（水声工程专业论文）光纤矢量水听器指向性锐化技术研究.pdf

国防科学技术大学研究生院学位论文 a b s t r a c t v e c t o rh y d r o p h o n ed r a w sm o r ea t t e n t i o no fr e s e a r c h e r si nt h ef i e l do fw a t e r a c o u s t i ca n do t h e rc o r r e l a t i v ed o m a i nb y i t sf i n e p e r f o r m a n c ed a yb yd a y f i b e r o p t i c a lv e c t o rh y d r o p h o n eh a st h eh i g hp e r f o r m a n c ew h i c has e r i e so fo t h e r t y p ev e c t o rs e n s o rd o e s n th a y e ，1i k ep i e z o e l e c t r i c i t i e s t h i sp o i n th a sa l r e a d y b e e np r o v e di nt h ec o m p a r i s o no ft h ef i b e r o p t i c a lh y d r o p h o n e a n d t h e p i e z o e l e c t r i c i t yh y d r o p h o n e t h i sa r t i c l ee l a b o r a t e dt h ew o r k i n gp r i n c i p l eo f f i b e r - o p t i c a lv e c t o rh y d r o p h o n es y s t e m t h eo p t i c ss t r u c t u r es y s t e ma n dt h ek e y t e c h n o l o g i e so fs i g n a ld e m o d u l a t i o nw e r ea n a l y z e da n dp r e s e n t e di nt h i sp a p e r ， a n dh a dc a r r i e do nd i r e c t i v i t ys i m u l a t i o ne x p e r i m e n ta n dd e m a r c a t i o ne x p e r i m e n t w e r eo p e r a t e do nf i b e r - o p t i c a lv e c t o rh y d r o p h o n e d i r e c t i v i t yi so n eo ft h em o s t b a s i cc h a r a c t e r i s t i c si ns o u n dn a v i g a t i o na n dr a n g i n gs y s t e m 。w h i c hi st h em a i n p a r a m e t e ro fw a t e ra c o u s t i cd e t e c t i o ns y s t e mi nn o i s ea n dd i s t u r b a n c ee l i m i n a t i o n o nt h eb a s i so fc o r r e l a t i o nc h a r a c t e r i s t i co fs o u n dp r e s s u r ea n do s c i l l a t i o n v e l o c i t yi nt h ev e c t o rs o u n df i e l d ，t h i sa r t i c l ei n t r o d u c e dt h ev e c t o rh y d r o p h o n e o fd i r e c t i v i t y ，1i k et h ew o r d8 ，n a m e i yt h ed i p o l ed i r e c t i v i t y ，a l s o ，w h oh a s t h ec e r t a i na b i l i t yo fe s t i m a t i n gt a r g e tb e a r i n g ，b u ti t sm a i nl o b ew i d t hi s a p p r o x i m a t e l y9 0 0 ，o n l yb yb e i n gp e a k e dw i t hs o m ec e r t a i nw a v eb e a mc a nt h es i n g l e v e c t o rh y d r o p h o n ed i s t i n g u i s ht h em u l t i 。g o a l sa n da c c u r a t e l yl o c a t et h eg o a li n p r a c t i c a la p p l i c a t i o n o nt h eb a s i so fp e a k i n gt e c h n o l o g yi ne x i s t i n gl i t e r a t u r e ， t h i sa r t i c l ep r o p o s e dt h ep e a k e dd i r e c t i v i t yt e c h n o l o g yb a s e do nt h em i n i m a l v a r i a n c en o n d i s t o r t i o nr e s p o n s e ，a n dh a sad e t a i l e dd i s c u s s i o na b o u ti t sp e a k e d m e c h a n i s m i tc a nb ea p p l i e dt ot h et a r g e tb e a r i n ge s t i m a t i o n s i m u l a n t a n d e x p e r i m e n t a lr e s u l t sh a dp r o v e nt h a tt h eb e a mw i d t hc a nb es u p p r e s s e dw i t h i n 2 0 。i nt h i sw a y a n dt h ef i b e r - o p t i c a lv e c t o rh y d r o p h o n ec o m b i n a t i o nd i r e c t i v i t y c a nb ep e a k e de n o r m o u s l y ，w h i c hh a sb u ii tt h ef o u n d a t i o nf o ro p t i c a lf i b e rv e c t o r h y d r o p h o n en e a r r a ya p p l i c a t i o ni nt h ef u t u r e f i n a l l y ，d a t aa c q u i r e di ni a k e e x p e r i m e n ta n dt h ef i r s tm a r i n ee x p e r i m e n tu s i n go p t i c a lf i b e rv e c t o rh y d r o p h o n e i n2 0 0 3w e r ep r o c e s s e d t h ea z i m u t ha n g l eo ft a r g e tb o a tw a se s t i m a t e da c c u r a t e l y t h ev e c t o rs o u n df i e l ds i g n a la n dn o i s em o d e lc o h e r e n tc h a r a c t e r i s t i cp r e s e n t e d i nt h i sp a p e rw e r ec o n f i r m e di ns o m ee x t e n t t h ep e r f o r m a n c eo fo p t i c a lf i b e rv e c t o r h y d r o p h o n ea n di t sc o h e r e n tt e c h n i q u ei nt h eb a dm a r i n ee n v i r o n m e n tw a st e s t e d k e yw o r d s ：f i b e r o p t i c a lv e c t o rh y d r o p h o n e ，d i r e c t i v i t y ，v e c t o rh y d r o p h o n e ，m v d r ， d i r e c t i o no fa r r i v a le s t i m a t i o n 第1 i 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经 发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权国防 科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允许 论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文题目：迸红筮量垄咀墨堂囱丝丝丝堇苤硒塞 学位论文作者签名： 作者指导教师签名： 日期： 日期： 年月日 年月 日 第i 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 第一章引言 随着陆地资源的不断消耗，海洋的战略地位越来越突出。二战以后，海上军事安全与 对抗更是从战略角度受到各国的重视与发展。无论是海洋和平开发利用，还是军事安全与 对抗，都以水下信息化为基础，并对信息的远距离传播、快速性、多样性、高精度等提出 越来越高的要求。然而，由于海洋恶劣的条件，人们一般仅能借助于遥感遥测获取和发送 水下信息。迄今所熟知的各种能量形式中，声波在海洋中有最佳的远距离传播性能，因而， 水声就成为海洋中信息传播的主要载体。 在海水介质中，声源引起水介质分子运动导致介质密度变化并产生相应的压力波，所 以水声场兼有标量和矢量场，除声压等标量外，声场还包含声压梯度、加速度、质点振速、 声强流等矢量信息，在物理上，对水声场的矢量检测才能完整描述声场，但在相当长的时 间内，由于声质点振速测量的复杂性，几乎所有的声纳系统使用的水听器拾取的都只是声 场的声压标量，阵处理也仅处理声压及其变换与信息。声压水听器的空间响应为各向同性， 不能辨别声波传播方向，需将数十个到数百个探测单元组成大规模阵列，利用阵列的波束 形成来获取水声场的分布和传播方向等信息。根据波束形成原理，阵列尺度越大，声波波 长越短，则分辨率越高，随着水下目标隐身技术的发展和对水下目标检测距离要求的不断 提高，信号工作频率还在不断降低，这使得声压水听器只能在继续扩大阵列孔径的情况下， 才能够有效地对目标进行参数估计，而我国东南沿海大多是浅海、低频海域，应用大尺寸 水听器阵列进行水声场探测就受到很大限制，并且阵列孔径的增大又带来一系列的问题， 如：实际工程的限制，成本的加大，硬件处理的数据量变大等问题。对于一些要求有自导 能力的体积有限的鱼雷、深水炸弹等工程应用，带来了很大的困难。同时在工业生产和民 用方面，也需要一种既经济又有效的办法来进行水下目标探测，而一般的线列阵孔径较大、 成本高，而且还存在左右舷模糊问题，这就对声纳探测系统提出了新的要求。解决这些问 题的办法之一就是应用矢量水听器阵列来带代替传统的声压水听器阵列。 1 1 矢量水听器的研究现状及特点 1 8 8 4 年r a y l e i g h 提出声波质点振速概念，之后的几十年人们都在试图测量声波质 点振速和声能流密度，但由于质点振速测量的复杂性使得研究一筹莫展。1 9 3 2 年美国学 者奥尔森提出了声场能量测量原理，并指出矢量水听器一般由声压水听器和振速水听器 复合而成，可以共点、同步、独立测量声场空间一点处的声压和质点振速正交分量幢1 。 2 0 世纪4 0 年代，美国研制出声压梯度矢量水听器，7 0 年代已将矢量水听器成功应用到 声纳浮标中，还探索矢量水听器应用于拖曳阵线列声基阵，以便用声强流矢量方向来分 辨目标位于阵的左右舷，甚至探索用振速水听器来代替舷侧阵声纳的水听器阵1 。俄 罗斯远东科学院自二十世纪七十年代末八十年代初便开始了组合传感器( 矢量水听器) 的应用研究，他们通过大量的海上试验对海洋环境噪声场特性作了十分细致的研究，将 第1 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 海洋环境分为各向同性的非相干干扰和各向异性的相干干扰，并开始了拖曳矢量线列阵 声纳的研制嘲 6 】。总的来说，当前美俄两国处于世界领先地位，并将矢量水听器应用于 工程实践，在海岸预警声纳、海洋环境噪声测量和水雷引信等方面不同程度的采用了矢 量水听器。 在矢量水听器的联合信息处理方面，虽然美俄自上世纪中叶就已经开展了矢量水听 器的相关应用研究，但是国际上关于这些应用情况的文献很少，直至上世纪九十年代， 随着新一轮的矢量水听器研究热潮的兴起，相关研究文献才逐渐多了起来。美国学者 e d m o n dy l o 和m i g u e lc j u n g e r 提出在各向同性的噪声场中，水平方向的声强在零附 近波动，通过时域积分，能够抑制与平稳信号频带重合的各向同性噪声，从而提高信噪 比，这种方法被称之为时域平均声强测量，并将这一原理应用于当宽带信号频带、方位 与噪声频带、方位重合的情形，使信噪比增强，而在这种情况下，声压测量仅仅靠滤波 是难以实现的h 1 。1 9 8 9 年俄国学者出版了世界上第一部关于声矢量传感器技术的专著声 学矢量相位方法，较全面地论述了声矢量传感器技术的原理和应用哺1 。1 9 9 4 年， 美国学者n e h o r a i 等人给出了利用单个组合传感器进行方位测量的两种方法和方位测量 误差的c r b 及建立了有关组合传感器阵列方位测量模型，使得联合信号处理的对象由单 个组合传感器拓展为组合传感器阵列，为组合传感器在水声工程领域的实际应用拓展了 思路一1 。1 9 9 8 年美国学者h a w k e s 指出，以组合传感器取代传统的声压传感器，可以减 小波阵面方向估计误差，这主要取决于以下两点：1 由于组合传感器有四路输出，与阵 元数目相同的声压传感器相比较，组合传感器可获得四倍数目的输出信号，有效提高信 噪比；2 单个组合传感器的输出本身已蕴含空间目标的方位信息。利用以上两点，可有 效地避免声压传感器方位测量中存在的左右舷模糊问题，并且和其他学者一起首次较系 统地提出了单个声矢量传感器的声能流测向算法，并且还给出了声矢量传感器在界面附 近的声能流d o a 估计算法n 们。俄国学者v a l d i m i rs h c h u r o v 在2 0 0 3 年出版的海洋 矢量声学一书发展了海洋环境噪声的声压标量场特性的研究方法，提出了基于声矢量 传感器测量海洋声场的一整套方法n 乱。他们首先研究了环境噪声场的各向同性、非各向 同性成分的关系，将环境噪声场的谱分裂为各向同性和非各向同性成分。然后进一步研 究了海洋中噪声能量的传播，将环境噪声在1 0 0 0 h z 以下分为三个频段并对其进行了描 述：1 当6 - 2 0 h z 时，噪声能量流方向向下，来自海洋表面3 0 度到4 5 度范围内；2 当 5 0 2 0 0 h z 时，主要是交通干扰，能量流方向是水平的；3 当2 0 0 - 1 0 0 0 h z 时，为海洋动 态噪声，它有垂直和水平两个分量，且二者不相关。 国内主要以哈尔滨工程大学水声研究所为主进行了矢量水听器的研究。七五期间曾 利用偶极子水听器在航空定向声纳浮标应用上的研制工作，八五期间用声压梯度水听器 阵进行了声强测量，1 9 9 6 年贾志富教授成功制作了同振球型矢量水听器和双迭片式不动 外壳型矢量水听器n 引。惠俊英教授及其学生在三维同振球型矢量水听器的声压振速联合 信号处理方面作了很多工作n 4 儿1 5 1 。孙贵青等人给出了矢量水听器信号和噪声的声压和质 点振速的空间相干性及相关系数的证明，并且对d o a 的克拉美罗下界做了相关推导， 第2 页 囡防科学技术大学研究生院学能论文 将声能流法用于目标方位估计；并在2 0 0 4 年声学学报上连续发表了两篇声矢量传感器 的综述文章，概括了国内外研究状况n 棚吖槽1 。哈尔滨工程大学在2 0 0 0 年8 月进行了海上 试验，在营内首次取得了海上冒标的远程测量结果，测量了距离1 2 k m 的水面目标。国 防科学技术大学和中科院声学所在2 0 0 3 年8 月成功进行了光纤矢量水听器首次海上试 验，成功的对霉标进行了测试麓定位辑h 。然焉与美俄等国相比，国内无论是矢量水听 器探头技术还是联合信息处理技术都还有很大的差距。 矢量水听器按其所测物理量的不圈，可分为声压梯度水听器、位移水瞬器、振速水听 器和加速度水听器( 声压梯度是利用空闻两点处的声压有限差分的原理来近似得到声压梯 度，而声压梯度与介质质点的加速度之间的关系由e u l e r 公式决定，通过点接计算就可以 得到质点振动信息，因此有人认为所谓的“声匿梯度 传感器不应该列入到真正的赢接测 量声场质点振速的质点传感器中，而将它作为过渡角色更合适) ；按其与声场的相互作用 方式可分为压差型和同振型水听器；按照维数可分为一维、二维、三维矢量水听器；按其 换能原理可分为压电式、电动式、电磁式、磁致伸缩式、电容式和光纤式( 本文采用的是 同振球型光纤加速度矢量水听器) 。 矢量水听器可】以同时、共点的获取声压和振速信息，其信息处理可在相空间 癜妇2 谚2 ) p ，以，p v p ， p ，1 , 2 ) 夕，v ，p v 等进行处理，其中v 为振速，p 为声压， p ，为声强，v 2 为动能，p 2 为势能，所以矢量水听器可以获得比传统声压水听器更高的增 益。在备向阚性的噪声场中，水下运动的运处鹜标辐射的噪声是一令与背景嗓声不阕，具 有一定的传播方向，而由于矢量水听器的矢量性，使得它可以消除各向同性的噪声干扰而 目标辐射噪声则不会抵消，对于普通的声压水听器，各向固性的噪声会全郝叠加到承听器 上，而不能够消除。当矢量水听器尺寸远小于声波波长时，单矢量水听器的四个输出分量 的各种线性组合可以形成富有想象力的双边( 对称的两个主极大) 或单边( 个主极大) 的指向性，尤其是它的单边指向性能够克服冒标的左右舷模糊。所以与传统的声压水昕器 相比，矢量水听器主要有以下优点： 量戆够只利震单个永昕器对曩标进行定向，蔼且在定条件下与譬标源的频率范围 无关； 2 。具有缀高的抗干扰性； 3 在小功率辐射时，采用低频即可获得水下目标的远距离探测； 4 ，可以很好的去除常规均匀线阵的左右舷模糊问题： 5 与传统的探测设备相比，在褶阍的战技指标下，减小了重量和尺寸。 1 2 光纤矢量水听器的研究进展 与压电矢量水听器相比，干涉型光纤矢量水听器灵敏度高，信号经光纤传输损耗小， 防电磁干扰、保密性能强，能在恶劣的水下、地下环境中实现长期、稳定工作，而且结合 现有的光纤通信技术，光纤矢量水听器可以方便地组建拖曳阵、舷侧阵、岸基阵等各种永 第3 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 下全光阵列和大范围光纤传感网，具有广泛的应用前景。但是，与压电矢量水听器已经逐 渐开始走向实际应用相比，光纤矢量水听器的研究目前还主要处于实验室研究阶段。 根据目前已有文献，还没有找到能直接进行振速传感的光纤矢量水听器结构；对于位 移型光纤矢量水听器，由于声场中质点位移的幅度小而且随频率增加而变小，这样，位移 型矢量水听器对位移本身的灵敏度提出了较高的要求；前面提到声压梯度型并非真正意义 上的矢量测量，而是测量声场中两点的声压的差值，可以看作向矢量测量的过渡阶段；所 以目前国内外光纤矢量传感器研究大多是基于加速度传感的。 由于明显的军事用途，国外光纤矢量水听器的研究极少见于报导，从这些为数极少的 报导中只能看出实验室研究阶段的结果。美国学者d l g a r d n e r 在1 9 8 7 年研制了干涉型 光纤加速度计晗矾，系统采用中心质量块、光纤缠绕在两边弹性橡皮支撑体上的推挽式结构， 干涉仪为迈克尔逊结构。其加速度灵敏度为5 0 0 r a d g ，系统噪声本底为1 0 u r a d h z u 2 ，最小 可测加速度为l n g h z “2 。 在国内，天津大学丁桂兰等人研制了三分量全光纤加速度地震检波器心引，系统由1 个 质量块，6 个顺变柱体，3 套迈克尔逊干涉仪光路组成。其单一轴向的加速度可达1 0 3 r a d g ， 可同时检测3 个轴向的加速度a x 、a y 、a z ，经矢量合成得空间加速度a ，从而实现加速度 的实时、高精度检测。清华大学曾楠等人研制了三分量的全向光纤加速度计来进行石油勘 探和地震波探测硷引，其系统频率响应带宽为1 0 8 0 0 h z ，轴向灵敏度为7 9 4r a d g ，最小可 检测加速度为3 9 3 u g h z “2 。国防科大罗洪等人研制了三分量全保偏光纤加速度传感器心5 1 ， 该传感器由6 个弹性柱体共同支撑1 个质量块构成三分量结构，采用3 个迈克尔逊全保偏 光纤干涉仪共用一个光源组成。光学部分采用全保偏光纤干涉仪结构，消除了偏振不稳定 性，采用光频调制相位载波解调信号处理技术消除了干涉仪初始相位差的影响，从而实现 了对加速度信号的稳定检测，传感器的工作频带为5 5 0 0 h z ，加速度灵敏度达到6 6 0 r a d g ， 系统最小可测相位差为1 0 一r a d ，最小可测加速度为1 5 1 0 7 1 1 1 8 2 ，工作频带内加速度灵敏 度变化小于2 d b 。x 、y 、z 轴加速度灵敏度和频响曲线与理论分析的结果基本一致。但以 上研究都没有对水声场进行测量，2 0 0 3 年，国防科大熊水东等人研制了正交芯轴式干涉型 全保偏推挽结构的光纤矢量水听器舱6 1 ，在7 1 5 所水声一级计量站进行了标定，并联合中科院 声学所在青岛附近海域进行了我国光纤矢量水听器首次海上试验，中科院声学所对实验数 据进行了处理。2 0 0 6 年国防科大受到国家8 6 3 计划支持开展了光纤矢量水听器的研究 ( 2 0 0 6 a a 0 9 2 1 2 1 ) 。 综上所述，目前光纤矢量水听器才刚刚走进相关人员的研究视野，是一种新技术，基 于光纤矢量水听器的应用还很少见，但是光纤矢量水听器具有的优良特性很好地克服了压 电系统几乎所有的缺点，为解决浅海低频的水声研究和应用的许多问题提供了理想的技术 途径，从而在以下一些重要的领域展示了广阔的应用前景： 1 浅海海域、低频水声场探测； 2 在水下兵器试验场进行潜艇和舰艇的自噪声及辐射场测量； 3 水声警戒声纳、拖曳线列阵声纳、潜艇舷侧阵； 第4 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 4 鱼雷、自主攻击水雷、自寻深水炸弹等尺度受限载体的水声探测； 5 石油勘探中的地震波检测。 ” 1 3 课题研究的意义和主要工作 指向性是声纳系统的最基本特征之一，是水声探测系统抑制噪声和干扰的主要指标。 理想的情况下，当基阵放在各向同性的均匀噪声场中时，指向性函数在目标方向的响应为 1 ，而在其他方向的响应为零，这样就能通过简单的强度对比将目标信号探测出来，但实 际应用中如此尖锐的波束基本上是不可能的。单矢量水听器指向性具有8 字形指向性，也 即偶极子指向性，它的主瓣宽度大约9 0 0 ，在实际应用中单矢量水听器需经过一定的波束锐 化才能精确分辨多目标和测定目标方位。目前发表的基于矢量水听器阵列的目标测向技 术，通常做法都是利用各种常规或者自适应的方法对阵列进行波束形成，通过从整体上对 协方差矩阵进行处理来锐化主波束或抑制旁瓣干扰，而很少有人提及先针对单个矢量水听 器进行波束锐化，然后再做目标方位估计，目前查到有文献中提出通过高次乘方锐化主波 束然后进行目标方位估计，得到了较好的结果瞻7 1 。然而，通过高次乘方锐化主波束存在较 多的弊端，例如：对存在干扰和噪声的情况，高次乘方的同时也将噪声进一步放大，信噪 比增益的效果不明显，另外计算量显然也是急剧增大的。不过，矢量水听器的指向性锐化 研究对于目标定位技术具有重要意义，它的研究将会大大提高矢量水听器的对目标的探测 能力，具有广泛的应用前景。首先，指向性锐化技术使得单矢量或者数个矢量水听器能够 实现对目标进行探测，这样就能在鱼雷、水雷、无人水下航行器等小尺度声纳平台上应用。 其次单个矢量水听器指向性的锐化能够大大提高声纳基阵的指向性，具有更高的空间增益 和窄指向性，显著提高矢量水听器阵列的测向能力，实现声纳系统的远程精确探测和定位。 目前单矢量水听器指向性锐化技术主要有高次乘方、倍频窄波、自适应锐化波束等方 法，本文对各种锐化方法进行了探讨，提出了基于最小方差无失真响应的指向性锐化方法， 对其进行了仿真及试验验证，并将其用于目标方位估计，为矢量水听器阵列目标方位估计 探索了新的方法。 本文介绍和分析光纤矢量水听器系统的结构，重点分析了系统的光学结构和相干信号 调制解调技术，对其进行了矢量性标定等相关测试，对湖上试验和海上试验数据进行了处 理，给出了有益的结果。本课题是在国家8 6 3 计划资助( 光纤矢量水听器研究， 2 0 0 6 a a 0 9 2 1 2 1 ) 下展开的，主要进行了以下工作： 第一章：引言。综述了目前矢量水听器和光纤矢量水听器的研究进展，介绍了它们相 较于声压水听器的优越性能，是未来海洋和平开发和军事对抗的有力工具。阐明了指向性 锐化技术对于目标定位的重要性。 第二章：光纤矢量水听器基本原理及技术。介绍了同振球型光纤加速度矢量水听器的 系统结构，阐明了它的工作原理，重点对光学系统部分和相干信号调制解调部分作了详细 介绍。 第三章：光纤矢量水昕器的声场信号物理模型及其自然指向性。分析了矢量声场信号 第5 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 的物理模型，从理论上证明了声场中信号声压、振速的相关性和各向同性噪声声压、振速 的不相关，为后续信号处理奠定了基础，并对8 字形自然指向性和组合指向性进行了探讨。 第四章：光纤矢量水听器指向性锐化技术。介绍了目前已经发表的单矢量水听器指向 性锐化技术，分析了其优缺点，在此基础上，提出了基于最小方差无失真响应的指向性锐 化技术，对其原理进行了详细介绍，并对其锐化机理进行了讨论。 第五章：指向性锐化技术及目标方位估计仿真。本章对基于最小方差无失真响应指向 性锐化技术进行了仿真，并且和其他锐化方法进行了比较，验证了m v d r 指向性锐化技术 理论上的正确性，将该方法用于单光纤矢量水听器目标方位估计仿真，分别对单目标和双 目标进行了估计，取得了较好的效果。 第六章：光纤矢量水听器湖上试验和海上试验数据处理。由于湖上和海上环境的复杂 性，光纤矢量水听器的检测性能已完全不同于实验室，而要使得光纤矢量水听器向实用化 发展，湖试和海试是必不可少的。湖上试验实测了光纤矢量水听器的自然指向性，并对组 合指向性进行了锐化处理，验证了本文提出的指向性锐化技术的正确性，并用单光纤矢量 水听器对目标进行了方位估计。对2 0 0 3 年光纤矢量水听器首次海上试验的数据进行了分 析，验证了远场矢量声信号的相关性和各向同性噪声的无关性，并将锐化技术应用于目标 方位估计，取得了较好的效果。 第七章：结论及需进一步解决的问题。概述了本论文的主要研究结果，同时结合具体 研究工作，指出了光纤矢量水听器下一步发展需要解决的问题。 _ l - _ i - - - - - _ _ l l - _ - _ _ - - - - _ _ _ - _ _ _ - - - l - - l - _ _ - - i _ - _ 一 第6 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 第二章光纤矢量水听器基本原理及信号调制解调技术 本论文使用的同振球型光纤加速度矢量水听器是以光纤干涉仪为光学核心，以声场矢 量的测量为目的的光纤传感系统，系统包括传感器、光学系统、电路模块与信号解调四个 主要部分。在本章中介绍了系统基本构成，阐述了光纤矢量水听器的工作原理，并对光纤 干涉仪信号的相干调制解调技术作了详细介绍。 2 1 系统基本结构及工作原理 光纤加速度矢量水听器系统包括传感器、光学系统、电路模块与信号解调四个主要部 分。系统基本结构如图2 1 所示： 图2 1系统基本结构框图 系统工作原理是：光纤激光器在调制信号作用下发出调频光，调频光由单根保偏光纤 传送到湿端传感系统，单根光纤传输的偏振光经光纤偏振器和lx4 路分束器变为4 路偏 振光，然后分别进入矢量水听器的四个传感单元，各单元的光学结构均为非平衡式全保偏 迈克尔逊干涉仪，在这里，声场声压信号和加速度矢量信号转变为光相位信息，形成携带 光频调制和水声信息的干涉信号，然后由4 路光纤传回信号检测系统。在信号检测系统中， 电路模块实现4 路光电转换、前置放大以及a d 变换，使得干涉信号数字化，最后经e p p 端口传输到计算机，计算机完成数字解调。数字解调后的信号就可以进行矢量合成等声场 信号处理工作。 2 2 系统的光学结构设计 第7 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 系统最关键的部件为光学结构，是整个系统的基础，决定了系统其他各个部分的实现 形式，它的性能决定了整个系统的性能，也是本文工作的一个重要方面。 本文采用的光纤加速度矢量传感器，其光学传感部分采用全保偏光纤非平衡 m i c h e l s o n 于涉仪结构。三维光纤加速度传感器是在单分量结构的基础上进行设计的，由 单分量组合扩展到三分量，一种简单的方案是直接用三个单分量光纤加速度传感器分别测 x 、y 、z 三个方向的加速度，然后将三个方向的单分量光纤加速度传感器测得的加速度进 行矢量合成就可以测得空间加速度。另一种方案是对单分量的结构进行改进，设计出三分 量一体的结构，这种三分量一体结构在减少传感器的体积方面有很大的优势，由于三分量 共用一个质量块，对加速度的三个分量同时响应，可以实现加速度三个分量的并行、实时、 高精 图2 2 研制的加速度型光纤矢量水听器探头 三分量一体三轴正交的全保偏光纤加速度矢量水听器结构如图2 3 所示，其工作原理 如下：由6 个弹性柱体支撑1 个质量块，相对的两柱体上紧密缠绕的保偏光纤形成了各维 迈克尔逊干涉仪的两臂。从高相干可调谐激光器发出的光输入到保偏光纤耦合器中，分为 两束进入干涉仪的两光纤臂，经光纤末端的镀膜端反射，回到耦合器进行相干。在平行于 柱体轴向的加速度作用下，重物块对两弹性柱体分别施加以拉伸和压缩力，弹性柱体的轴 向形变引起径向形变，导致缠绕光纤的长度发牛变化，进而在光纤干涉仪上产生相位差变 化，通过检测相位差的变化，从而测出加速度。当加速度垂直于柱体轴向时，两柱体产牛 相同的形变，从而相位差变化为零，因而传感器所敏感的只是加速度在柱体轴向上的分量， 从而可以实现矢量探测。 第8 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 图2 3 全保偏光纤加速度矢量水听器系统结构简图 在结构设计中采用推挽式结构，因为在该结构中环境变化在两个完全相同的弹性柱体 上引起相同的影响而相互抵消，可以消除温度和压力变化对加速度传感器灵敏度的影响。 在m i c h e l s o n 保偏光纤干涉仪结构中，光通过每个干涉臂2 次，因而可以提高传感器的灵 敏度。如果定轴准确，并且保证每个方向的弹性柱体结构和性质完全对称，由于各个方向 串扰只造成测量轴的剪切形变，对光纤长度没有影响，因而可以认为它的影响在理论上为 零。 在光学相干检测中，为了得到稳定的信号，必须解决由光偏振态变化引起的偏振态不 稳定和由外界温度和压力等引起的干涉仪的初始相位差不稳定两大关键技术。 在系统中，采用保偏光纤耦合器，两传感臂也采用了保偏光纤，实现了全保偏光纤干 涉仪结构，从根本上解决了系统的偏振稳定性问题。同时，直接将反射膜镀在光纤端头上， 使系统结构大为简化，可靠性大大提高。 在系统中采用了光频调制相位载波( p g c ) 解调信号处理技术，解决了外界温度和压 力等引起的干涉仪的初始相位差不稳定问题，其中光频调制的p g c 技术不需要对阵列中每 个探测器和探测器每一维矢量单元分别引入压电陶瓷，可克服压电陶瓷引起的附加噪声， 更重要的是，可使湿端部分实现全光纤无源化，也便于构建多元矢量阵列，这对于水声矢 量检测的实际应用具有十分重要的意义。 2 3 光频调制相位载波解调信号处理技术 基于光频调制的p g c 技术是系统从相位信号中检测声场信号的关键技术，下面将对此 作一介绍，它包括两个部分：调制和解调。 1 p g c 内调制原理 光纤矢量水听器包括三维矢量探测单元和声压探测单元。对于光频调制，其光学系统 需要采用非平衡式全保偏迈克尔逊干涉仪结构，所谓非平衡式是指干涉仪两臂不等长，其 第9 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 结构如图2 4 所示： 反射端面 图2 4 基于内调制的全保偏非平衡式迈克尔逊干涉仪光路示意图 ( 对于声压探测单元，传感器2 为参考臂，不进行传感) 在图2 4 所示的干涉光路中，窄带调频激光经保偏光纤( p m f ) 传输到3 d b 保偏光纤 耦合器分束，进入传感臂，再经过两臂末端的反射端面反射回进行干涉，最后将干涉信号 通过单模光纤( s m f ) 传输到探测器。声压和加速度信号在干涉仪中转变成为光相位信息丸。 在激光器未加调频时，干涉信号为： ，= a + b c o s ( 谚o + 九) r 2 - 1 、 其中a 是与干涉仪输入光强、偏振器、耦合器插入损耗有关的直流项，干涉信号幅值 口= k a ，k 1 ( k 为干涉条纹相干度) ，与光纤干涉仪输入光强、耦合器的耦合比、干涉仪的 消光比、反射端面损耗等有关，式中九为干涉仪的初始相位，在实际系统中，九在o 2 7 r 间发生无规则慢漂，导致信号输出的不稳定，如图2 5 所示： 图2 5 干涉仪的响应曲线+ p g c 调制解调技术通过对光源光频进行余弦调制，在图2 3 所示的非平衡干涉仪中产 生较大幅度的相位调制，这样系统工作点在0 2 ：r 间扫动，不会停在非灵敏区，最终可通 过解调使系统实现稳定的输出。 设干涉仪传感臂与参考臂长度差为，光源相干长度为工，光纤纤芯折射率为n 。当 2 n l ( - 1 ) j 2 k ( c ) e o s ( 2 k + 2 ) c o o t + k = l c o s ( 2 k 一2 ) c o o t c o s t p ( t ) - h b z ( - 1 ) j 2 ( c ) e o s ( 2 k + 3 ) c o o t + c o s ( 2 k l 蛔o t s i n e p ( t ) ( 2 9 ) ( z l u ) 由于调制频率远远大于被测信号频率q 。，( 0 s ：，所以上述两式经低通 滤波( l f ) 后所有含及其倍频项均被滤去，变为： g b j , ( c ) s i n p ( t )( 2 一1 1 ) 一h b j 2 ( c ) c o s e p ( t )( 2 1 2 ) 经微分电路后有： 一g b j l ( c ) c o s q ) ( f ) 掣( 2 - 1 3 ) a t 月甜2 ( c ) s i n c p o ) d f o ( t ) ( 2 - 1 4 ) d t 由式( 2 1 1 ) 式( 2 一1 4 ) 得： 一彻：以( o ( c ) s i n z 妒o ) 掣 a t ( 2 - 1 5 ) 由式( 2 1 2 ) 式( 2 - 1 3 ) 得： g h b 2 j 1 ( c ) ，2 ( c ) c o s 2 o o ) d c p ( t ) 班 ( 2 1 6 ) 式( 2 一1 6 ) 减去式( 2 一1 5 ) 得： ：i | = = | 一一第1 2 页 一 国防科学技术大学研究生院学能论文 g h b 2 以( o 以( o 掣 积分，褥到： g h b 2 j l ( c ) 1 2 ( c ) 妒( f ) 上式除以系数g h b 2 ( c ) 以( e ) ，可将被测信号伊( f ) 瓣调出来。 ( 2 - 1 7 ) ( 2 - 1 8 ) 以上对光纤矢量东听器系统结构的进行了分析，阐述了光纤矢量水听器的工作原理， 其中着重对光学系统部分和相干检测部分作了详细介绍。对于系统相干检测的结果，本文 将在最后的实验验证中给出相关结采。 第1 3 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 第三章光纤矢量水听器的声场信号物理模型及其自然指向性 本章介绍了光纤矢量水听器探测的声场信号物理模型( 和矢量水听器的声场模型相 同) ，分别给出了矢量声场信号、噪声的声压和振速之间的相关性，并仿真绘制了矢量水 听器的自然指向性和组合指向性图，为联合信息处理奠定了基础。在本文中，光纤矢量水 听器的矢量单元采用的同振球型光纤加速度传感器，探测的物理量是声场的加速度，而矢 量水听器联合信息处理所用的物理量是声场的声压和振速等信息，须对加速度信息进行预 处理后再进行相关运算。声场的加速度信号和振速信号有着简单的物理关系，可由下式表 示， 加 孰 通过对声场加速度信号进行积分就可以得到声场的振速信号，所以在本文中对于光纤 矢量水听器的讨论一般直接基于振速和声压，下文不再赘述。 3 1 矢量水听器的声场信号模型1 在理想、静态、均匀流体介质中，小振幅波的波动方程为 吉害_ v 2 删 ( 3 _ 1 ) 式中，c 是介质中的声传播速度，p 是介质声压，t 为时间，v 2 是拉普拉斯算子。 在连续介质中，任何一点附近的运动状态可用压强、密度及介质质点的运动速度表 示。理想连续介质中小振幅波速v 与声压p 的关系由声波基本定律表示为： - 土f v p v 班p d t( 3 - 2 ) 即为声压梯度，p 为介质密度，上式为理想连续介质中声场的运动方程，又称欧 拉方程。 3 1 1 均匀无限介质中平面波声场声压、振速相关性 远场声波可以近似为平面波，假设平面波声压为p ( r ，f ) ，它可以表示为简谐平面 波的叠加，为 p ( 彬) = e x ( e o ) e j ( a _ - k ) d c o( 3 - 3 ) 一十 x ( c o ) = i x ( t ) e - j 耐d t ( 3 - 4 ) 0 _ _ _ _ _ - _ _ _ - - - - - _ - _ - _ _ - _ _ _ - - - _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - _ _ _ - - _ - - _ - - _ - _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ - - - _ - _ _ - _ _ _ _ _ - _ _ _ _ 一 _ 一 一_ l _ _ll l_ 第1 4 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 i i z ( f ) 为声压波形，国为角频率，石( 妫为工( f ) 的频谱，k = c = 2 石五，为波数，为 距离。 将( 3 - 3 ) 式代入( 3 - 2 ) 式得到 v ( r , t ) _ - 吉e v x ( c o ) 洄曲 d a , d t ( 3 - 5 ) 积分后得： ；( ，f ) = 土i c 0 s o s i n g , , + 了s i n o s i i l y + 乏c o s 少】f 枷x ( 纠( 耐曲d ( 3 6 ) p c - o 将( 3 - 3 ) 代入上式得 ；( r ，f ) ：上i c 0 s 口s i n i f ，+ 了s i n ps i n y + 蓐c o s 少】p ( ，f ) ( 3 7 ) p c p 为声波传播的水平方位角，y 为声线与垂直方向的夹角，称为声线掠角。7 ，了，乏是 迪卡尔单位坐标矢量，如下图所示： 图3 1 声场信号模型坐标示意图 由上式可知，三个振速分量与声压波形相同，省略常数因子后，分别为 p ( t ) = x ( t ) 匕( f ) = x ( t ) e o s o s i n g v y ( t ) = x ( f ) s i n o s i n g 屹( f ) = x ( f ) e o s g 上式表明，在平面波场中，各振速分量只是声压传播方向的余弦加权，它们的相位 相同，是完全相关的，并且与声压也是完全相关的。但是在大多数声源的近场，平面波 假设不成立，波阻抗是复数，因而声压与振速有相位差，且依赖于频率，若该相位的 第1 5 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 频率特性显著偏离直线，则宽带相干信号的声压与振速将有不同的波形，声压、振速的 相关性减小。只有补偿了相应的相位差，才能减小相关损失，因此在实际