[发明专利]一种基于相干激光的水下目标声信号探测方法和装置

说明书

技术领域

本发明涉及水下声波探测技术领域，更具体地，涉及一种基于相干激光的水下目标声信号探测方法和装置。

背景技术

水下目标的探测和识别是现代国防与海洋工程领域的研究热点之一。近年来，海洋的战略地位越来越重要，人类对海洋的探测活动日益增多，水下发声目标的准确识别成为海洋工程领域的重要课题之一；在军事方面，潜艇等水下目标的探测一直以来是海上防务的关键问题。作为海洋探测的重要实现形式，水下发声目标的空中遥测技术具有非常广泛应用需求和极为重要的战略价值。

随着科技的不断进步，机器人技术有了突飞猛进的发展，然而由于海洋环境的特殊性，使得水下机器人所能采用的探测手段非常单一，很大程度上限制了水下机器人对水下环境自主感知的实现。目前，用于水下机器人的探测手段主要有两类：光学探测手段和声学探测手段。在空中和陆地上，机器人可以借助光学等手段获得周围的环境信息，然而在水下，尤其是海洋和湖泊中，光波传播衰减都非常大，传播距离十分有限，远不能满足水下机器人实际工程需要。相比之下，在迄今所熟知的各种能量形式中，在水中以声波的传播性能为最好，声波在遇到这些物体后，反射较大，容易获取物体信息，这使得声波成为水下目标测量的首选信息载体，因此声纳传感器一直作为水下机器人重要的传感器之一，担负着对水下目标探测的任务。

然而，又由于水下机器人的低速运动限制了探测的覆盖效率，搜索速度受到很大的限制，难以进行灵活、迅速的大面积搜索。机载蓝绿激光雷达海洋探测技术是一种主动式、大覆盖范围、高速率的海洋探测手段，但由于蓝绿激光在海水中的传输损失比声音的传输损失大，探测深度受到限制，仅仅能够在浅水区域取得一定的效果。

发明内容

本发明提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种基于相干激光的水下目标声信号探测方法和装置，解决了现有技术中探测的覆盖效率低，搜索速度受限制，难以进行灵活、迅速的大面积搜索的问题。

根据本发明的一个方面，提供一种水下目标声信号探测方法，包括：

S1、获取经水表面声波调制散射后的探测光，并与参考光相干涉得到水面波干涉信号；

S2、基于模拟退火算法的近似全局优化原则，通过脊线识别方法提取水面波干涉信号的小波脊线；

S3、根据小波脊线的中心尺度得到水表面声波的频率。

作为优选的，在步骤S1中，所述探测光和参考光由一束连续激光分光而成，且所述参考光经衰减片衰减后与所述经水表面声波调制散射后的探测光相干涉。

作为优选的，在步骤S2中，提取水面波干扰信号的小波脊线前还包括：

对水面波干扰信号进行带通滤波，并经连续小波变换处理得到小波系数矩阵。

作为优选的，所述步骤S2具体包括：

S21、基于模拟退火算法原则，通过Crazy climber爬坡方法，以小波系数矩阵离散的模值矩阵M为climber移动的时域平面，向小波系数模值大的位置爬升并更新度量矩阵D；

S22、对度量矩阵D进行脊线提取，求出度量矩阵D中每个时间点对应的极大值序列，并将所有极大值赋值给新的极大值矩阵H，将极大值矩阵H中的每一个极大值点与其相邻的次极大值连接成脊。

作为优选的，所述步骤S21中，所述度量矩阵的初始值为0，且模值矩阵M上每个climber每进行一个循环，则通过模值矩阵M上相应位置的模值对度量矩阵进行加权。

作为优选的，所述步骤S22还包括：

基于模值阈值和长度阈值对每一条脊线进行检验识别，截去脊线首尾模值小于模值阈值的部分，并进一步通过长度阈值剔除不符合要求的脊线。

作为优选的，所述步骤S3具体包括：

基于所有脊线的长度和坐标数据构造矩阵，得到小波脊线的中心尺度，并计算水表面声波的频率：

式中，f_s为待求的某一时刻瞬时频率，f_c为水面波干扰信号在连续小波变换时母小波的中心频率，f_sp为信号的采样频率，a_i为某一时刻的尺度值，N为小波脊线上点的个数。

一种水下目标声信号探测装置，包括光电探测装置和信号处理器；

所述光电探测装置用于将连续激光分光为探测光和参考光，将探测光发射至水面，获取经水表面声波调制散射后的探测光，并与参考光相干涉得到水面波干涉信号；