块1、激光光源模块2和光学变换传感模块3的数量可以不局限于图1和图2所示的数量，数量可以是2个或者更多，本技术不作具体限定。图2所示的激光发射模块1、激光光源模块2和光学变换传感模块3的可以是一一对应的，将3个激光发射模块1和3个光学变换传感模块3可以根据不同的检测需求设置在不同的位置，在空间上可以进行更广范围的检测。
26.第二方面，图3为本说明书实施例提供的第一种舰船结构示意图。如图3所示，本实施例提供一种采用上述任意一种船载气泡尾流特征检测装置的舰船，图3虚线为水面，点划线为穿舱光缆，船载气泡尾流特征检测装置的激光发射模块1和光学变换传感模块3均位于舰船艏部01的船舱外壁上；将激光发射模块1和光学变换传感模块3安装在舰船艏部01，可以使得光学变换传感模块3将扩展激光束向舰船航行的方向发射，光学变换传感模块3接收前向散射光束以及未发生散射的扩展激光束，船载气泡尾流特征检测装置则可以探测舰船航行前方的动态目标物，例如图3所示，舰船航行前方某一动态目标物产生的气泡尾流tb；另外，将激光发射模块1和光学变换传感模块3安装在舰船艏部01还可以避免受到舰船本身产生气泡尾流的干扰。激光发射模块1和光学变换传感模块3可以是嵌设在舰船艏部01的船舱外壁上，则激光发射模块1和光学变换传感模块3的外形的流线型可以与舰船艏部的外舱壁表面流线型相同，能够减少对舰船水动力和声学性能的影响。
27.继续参考图3，船载气泡尾流特征检测装置的激光光源模块2、信号采集处理模块4和稳压电源模块5可以位于舰船艏部的船舱内部；船载气泡尾流特征检测装置的检测结果显示终端6和总控制模块7可以位于舰船指挥舱内。
28.需要说明的是，由于图3所示各个模块之间的连接关系较多，各个模块与总控制模
块7电连接的穿舱电缆未示出。
29.图4为本说明书实施例提供的第二种舰船结构示意图。如图4所示，激光发射模块1和光学变换传感模块3的数量均为3个，分别位于舰船艏部01的左船舱外壁上、中船舱外壁上和右船舱外壁上；激光光源模块2的数量为3个，分别位于舰船艏部01的左船舱内部、中船舱内部和右船舱内部。3个激光发射模块1可以在一条直线上分布，也可以无规律排列，只要大体上分别位于舰船艏部01的左船舱外壁上、中船舱外壁上和右船舱外壁上即可。3个激光光源模块2可以分别为3个激光发射模块1提供激光源，3个激光发射模块1可以分别进行三个方向范围的扩展激光束发射，3个光学变换传感模块3可以分别接收3路方向上的前向散射光信号和未发生散射的扩展激光束，并分别将3路光信号进行空间频谱变换和光电转换，之后由信号采集处理模块4对3路信号进行整合处理，得到检测结果，探测出舰船航行前方的动态目标物产生的气泡尾流tb，图3和图4所示气泡尾流tb只是示意性的。
30.本实施例提供的舰船，将上述船载气泡尾流特征检测装置安装在舰船上，并将激光发射模块1和光学变换传感模块3安装在舰船艏部01可以探测舰船航行前方的动态目标物，避免受到舰船本身产生气泡尾流的干扰。设置多个激光发射模块1、激光光源模块2和光学变换传感模块3，可以多方位探测舰船航行前方的的动态目标物。
31.第三方面，图5为本说明书实施例提供的一种气泡尾流特征检测方法流程图，如图5所示，本实施例提供一种气泡尾流特征检测方法，采用上述任意一种船载气泡尾流特征检测装置，包括如下步骤：
32.s1：发射激光；激光光源模块产生激光束，经过激光发射模块的扩展后发射出去。
33.s2：在激光发射模块发射扩展激光束的发射方向上传播的光信号；激光发射模块发射扩展激光束的发射方向与舰船的航行方向相同；此处的相同只是大体上相同，并不是严格意义上的相同。随着激光发射模块不断的发射扩展激光束，舰船继续向前航行，光学变换传感模块可以接收到经过散射后的光信号或者未经过散射的光信号，这些光信号均是沿着与舰船航行的方向大体相同的方向上传播，因此，光学变换传感模块接收到的是舰船航行前方的光信号。
34.s3：将接收到的光信号进行空间频谱变换和光电转化，得到对应的电信号；空间频谱变换采用光学空间傅里叶变换。对接收到的前向散射光信号或者未发生散射前向传播的光信号进行空间频谱变换和光电转换，得到对应的电信号。
35.s4：对电信号进行处理，得到检测结果，此处的处理可以是根据电信号形成光学散射频谱。
36.s5：对检测结果和预设阈值进行比对，判断检测区域内是否存在动态目标物的气泡尾流；将检测结果中的光学散射频谱宽度取倒数与预设阈值进行比对，如果检测结果超过预设阈值，判定检测区域内存在动态目标物的气泡尾流，得到最终结果显示数据；如果检测结果未超过预设阈值，可以判定检测区域内不存在动态目标物的气泡尾流，即不存在动态目标物。如果检测区域内存在动态目标物的气泡尾流，根据气泡尾流的方位信息可以判断出动态目标物的方位信息，最终结果显示数据则包含有探测到的动态目标物方位信息
37.s6：将最终结果显示数据显示在检测结果显示终端上。如果存在动态目标物，则可以在显示器的画面上对应位置处显示动态目标物的图标，如果不存在动态目标物，则在显示器的画面上不显示动态目标物的图标。
38.步骤s2可以进一步包括：
39.根据传播路径，将与激光发射模块发射激光发射方向相同的光信号分成3路进行分类接收。如果激光发射模块1、激光光源模块2和光学变换传感模块3均设置3个，则光学变换传感模块接收的光信号可以分为三路分别接收。
40.步骤s3进一步包括：
41.将3路光信号分别进行空间频谱变换和光电转换，得到3组对应的电信号，3路电信号中已经携带有各个信号的方位信息。
42.步骤s4，进一步包括：
43.对3组电信号分别进行处理，得到3组检测结果；3组检测结果分别携带有各自的方位信息。
44.本说明书是参照根据本说明书实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的设备。
45.这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令设备的制造品，该指令设备实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
46.这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
47.显然，本领域的技术人员可以对本说明书进行各种改动和变型而不脱离本说明书的精神和范围。这样，倘若本说明书的这些修改和变型属于本说明书权利要求及其等同技术的范围之内，则本说明书也意图包含这些改动和变型在内。