CN116337202A - 一种光纤水听器虚拟阵生成方法和虚拟光纤水听器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤水听器虚拟阵生成方法和虚拟光纤水听器，方法包括：获取光纤水听器的拖曳光纤信号；采用预设的被动合成孔径声呐算法，对所述拖曳光纤信号进行去重和相位补偿处理，获得与所述光纤水听器对应的虚拟阵。本发明通过采用被动合成孔径声呐算法形成光纤水听器对应的虚拟阵，将光纤水听器与虚拟阵结合，虚拟阵既能够增加光纤阵列传感的长度，又具有光纤阵列传感的功能及效果，能够满足阵列孔径不变长的情况下，搭载小型化无人平台进行拖曳使用，从而避免现有技术中存在的需要进行航行速度提升、从而导致拖曳流阻急剧增加，影响航行器动力及续航时间，进一步降低无人平台整体工作性能的问题。

Description

一种光纤水听器虚拟阵生成方法和虚拟光纤水听器

技术领域

本发明涉及光纤水声传感技术领域，具体涉及一种光纤水听器虚拟阵生成方法和虚拟光纤水听器。

背景技术

光纤水听器因其低频响应好、高灵敏度、抗电磁干扰、轻量化、可分布式复用等优势得到世界范围内的广泛关注，基于光纤水听器构建的拖曳线列阵是其中一个重要应用分支，为了实现水下安静型目标探测需求，拖曳线列阵孔径不断增加、复用阵元不断提升，但也使阵列规模大幅度提升。为了适用未来无人装备应用趋势，国内外研究团队纷纷开展细线阵关键技术研究，匹配干涉型、光纤激光型水听器均可实现拖曳使用。

目前光纤水听器的阵列缆径普遍处于厘米量级，且复用基元较少，将其直接搭载小型化无人平台拖曳使用时，需要将阵列孔径变长，若阵列孔径变长则缆径增加导致重量增加、从而需要航行速度提升、这样会进一步导致拖曳流阻急剧增加，影响航行器动力及续航时间，进一步降低无人平台整体工作性能。

因此，急需找到一种新型的光纤水听器能够满足阵列孔径不变长的情况下，搭载小型化无人平台进行拖曳使用，从而避免现有技术中存在的需要进行航行速度提升、从而导致拖曳流阻急剧增加，影响航行器动力及续航时间，进一步降低无人平台整体工作性能的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服上述技术不足，提供一种光纤水听器虚拟阵生成方法和虚拟光纤水听器，能够满足阵列孔径不变长的情况下，搭载小型化无人平台进行拖曳使用，从而避免现有技术中存在的需要进行航行速度提升、从而导致拖曳流阻急剧增加，影响航行器动力及续航时间，进一步降低无人平台整体工作性能的问题。

为达到上述技术目的，本发明采取了以下技术方案：

第一方面，本发明提供了一种光纤水听器虚拟阵生成方法，包括：

获取光纤水听器的拖曳光纤信号；

采用预设的被动合成孔径声呐算法，对所述拖曳光纤信号进行去重和相位补偿处理，获得与所述光纤水听器对应的虚拟阵。

在一些实施例中，所述获得与所述光纤水听器对应的虚拟阵，包括：

获取所述拖曳光纤信号形成的阵列的初始基元数目；

根据所述初始基元数目，确定经过一设定时间后运动产生的扩展基元数目；

根据所述扩展基元数目和初始基元数目，确定与所述光纤水听器对应的虚拟阵的总基元数目。

在一些实施例中，所述根据所述基元数目，确定经过一设定时间后运动产生的扩展基元数目，包括：

采用预设的相位修正法，对空间重叠的基元进行修正，确定虚拟合成后的修正扩展基元数目；

根据所述修正扩展基元数目和初始基元数目，确定所述虚拟长阵的总基元数目。

在一些实施例中，所述采用预设的相位修正法，对空间重叠的基元进行修正之后，还包括：

采用预设的相位补偿法，对所述修正扩展基元进行补偿修正，获得目标扩展基元；

根据所述目标扩展基元和初始基元，确定所述虚拟阵的总基元数目。

在一些实施例中，所述获取光纤水听器的拖曳光纤信号之前，包括：

制备毫米量级光缆；

基于所述毫米量级光缆，构建光纤水听器阵列。

在一些实施例中，所述制备毫米量级光缆，包括：

获取涂覆材料和一定长度的光纤；

将所述光纤在一设定温度下进行多次热处理，得到热度光纤；

将所述涂覆材料在一设定温度下进行热处理，以使所述涂覆材料相对所述热度光纤预收缩，得到初级光缆；

采用预设的冷却固化法，对所述初级光缆初级进行降温处理，得到成型光缆。

在一些实施例中，所述得到成型光缆之后，还包括：

对所述成型光缆进行直径检测，判断所述成型光缆的直径是否大于预设的光缆毫米直径；

若大于，则确定所述成型光缆为目标光缆。

在一些实施例中，所述采用预设的被动合成孔径声呐算法对所述阵列光纤信号进行阵元扩展处理，获得虚拟长阵，包括：

获取拖曳阵列的初始基元数目；

根据所述初始基元数目，确定经过一设定时间后运动产生的扩展基元数目；

根据所述扩展基元数目和初始基元数目，确定所述虚拟长阵的总基元数目。

在一些实施例中，所述根据所述基元数目，确定经过一设定时间后运动产生的扩展基元数目，包括：

采用预设的相位修正法，对空间重叠的基元进行修正，确定虚拟合成后的修正扩展基元数目；

根据所述修正扩展基元数目和初始基元数目，确定所述虚拟长阵的总基元数目。

在一些实施例中，所述采用预设的相位修正法，对空间重叠的基元进行修正之后，还包括：

采用预设的相位补偿法，对所述修正扩展基元进行补偿修正，获得目标扩展基元；

根据所述目标扩展基元和初始基元，确定所述虚拟长阵的总基元数目。

在一些实施例中，所述将所述光纤在一设定温度下进行多次热处理，包括：

对所述光纤进行第一次热处理，得到预热光纤，所述第一次热处理温度为100℃；

对所述预热光纤进行第二次热处理，得到所述热度光纤，所述第二次热处理温度为190摄氏度。

第二方面，本发明还提供了一种虚拟光纤水听器，包括：采用如上述任一项权利要求所述的光纤水听器虚拟阵生成方法制成，所述虚拟光纤水听器包括至少一个光纤水听器本体和对应的虚拟阵。

在一些实施例中，所述至少一个光纤水听器基于预设的排列顺序构建形成光纤传感阵列。

与现有技术相比，本发明提供的光纤水听器虚拟阵生成方法和虚拟光纤水听器，首先获取多个光纤水听器拖曳阵列的阵列光纤信号，然后采用预设的被动合成孔径声呐算法对所述阵列光纤信号进行阵元扩展处理，获得虚拟阵。本发明通过采用被动合成孔径声呐算法形成光纤水听器对应的虚拟阵，将光纤水听器与虚拟阵结合，虚拟阵既能够增加光纤阵列传感的长度，又具有光纤阵列传感的功能及效果，能够满足阵列孔径不变长的情况下，搭载小型化无人平台进行拖曳使用，从而避免现有技术中存在的需要进行航行速度提升、从而导致拖曳流阻急剧增加，影响航行器动力及续航时间，进一步降低无人平台整体工作性能的问题。

附图说明

图1是本发明提供的光纤水听器虚拟阵生成方法的一实施例的流程图；

图2是本发明提供的光纤水听器虚拟阵生成方法中，光纤水听器水声信号获取机理一实施例的示意图；

图3是本发明提供的光纤水听器虚拟阵生成方法中，步骤S102一实施例的流程图；

图4是本发明提供的光纤水听器虚拟阵生成方法中，光纤水听器制备一实施的流程图；

图5是本发明提供的光纤水听器虚拟阵生成方法中，步骤S401一实施例的流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明主要构思在于使用光纤水听器制作被动型合成孔径声呐，将光纤水听器和被动合成孔径算法结合起来。一方面弥补了压电水听器大尺寸缺陷，使水听器变为毫米量级，更适宜小型无人平台搭载；另一方面弥补了光纤水听器拖曳阵远距离探测和长线阵的制约，实现了缩短线阵孔径、增加探测距离、轻量化拖曳、适用小型无人平台的被动合成孔径声呐，具有更佳的综合应用优势。

本发明实施例提供了一种光纤水听器虚拟阵生成方法，请参阅图1，包括：

S101、获取多个光纤水听器拖曳阵列的阵列光纤信号；

S102、采用预设的被动合成孔径声呐算法，对所述拖曳光纤信号进行去重和相位补偿处理，获得与所述光纤水听器对应的虚拟阵。

在本实施例中，

与现有技术相比，本发明提供的光纤水听器虚拟阵生成方法和虚拟光纤水听器，首先获取多个光纤水听器拖曳阵列的阵列光纤信号，然后采用预设的被动合成孔径声呐算法对所述阵列光纤信号进行阵元扩展处理，获得虚拟阵。本发明通过采用被动合成孔径声呐算法形成光纤水听器对应的虚拟阵，将光纤水听器与虚拟阵结合，虚拟阵既能够增加光纤阵列传感的长度，又具有光纤阵列传感的功能及效果，能够满足阵列孔径不变长的情况下，搭载小型化无人平台进行拖曳使用，从而避免现有技术中存在的需要进行航行速度提升、从而导致拖曳流阻急剧增加，影响航行器动力及续航时间，进一步降低无人平台整体工作性能的问题。

在步骤S101中，光纤水听器的数目可根据实际需求组合，形成光纤水听器阵列。

需要说明的是，光纤水听器的水声信号获取机理请参阅图2，首先从窄线宽激光器发出的脉冲光进入环形器1(CIR1)，随后脉冲光进入弱反射光栅阵列，经弱反射光栅反射后的脉冲串从环形器1出来后进入环形器2(CIR2)，经3×3耦合器(Coupler)进入到法拉第旋转镜(FRM)中，构成非平衡干涉仪的臂长差与弱反射光栅间距相同，因此先后反射回的相邻光脉冲得以在非平衡干涉仪内部实现光路补偿，进而发生干涉效应。干涉光经光电探测器(PD)光电转换后进行数据采集与处理。弱反射光栅构成了湿端拖曳阵列，其他光路构成了干端解调终端。

进一步的，由于传感器单基元中弱反射光栅作用在于形成超弱反射率的反射镜，进而反射入射光波，与后端迈克尔逊干涉仪光程匹配后，得干涉传感系统，此时光纤水听器传感部分为成对光栅之间的光纤。在该传感光纤中，假设传感光纤长度为L，考虑往返光程后，成对光栅反射回的光波光程差为4πnL/λ，在远场声源声压为P条件下，光纤内部产生应变与弹光效应，进而导致折射率n与长度L发生变化，产生相位变化，对应相位变化量为

式中：ΔL与Δn分别为光纤长度与折射率变化量；λ为光波波长；εz为声压导致的光纤轴向应变；εr、εθ为光纤的径向应变；p₁₁、p₁₂为光纤弹光系数。从式(1)可知，光纤水听器阵列中单个传感器相位变化量与传感器腔长呈线性关系，增加腔长能够直接提高传感器相位变化量，而相位变化量与校准声压灵敏度又有直接线性关系，因此光纤水听器线性的传感腔与最终所得声压灵敏度也存在对应线性关系。

在一些实施例中，请参阅图3，所述获得与所述光纤水听器对应的虚拟阵，包括：

S301、获取所述拖曳光纤信号形成的阵列的初始基元数目；

S302、根据所述初始基元数目，确定经过一设定时间后运动产生的扩展基元数目；

S303、根据所述扩展基元数目和初始基元数目，确定所述虚拟长阵的总基元数目。

在本实施例中，对干涉信号解调后可得到远场声源造成的水听器相位变化量，经过光电阵列信号转换，单个水听器组合成阵进行阵列信号处理，实现不同时域、频域波束形成，考虑到小型无人平台搭载设备及拖曳能力限制，光纤水听器复用上限受限，结合合成孔径原理提升光纤水听器线阵虚拟长度。

具体的，由小型水下无人平台拖曳工作，湿端光纤基阵整体做均匀直线运动。拖曳阵列总基元为N个，从t＝0时刻开始以第一阵元接收到的远场目标声辐射信号为参考原点；在t＝τ时刻，基阵向前运动一段距离，与参考点相比整体重叠基元为N-q个，则运动产生的扩展基元为q个；在t＝nτ时刻，基阵又继续向前运动了一段距离，此时扩展基元相对比参考原点已达到nq个，实现拖曳阵孔径的虚拟合成。在上述工作原理中，由于各水听器阵元间距相同，参考原点内部第i基元接收到的解调相位信号可表示为

式中：A为相位变化幅度；f为远场声源频率；tm为第m时刻的采样时间；τi为阵列中第i个传感基元相对于第1个阵元传播时延(i-1)Δτ；ξi(tm)为外部环境随机噪声造成的随机相位变化量。当无人平台运动τ时间后，此时第i个传感基元接收到的解调相位信号可表示为

在一些实施例中，所述根据所述基元数目，确定经过一设定时间后运动产生的扩展基元数目，包括：

采用预设的相位修正法，对空间重叠的基元进行修正，确定虚拟合成后的修正扩展基元数目；

根据所述修正扩展基元数目和初始基元数目，确定所述虚拟长阵的总基元数目。

在本实施例中，由于阵列前后存在部分重叠基元，因此通过相位修正，可以得到虚拟合成后的总阵元。对于t＝0时刻第i+q基元和t＝τ时刻第i基元来说，空间重叠时在理想条件下可构成关系式

τ_i(t_m+τ)＝τ_i+q(t)(4)

通过利用光纤水听器阵列运动时，前后两个空间中重叠部分水听器信号互相关计算，实现运动误差及其他外界环境导致的相邻相位误差修正，再将其带入波束输出相干组合，最终得到扩展后的阵列虚拟等效长度。

在一些实施例中，所述采用预设的相位修正法，对空间重叠的基元进行修正之后，还包括：

采用预设的相位补偿法，对所述修正扩展基元进行补偿修正，获得目标扩展基元；

根据所述目标扩展基元和初始基元，确定所述虚拟长阵的总基元数目。

在本实施例中，基于毫米量级的光纤水听器在进行拖曳运动孔径合成时，重叠阵元数量多少直接会影响相位修正估计，传统被动型合成孔径算法基于空间重叠位置做互相关计算平均，因此设计之初最佳重叠数目为阵列总基元数的二分之一。但是基于无人平台拖曳使用时，受到暗流、航速、机动、温度等外界因素影响，导致拖曳平台及阵列在路径上无法完全一致，因此光纤水听器在空间上无法做到完全重合，因此需对光纤水听器做相位补偿，以不断修正阵元探测结果。

由于光纤阵列在成缆后已进行一致性检验，因此拖曳探测过程中可按照时间段依次修正相位进行补偿，相位补偿的主要控制因素与角度相关，假设增加的虚拟阵元长度为vτ，此时扩展后光纤水听器阵元总长达到Nd+vτ，运动jτ时长后，孔径扩展为Nd+jvτ，相干组合累加输出后得到直接相位补偿结果。对于光纤阵列来说，当运动过程发生偏移时，光纤折射率及光栅中心波长均发生变化，通过相邻单元相关计算分析，可进一步补偿光相位信号，按照分频带、波长、时段波束输出，得到适应于光纤水听器拖曳阵列的被动合成孔径相位补偿方法。

在一些实施例中，请参阅图4，所述获取光纤水听器的拖曳光纤信号之前，包括：

S401、制备毫米量级光缆；

S402、基于所述毫米量级光缆，构建光纤水听器阵列。

在本实施例中，为了进一步降低光缆的重量对小型平台拖曳使用带来的不利影响，通过制备毫米量级的光缆以解决拖曳重量的问题，从而降低光缆拖曳行驶时的阻流。

在一些实施例中，请参阅图5，所述制备毫米量级光缆，包括：

S501、获取涂覆材料和一定长度的光纤；

S502、将所述光纤在一设定温度下进行多次热处理；

S503、将所述涂覆材料在一设定温度下进行热处理，以使所述涂覆材料相对所述光纤预收缩，得到初级光缆；

S504、采用预设的冷却固化法，对所述初级光缆初级进行降温处理，得到成型光缆。

在本实施例中，开始成缆步骤后，在准备工序中需首先进行张力测试同时使拉丝塔光栅阵列在涂敷平台上稳定运行一段时间以达到匀速状态。由于聚合物常温下为固态颗粒状，因此需对材料进行加热融化；其次，为使液态聚合物材料能紧缚在裸纤上，需对裸纤进行多次预热，第一次通过100℃加热设备进行初步预热，第二次进入190℃加热设备进行再次预热，然后通过挤塑装置将聚合物敷在裸纤周围。由于此时的聚合物仍为稠密液态，需进行固化工序，固化过程中使涂敷后的光缆通过较长的水槽，通过一次进行一次红外测径，以实时监测涂敷质量，通过两次热固化冷却后，就进入测试工序，由于单次涂敷聚合物附着能力有限，对于特定的涂敷直径需求需进行多次工序，以增加涂敷厚度，当满足测试需求后，最后通过收线盘收纤。整个成缆过程实现动态边拉边涂敷，成缆速度为80m/min，速度较快，稳定性高。

在一些实施例中，所述得到成型光缆之后，还包括：

对所述成型光缆进行直径检测，判断所述成型光缆的直径是否大于预设的光缆毫米直径；

若大于，则确定所述成型光缆为目标光缆。

在本实施例中，成型光缆的直径越小，重量越小，并且在拖曳前行的时候产生的阻流越小，但是成型光缆的直径过小，则会出现强度不够、容易断裂等问题。因此，需要对成型光缆的直径进行检测和测试，以满足工业需求的同时，能够最大化减少拖曳行驶的阻流。

需要说明的是，考虑到裸光栅阵列材质为纯光纤结构，因此需进行二次涂敷实现拖曳使用。经过聚合物材料二次涂覆可形成一定机械强度拖曳光缆，内圈涂层主要作用为光纤传感器增敏，外圈涂层主要作用为增加光纤传感器机械拉伸强度。具体的，成型毫米级光缆的直径为0.9mm。

基于上述光纤水听器虚拟阵生成方法，本发明实施例还提供一种虚拟光纤水听器，所述的光纤水听器虚拟阵生成方法制成，所述虚拟光纤水听器包括至少一个光纤水听器本体和对应的虚拟阵。

在一些实施例中，所述至少一个光纤水听器基于预设的排列顺序构建形成光纤传感阵列。

以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种光纤水听器虚拟阵生成方法，其特征在于，包括：

获取光纤水听器的拖曳光纤信号；

采用预设的被动合成孔径声呐算法，对所述拖曳光纤信号进行去重和相位补偿处理，获得与所述光纤水听器对应的虚拟阵。

2.根据权利要求1所述的光纤水听器虚拟阵生成方法，其特征在于，所述获得与所述光纤水听器对应的虚拟阵，包括：

获取所述拖曳光纤信号形成的阵列的初始基元数目；

根据所述初始基元数目，确定经过一设定时间后运动产生的扩展基元数目；

根据所述扩展基元数目和初始基元数目，确定与所述光纤水听器对应的虚拟阵的总基元数目。

3.根据权利要求2所述的光纤水听器虚拟阵生成方法，其特征在于，所述根据所述基元数目，确定经过一设定时间后运动产生的扩展基元数目，包括：

采用预设的相位修正法，对空间重叠的基元进行修正，确定虚拟合成后的修正扩展基元数目；

根据所述修正扩展基元数目和初始基元数目，确定所述虚拟长阵的总基元数目。

4.根据权利要求3所述的光纤水听器虚拟阵生成方法，其特征在于，所述采用预设的相位修正法，对空间重叠的基元进行修正之后，还包括：

采用预设的相位补偿法，对所述修正扩展基元进行补偿修正，获得目标扩展基元；

根据所述目标扩展基元和初始基元，确定所述虚拟阵的总基元数目。

5.根据权利要求1所述的光纤水听器虚拟阵生成方法，其特征在于，所述获取光纤水听器的拖曳光纤信号之前，包括：

制备毫米量级光缆；

基于所述毫米量级光缆，构建光纤水听器阵列。

6.根据权利要求5所述的光纤水听器虚拟阵生成方法，其特征在于，所述制备毫米量级光缆，包括：

获取涂覆材料和一定长度的光纤；

将所述光纤在一设定温度下进行多次热处理，得到热度光纤；

将所述涂覆材料在一设定温度下进行热处理，以使所述涂覆材料相对所述热度光纤预收缩，得到初级光缆；

采用预设的冷却固化法，对所述初级光缆初级进行降温处理，得到成型光缆。

7.根据权利要求6所述的光纤水听器虚拟阵生成方法，其特征在于，所述得到成型光缆之后，还包括：

对所述成型光缆进行直径检测，判断所述成型光缆的直径是否大于预设的光缆毫米直径；

若大于，则确定所述成型光缆为目标光缆。

8.根据权利要求6所述的光纤水听器虚拟阵生成方法，其特征在于，所述将所述光纤在一设定温度下进行多次热处理，包括：

对所述光纤进行第一次热处理，得到预热光纤，所述第一次热处理温度为100摄氏度；

对所述预热光纤进行第二次热处理，得到所述热度光纤，所述第二次热处理温度为190摄氏度。

9.一种虚拟光纤水听器，其特征在于，包括至少一个光纤水听器本体和对应的虚拟阵，所述虚拟阵采用如权利要求1-8任一项所述的光纤水听器虚拟阵生成方法制成。

10.根据权利要求9所述的虚拟光纤水听器，其特征在于，所述至少一个光纤水听器基于预设的排列顺序构建形成光纤传感阵列。

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