基于干涉合成孔径的激光超声水下目标探测方法及系统与流程

：
1.本发明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。


背景技术：

2.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。


技术实现要素：

3.本发明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。
4.本发明的技术方案为：
5.一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。
6.本发明所述探测方法包括如下步骤：
7.s1：输出稳定、能量大的脉冲激光束；
8.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；
9.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；
10.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：
11.s1(r)＝u1(r)exp((iφr))
12.s2(r)＝u1(r δr)exp(iφ(r δr))
13.两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]
本发明在步骤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]
本发明在步骤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]
本发明在步骤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
m
；最后，在步骤s7中由计算出精确的斜距差δr，通过三角函数可得：
[0041][0042]
根据几何关系又有可得目标深度：
[0043][0044]
式中h为待测目标距水底的距离，h为水体总深度，b为激光入射点a1与a2的间距，r1为激光入射点a1至目标距离，r2为激光入射点a2至目标距离，δr是r1与r2斜距差，θ2为入射点a2的折射角。
[0045]
本发明的另一目的在于提供一种实现上述方法的激光超声水下目标探测系统装置，包括激光控制及激励模块，数据接收模块，后处理模块，其特征在于：所述激光控制及激发模块由工控机电连控制，在空中实现激光的激励和偏转扫描功能，并连接数据接收模块
完成数据的采集和信号类型的转换送至后处理模块，通过连接后处理模块得到的数据进行分析，所述激光控制及激励模块由nd：yag脉冲激光器、分束镜、反射棱镜组成，所述数据接收模块包括光纤水听器、前置放大器、滤波器、数据采集卡、a/d转换器，所述后处理模块包括解调系统和示波器，其中所述脉冲激光器由工控机来控制光束触发时机、频率和能量等相关参数，激光通过分束镜形成两条不同线路的光束，两束激光在不同时刻以一定角度经棱镜反射后斜入射至水面；所述高灵敏度的光纤水听器用于将接收到的水下目标的信号调制转换成电信号；所述信号放大滤波装置将接收到的电信号经过放大电路放大以及信号滤波降噪处理；所述数据采集卡和a/d转换器用于采集数据以及将得到的模拟信号转变为数字信号；所述解调系统用于解调提取出光纤水听器拾取的声信号；所述示波器用于观察和分析上述得到的声信号时域波形及频谱等信息。
[0046]
脉冲激光器与工控机电连接，分束镜放置于脉冲激光行进轨迹贯穿处，两组反射棱镜构成的光束偏转控制单元位于分束镜出光路径途中，且棱镜距离为激光半波长的数倍，水听器位于水下目标附近，输出端依次连接前置放大器、滤波器，放大滤波装置后依次电连接数据采集单元和a/d转换器，数据采集模块连接由解调系统和示波器组成的后处理模块。
[0047]
进一步地，用于产生脉冲激光的激光器优先选用波长为1064nm的nd:yag激光器，脉宽为5
‑
10ns，该波长的水吸收较强，在水中可产生较高的超声波能量。
[0048]
进一步地，上述分光镜和棱镜组成的激光控制单元用于对激光传输方向进行偏转和调整，使由同源激光器产生的不同分束激光以一定入射角射入水中，实现液体中激光致声。
[0049]
进一步地，棱镜距离设定为激光半波长的数倍，目的是为了使两组棱镜之间发生相长干涉，进而提高测量的精度。
[0050]
区别于现有技术，本发明的优势体现在：(1)利用干涉相位的方式取得的斜距差数据进行定位测算精准度更高，相比直接使用超声回波信号的时间速度关系所获得的数据更具可靠性。(2)在空中利用脉冲激光峰值功率高、脉宽窄、发散性小等优势作为超声激励源，在水下信道所激发的宽频超声衰减程度低、具有很好的方向性等特点，将二者优势相结合，利用光声效应实现水下目标物的探测。(3)不同于传统舰载拖曳声纳的测深方式，当遇到礁石或藻类密集区域难以实现声纳吊放的问题，本发明可通过空中机载或小型船只通过触发激光的形式完成超声波激励，拥有探测手段灵活、探测范围大等特点。(4)本方案基于干涉合成孔径技术，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，具有提高信噪比、增强探测精度的优势。(5)在同一测算位置将上述干涉合成孔径探测方法进行迭代计算处理可实现精度提升；通过偏转光束改变激光入射点激发水下声场的位置，同时调度光纤水听器的接收位置，重复上述数据获取过程，经处理后也可获得水下目标的轮廓成像情况。
附图说明：
[0051]
图1所示为构成本系统组成的模块示意图
[0052]
图2所示为本系统的结构示意图
[0053]
图3所示为本系统干涉合成孔径的计算模型示意图
[0054]
图4所示为本发明干涉合成孔径方法流程图
[0055]
图5所示为仿真模拟的双源激光致声的水下声场传播分布图
[0056]
图6所示为实施例中得到的干涉条纹图
具体实施方式：
[0057]
为使本发明的上述技术方案、特征更加直观易懂，下面结合附图和具体实施方式进行详细解释说明：
[0058]
实施例1：
[0059]
如图1和图2所示，在本发明的一个实施例中，提供了一套激光超声水下目标探测系统，包括激光控制及激励模块，数据接收模块和后处理模块。所述激光控制及激发模块由工控机电连控制，在空中实现激光的激励与偏转扫描，并连接数据接收模块完成数据的采集和信号类型的转换送至后处理模块，通过连接后处理模块得到的数据进行分析。所述激光控制及激励模块由nd：yag脉冲激光器、分束镜、棱镜组成，所述数据接收模块包括光纤水听器、前置放大器、滤波器、数据采集卡、a/d转换器，所述后处理模块包括解调系统和示波器。
[0060]
其具体方案及连接关系如下：
[0061]
所述脉冲激光器由工控机来控制光束触发时机、频率和能量等相关参数，单束激光通过分光镜形成两条不同线路的光束，两束激光在不同时刻以一定角度经棱镜反射后斜入射至水面。
[0062]
所述高灵敏度的光纤水听器用于将接收到的水下目标的信号调制转换成电信号。
[0063]
所述信号放大滤波装置将接收到的电信号经过放大电路放大以及信号滤波降噪处理。
[0064]
所述数据采集卡和a/d转换器用于采集数据以及将得到的模拟信号转变为数字信号。
[0065]
所述解调系统用于解调提取出光纤水听器拾取的声信号。
[0066]
所述示波器用于观察和分析上述得到的声信号时域波形及频谱等信息。
[0067]
脉冲激光器与工控机电连接，分光镜放置于脉冲激光行进轨迹贯穿处，两组棱镜构成的光束偏转控制单元位于分束镜的出光路径途中，且棱镜距离为激光半波长的数倍，水听器位于水下目标附近，输出端依次连接前置放大器、滤波器，放大滤波装置后依次电连接数据采集单元和a/d转换器，数据采集模块连接由解调系统和示波器组成的后处理模块。
[0068]
如图3所示为一种基于干涉合成孔径的探测方法，包括如下步骤：
[0069]
s1：调节激光激发单元以输出稳定、能量大的激光束。
[0070]
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。
[0071]
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，然后利用滤波器对其进行初步降噪处理，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。
[0072]
s4：后处理模块中的解调系统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。
[0073]
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。
[0074]
s6：进行自适应滤波处理及干涉性计算，可使用估算法得到的相干系数γ来评价干涉条纹质量，以确认是否进行下一步。
[0075]
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。
[0076]
进一步地，在步骤s4中得到的两组信号分别为：
[0077]
s1(r)＝u1(r)exp((iφr))
[0078]
s2(r)＝u1(r δr)exp(iφ(r δr))
[0079]
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：
[0080][0081][0082]
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。
[0083]
进一步地，在步骤s5中将两幅图像进行复共轭相乘：
[0084][0085]
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：
[0086][0087]
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。
[0088]
进一步地，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。
[0089]
进一步地，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。
[0090]
进一步地，在步骤s6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：
[0091][0092]
进一步地，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：
[0093][0094]
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。
[0095]
下面以基于fft的最小二乘法来介绍相位解缠的具体步骤：
[0096]
(1)计算干涉图0≤i≤m,0≤j≤n范围内像元上的ρ
i,j
值
[0097][0098]
(2)对ρ
i,j
每一行进行镜像对称操作，得
[0099][0100]
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
。
[0101]
(3)计算φ
m,n
，
[0102][0103]
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。
[0104]
(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ψ
m
。
[0105]
最后，在步骤s7中结合图3，由计算出精确的斜距差δr，通过三角函数可得：
[0106][0107]
根据几何关系又有可得目标深度：
[0108][0109]
式中h为待测目标距水底的距离，h为水体总深度，b为激光入射点a1与a2的间距，r1为激光入射点a1至目标距离，r2为激光入射点a2至目标距离，δr是r1与r2斜距差，θ2为入射点a2的折射角。