一种利用光纤探测声源位置的系统的利记博彩app
【专利摘要】本发明属于光纤传感及信号处理技术领域，具体为一种利用光纤探测声源位置的系统。本发明系统包括：宽光谱光源、光纤干涉系统、传感光纤、光电检测、数据采集卡和信号处理平台；传感光纤利用全光纤传感探头构成光纤声传感器阵列，利用波分复用实现多路光信号的同时采集；光源发出的光输入光纤干涉系统，施加于传感光纤上的信号经过干涉系统进行干涉，经光电检测器检测后采集进计算机，信号处理平台对接收到的声信号进行处理，得到声源位置信息，显示声源位置坐标。光纤声传感器阵列由基于Sagnac环的干涉光路构成，或者由基于反馈式的干涉光路构成。本发明确定声源位置,具有探测声音频带宽,抗电磁干扰，耐腐蚀等特点,可用于探测低空飞行物及水下潜艇等。
【专利说明】
-种利用光纤探测声源位置的系统
技术领域
[0001] 本发明属于光纤传感及信号处理技术领域，具体设及一种利用光纤探测声源位置 的系统。
【背景技术】
[0002] 近年来，雷达面临着电子干扰、反福射导弹、低空突防和隐身技术等威胁。武装直 升机和精确制导巡航导弹等低空飞行目标能够在150mW下高度的雷达盲区活动，地面常规 雷达探测低空目标有其固有的弱点，使雷达控制的防空系统很难有效地发挥作用，对要点 防御系统构成了严重威胁。2011年5月2号美国利用超低空飞行的4架隐身武装直升机深入 己基斯坦内部击毙本-拉登事件，足W证明超低空突防的有效性。面对超低空飞行武器的威 胁，声阵列无源定位技术再度引起人们的广泛重视，并不断取得新的进展。声测定位技术具 有通视条件好、不受烟雾阻挡、隐蔽性强的特点，特别是对于超近距离的雷达盲区，可W弥 补雷达探测的不足，因此在军事领域得到了广泛的应用，有很好的发展潜力。基于光纤声传 感器构成的阵列即是一个能有效实现声阵列无源定位的方式。另外，我国有漫长的海岸线、 众多的港口、迂阔的海疆，而且经济发达地区集中在沿海，因此大力发展反潜战系统，对于 防止敌人潜艇水下入侵和潜艇导弹的突袭，保卫神圣的海疆和社会主义建设具有重要的战 略意义。
[0003] 本发明基于波分复用的光纤干设系统，利用光纤环作为声音探测器，完成对声源 的定位。由于光纤耐腐蚀、抗电磁干扰的特性及探测频带宽等独特优势，利用本发明构造的 声源位置探测系统性能将优于传统麦克风阵列。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提供一种简单有效的探测声源位置的系统。
[0005] 本发明提供的探测声源位置的系统，利用光纤技术，其结构示意图如图1所示，具 体包括:宽光谱光源、光纤干设系统、传感光纤、光电检测、数据采集卡和信号处理平台。其 中，传感光纤用于声信号的采集，该传感光纤利用全光纤传感探头构成光纤声传感器阵列， 利用波分复用实现多路光信号的同时采集;工作时，光源发出的光输入光纤干设系统，使得 施加于传感光纤上的信号经过干设系统进行干设，经光电检测器检测后采集进计算机，经 计算机中信号处理平台对多路接收到的声信号进行处理，得到声源位置信息，在显示声源 位置坐标。
[0006] 本发明提出的光纤声传感器阵列，是基于波分复用的，其结构如图2和图3所示。
[0007] 图2为基于Sagnac环的干设光路构成的光纤声传感器阵列，它包括:宽光谱光源1， 3X3光纤禪合器2(其有四个端口3、4、11、12)，延迟光纤线圈5,作为探头的传感光纤(传感光 纤采用双对称绕法在聚四氣乙締空屯、圆柱上绕制成的光纤线圈）阵列8、9、10、……，S个波 分复用器件6、7、13,多路同步光电探测器14和信号处理终端15。其中，光纤禪合器2的端口 11输入端口，接收宽光谱光源1发出的光;端口 12为输出端口，依次与波分复用器件13、多路 同步光电探测器14和信号处理终端15连接;光纤禪合器2的端口 3连接延迟光纤线圈5,延迟 光纤线圈5连接波分复用器件6;光纤禪合器2的端口 4连接波分复用器件7;波分复用器件6 与波分复用器件7之间并联传感光纤阵列，从而构成多个Sagnac环路。
[0008] 采用Sagnac环路的光纤声传感器阵列的光路特征是：宽光谱光源1发出的光由光 纤禪合器2的端口 11进入3X3光纤禪合器2，经过该光纤禪合器2被分为两束光，分别经过端 口3、4,在Sagnac环中沿顺时针方向和逆时针方向进行传输;经过波分复用器件6、7,由于波 分复用器件6、7的存在，运两束光都会按照波长分成多路，分别进入多个传感光纤8、9、10 等，在每个传感光纤线圈中传输的光的波长都互不相同，即每个Sagnac环回路中传输的光 的波长不同；当有声信号作用在某传感光纤线圈（如传感光纤线圈8)上时，在其中传输的光 会受到相位调制，且相位调制幅度与施加的声压信号成正比。由于延时光纤线圈5的存在， 沿顺时针方向和逆时针方向传输的两束光到达传某感光纤线圈（如传感光纤线圈8)的时间 不同，即受到相位调制的时间不同。所W当运两束光回到光纤禪合器2时，具有一定的相位 差，从而在其中发生干设。其他每个Sagnac环回路中传输的光都经过了相似的过程发生干 设，所W在光纤禪合器2的输出端12会得到各个波长的干设光信号。干设光信号经过波分复 用器件13后按照相应的波长分成多路，各路干设光信号分别被多路同步光电探测器14接 收，然后输入到信号处理终端15,对多路干设信号进行分析计算，获得声源的位置信息。
[0009] 图3为基于反馈式的干设光路构成的光纤声传感器阵列，它包括宽光谱光源16， 3X3光纤禪合器17 (其有四个端口 18、19、31、32 )，2X2光纤禪合器23 (其有S个端口 21、22、 24)，延迟光纤线圈20，作为探头的传感光纤阵列26、27、28、……，反射镜30,=个波分复用 器件25、29、33，多路同步光电探测器34和信号处理终端35;其中，3X3光纤禪合器17的端口 31为输入端口，接收宽光谱光源16发出的光;端口 32为输出端口，依次连接波分复用器件 33、多路同步光电探测器34和信号处理终端35;3X3光纤禪合器17的端口 18连接延迟光纤线 圈20,延迟光纤线圈20连接2X2光纤禪合器23的端口 21,3X3光纤禪合器17的端口 19连接2X2 光纤禪合器23的端口 22; 2X2光纤禪合器23的端口 24连接波分复用器件25;波分复用器件25 与波分复用器件29之间并联传感光纤阵列26、27、28、……；波分复用器件29与反射镜30连 接。
[0010] 采用反馈式结构的光纤声传感器阵列的光路特征是：宽光谱光源16由端口 31进入 3X3光纤禪合器17,经过分光，光纤禪合器17的端口 18的分光经过延时光纤20进入2X2光纤 禪合器23，端口 18的分光直接进入光纤禪合器23;光从光纤禪合器23的端口 24出来后通过 波分复用器件25分成多路，分别进入传感光纤阵列26、27、28、……，感应外界声信号，然后 经过波分复用器件29合成一束，之后经过反射镜30,从反射镜反射回的光依次经过波分复 用器件29,光纤传感阵列26、27、28、……，波分复用器件25,然后通过端口 24进入2X2光纤禪 合器23，之后通过端口 22和端口 19进入3X3光纤禪合器17，形成顺时针方向的相干光；另一 路相干经过3X3光纤禪合器17后，从端口 19和端口 22进入2X2光纤禪合器23，再由端口 24通 过波分复用器件25,光纤传感阵列26、27、28、……，波分复用器件29，经反射镜30后再回到 光纤禪合器23,然后通过端口 21、延时光纤20、端口 18进入光纤禪合器17,形成逆时针方向 的相干光;两束相干光在光纤禪合器17中发生干设，将携带有声音信号引起的相位变化的 干设光信号由端口32输出，输出的干设光信号经过波分复用器件33后按照相应的波长分成 多路，各路干设光信号分别被光电探测器34接收，然后输入到信号处理终端35，对多路干设 信号进行分析计算，获得声源的位置信息。
[0011] 当光纤传感阵列周围有声源时，各个光纤声传感探头接收到的声音信号之间会有 一定时间差，根据声音信号的到达时间差(TDOA)可W对声源进行定位。选择一路信号作为 参考信号，通过互相关函数来计算每路信号与参考信号的时间延迟。在计算互相关函数之 前还可W加入归一化和滤波的处理，从而使互相关估计得到的时延值更准确。另外，在信号 处理中也可W采用波束形成技术(如自适应滤波等）W及高分辨率谱估计技术(如MUSIC算 法)来实现阵列定位。如果是对多声源定位的情况，可W通过特征子空间类算法来得到声源 数目的信息。
[0012] 本发明中，图2和图3中左边虚线框内可W做成一个模块，右边虚线框内的光纤传 感探头阵列可W做在一个支架上，便于自由布设。本发明中利用多路信号的到达时间差来 进行定位，可W不用解调干设光信号，系统相对简单。此外，还可W通过选择不同的接收信 号作为参考信号进行多次计算，增加定位结果的可靠性。本发明中的光纤传感探头具有耐 腐蚀、抗电磁干扰的特性及探测频带宽等独特优势，而且不易被探测，对声信号进行被动接 收，可W应用于一些特殊场合。
【附图说明】
[0013] 图1是利用光纤探测声源位置的系统结构框图。
[0014] 图2是基于Sagnac环的光纤声传感器阵列结构示意图。
[0015] 图3是基于反馈式的光纤声传感器阵列结构示意图。
[0016] 图4是本发明【具体实施方式】的传感探头排列结构示意图。
[0017] 图5是本发明【具体实施方式】中采集到的8路声音信号片段。
[0018] 图6是本发明【具体实施方式】中8路信号经过归一化和滤波处理后的信号片段。
[0019] 图7是本发明【具体实施方式】中对声源位置的定位结果。
【具体实施方式】
[0020] 在本实施例中，利用光纤探测声源位置的系统基本结构如图1所示，具体包括光 源、光纤干设系统、光纤传感探头、光电探测器、数据采集卡、信号处理平台。所用的光源为 电子集团总公司44研究所生产的S03-B型超福射发光管(SLD)型宽光谱稳定光源，工作中屯、 波长为1550nm。光纤干设系统中所用的光纤禪合器为武汉邮电研究院生产的单模光纤禪合 器。光电探测器为44所生产的型号为GT322C500的InGaAs光电探测器。所用的光纤为美国康 宁公司生产的G652型单模光纤。光源与干设系统、干设系统与探测器的连接方式是FC/PC跳 线连接。数据采集卡为美国化tional Instruments公司的型号为9234的采集卡。信号处理 平台用LabVIEW语言搭建。
[0021] 本实施方式采用图2所示光路结构，采用8路波分复用系统，8个光纤传感探头摆成 如图4所示的圆形阵列。本实施方式中采用基于到达时间差的方法对单一声源进行定位，采 用互相关函数法对接收到的8路信号之间的时间差进行估计。通过递推相减的方法将求解 声源位置的方程组化成非齐次线性方程组，然后由此解得声源的位置。具体计算过程如下：
[0022] 光纤声传感器接收到的声信号模型描述如下：
[0023] xi(t) = ais(t-Tij)+ni(t) (I)
[0024] 其中，s(t)表示声源信号，ai是声波传播的衰减因子(在后面的计算中，我们假设曰1 =1)，了^为各传感探头之间的时延，山(*)为噪声。两麦克风的接收信号^(*)和^(*)的互相 关函数为：
[0025]
(2)
[00%]其中，E表示卷积。将(1)代入(2)式，并进行展开可得：
[0027]
巧)
[002引在噪声较低的情况下，（3)式中的后S项可W忽略，即：
[0029]
口）
[0030] 由（4)式可得，当Xi(t)和Xj(t)的互相关函数取最大值时，Rss(T-Tij)也取最大值， 又因为Rss(T-Tij)^Rss(O),所W当Rss(T-Tij)取最大值时有T = Tij,互相关函数的最大值对 应的T即为两路信号的时延T。因此，根据互相关函数的峰值即可W得出两麦克风接收信号 之间的时延。
[0031] 将第i个声传感探头所处的空间位置的坐标表示为(Xl，yl，Zl)，声源位置的坐标为 (x，y，z)，声速为c，声音从声源传播至第i个声传感探头的时间为tl。选择第l路信号作为参 考信号，对第i路信号，有：
[0032] (4)
[0033] 为传感探头阵列的中屯、圆半径，n为麦克风 个数。Tl为第i路信号与第1路信号之间的时延值，由互相关估计所得，当i = l时，Ti = 〇。
[0034] 则对第i路和第i+1路信号，有：
[0035]
(6)
[0036] 将(6)中的两式相减可得：
[00371
巧）
[0038]对i = l，2,…，7,分别进行上述操作，可得到7个形如（7)式的式子，将其化成矩阵 形式为：
[0039]
(8)
[0040] 通过求解非齐次线性方程组即可得到x、y和ti的值，再根据
可W求出Z的值，由此即得到了声源位置的坐标(x，y，z)。运种计算方法中可W通过改变程 序中的参数Xl、yl、Zl，对阵列中不同的麦克风数量及分布角度的情形很方便地进行扩展。需 要注意的是，当Ti+i-Ti = 〇(i = l，2,…，7)时，由（8)式无法解得ti的值。此时声源位于麦克风 阵列圆环的中轴线上（即x = y = 0)，可W通过改变阵形或者采用其他方法重新计算得出声 源位置的Z坐标的值。
[0041] 在上述计算过程中，选择第1路接收信号作为参考信号，同理可W选择其他路信号 作为参考信号，可W求出8次估计声源的位置，对运些结果取平均，可W得到多次判断平均 的声源位置结果。
[0042] 本实施方式中，采集到的采集到的8路声音信号图像片段如图5所示。图6是本发明 【具体实施方式】中采集到的8路信号经过归一化和滤波处理后的图像片段。本实施方式中，在 空间一位置发出了一个声音信号，其定位结果如图7所示。图中Al，A2,…，A8分别为8个光纤 传感探头在空间坐标轴中的位置。在阵列上方圆环中轴线附近给定一声源，由之前所述算 法计算得到目标声源的坐标值为(0.6,1.7,9.8)，单位为cm,与实际声源位置相符。由此可 知，本发明系统可W测得声源的位置信息，具有实用性。
【主权项】
1. 一种利用光纤探测声源位置的系统，其特征在于，具体包括：宽光谱光源、光纤干涉 系统、传感光纤、光电检测、数据采集卡和信号处理平台；其中，传感光纤用于声信号的采 集，该传感光纤利用全光纤传感探头构成光纤声传感器阵列，利用波分复用实现多路光信 号的同时采集;工作时，光源发出的光输入光纤干涉系统，使得施加于传感光纤上的信号经 过干涉系统进行干涉，经光电检测器检测后采集进计算机，经计算机中信号处理平台对多 路接收到的声信号进行处理，得到声源位置信息，在显示声源位置坐标。2. 根据权利要求1所述的利用光纤探测声源位置的系统，其特征在于，所述的光纤声 传感器阵列，是基于波分复用的，具体由基于Sagnac环的干涉光路构成，它包括：宽光谱光 源（1)，3X3光纤耦合器(2)，其有四个端口（3、4、11、12)，延迟光纤线圈（5)，作为探头的传感 光纤阵列(8、9、10、……），三个波分复用器件(6、7、13)，多路同步光电探测器（14)和信号处 理终端（15);其中，3X3光纤耦合器(2)的第一端口（ 11)为输入端口，接收宽光谱光源（1)发 出的光，其第二端口（12)为输出端口，依次与第三波分复用器件（13)、多路同步光电探测 器（14)和信号处理终端（15)连接；3X3光纤耦合器（2)的第三端口（3)连接延迟光纤线圈 (5)，延迟光纤线圈（5)连接第一波分复用器件(6) ;3X3光纤耦合器2的第四端口（4)连接第 二波分复用器件(7);第一波分复用器件(6)与第二波分复用器件(7)之间并联传感光纤阵 列（8、9、10、......），从而构成多个Sagnac环路； 采用Sagnac环路的光纤声传感器阵列的光路是：宽光谱光源（1)发出的光由3X3光纤耦 合器(2)的第一端口（11)进入3X3光纤耦合器(2)，经过该3X3光纤耦合器(2)被分为两束光， 分别经过其第三端口（3)、第四端口（4)，在Sagnac环中沿顺时针方向和逆时针方向进行传 输;经过第一波分复用器件(6)、第一波分复用器件(7)，由于第一波分复用器件(6)、第一波 分复用器件（7)的存在，这两束光都会按照波长分成多路，分别进入传感光纤阵列（8、9、 10、……），在每个传感光纤线圈中传输的光的波长都互不相同，即每个Sagnac环回路中传 输的光的波长不同；当有声信号作用在某传感光纤线圈上时，在其中传输的光会受到相位 调制，且相位调制幅度与施加的声压信号成正比；由于延时光纤线圈（5)的存在，沿顺时针 方向和逆时针方向传输的两束光到达传某感光纤线圈的时间不同，即受到相位调制的时间 不同；当这两束光回到3X3光纤耦合器(2)时，具有一定的相位差，从而在其中发生干涉；其 他每个Sagnac环回路中传输的光都经过相似的过程发生干涉;在3X3光纤耦合器(2)的输出 端口（12)得到各个波长的干涉光信号;干涉光信号经过第三波分复用器件（13)后按照相应 的波长分成多路，各路干涉光信号分别被多路同步光电探测器（14)接收，然后输入到信号 处理终端(15)，对多路干涉信号进行分析计算，获得声源的位置信息。3. 根据权利要求1所述的利用光纤探测声源位置的系统，其特征在于，所述的光纤声传 感器阵列，是基于波分复用的，具体由基于反馈式的干涉光路构成，它包括宽光谱光源 (16)，3X3光纤耦合器（17)，其有四个端口（18、19、31、32)，2X2光纤耦合器(23)，其有三个端 口（ 21、22、24)，延迟光纤线圈（20)，作为探头的传感光纤阵列（26、27、28、……），反射镜 (30)，三个波分复用器件（25、29、33)，多路同步光电探测器（34)和信号处理终端（35);其 中，3X3光纤耦合器（17)的第一端口（31)为输入端口，接收宽光谱光源（16)发出的光，第二 端口（32)为输出端口，其依次连接第三波分复用器件（33)、多路同步光电探测器(34)和信 号处理终端(35) ; 3X3光纤耦合器（17)的第三端口（ 18)连接延迟光纤线圈（20)，延迟光纤线 圈（20)连接2X2光纤耦合器(23)的第一端口（21)，3X3光纤耦合器（17)的第四端口（19)连接 2X2光纤耦合器(23)的第二端口（22) ;2X2光纤耦合器(23)的第三端口（24)连接第一波分复 用器件(25);第一波分复用器件(25)与第二波分复用器件(29)之间并联传感光纤阵列(26、 27、28、……）;第二波分复用器件(29)与反射镜(30)连接； 采用反馈式结构的光纤声传感器阵列的光路是：宽光谱光源（16)由3X3光纤耦合器 (17) 的第一端口（31)进入3X3光纤耦合器（17)，经过分光，3X3光纤耦合器（17)的第三端口 (18) 的分光经过延时光纤（20)进入2X2光纤耦合器（23)，3X3光纤耦合器（17)的第四端口 (19) 的分光经过2X2光纤耦合器（23)的第二端口（22)直接进入2X2光纤耦合器（23);光从 2X2光纤耦合器(23)的第三端口（24)出来后通过第一波分复用器件（25)分成多路，分别进 入传感光纤阵列(26、27、28、……），感应外界声信号，然后经过第二波分复用器件(29)合成 一束，之后经过反射镜(30)，从反射镜反射回的光依次经过第二波分复用器件(29)，光纤传 感阵列（26、27、28、……），第一波分复用器件（25)，然后通过2X2光纤耦合器(23)的第三端 口（24)进入2X2光纤耦合器(23)，之后通过2X2光纤耦合器(23)的第二端口（22)和3X3光纤 耦合器（17)的第四端口（19)进入3X3光纤耦合器（17)，形成顺时针方向的相干光；另一路相 干经过3X3光纤耦合器（17)后，从3X3光纤耦合器（17)的第四端口（19)和2X2光纤耦合器 (23)的第二端口（22)进入2X2光纤耦合器(23)，再由2X2光纤耦合器(23)的第三端口（24)通 过第一波分复用器件(25)，光纤传感阵列（26、27、28、……），第二波分复用器件(29)，经反 射镜(30)后再回到2X2光纤耦合器(23)，然后通过2X2光纤耦合器(23)的第一端口（21)、延 时光纤(20)、3X3光纤耦合器（17)的第三端口（ 18)进入3X3光纤耦合器（17)，形成逆时针方 向的相干光;两束相干光在3X3光纤耦合器(17)中发生干涉，将携带有声音信号引起的相位 变化的干涉光信号由3X3光纤耦合器（17)的第二端口（32)输出，输出的干涉光信号经过第 三波分复用器件(33)后按照相应的波长分成多路，各路干涉光信号分别被光电探测器(34) 接收，然后输入到信号处理终端（35)，对多路干涉信号进行分析计算，获得声源的位置信 息。4.根据权利要求2或3所述的利用光纤探测声源位置的系统，其特征在于，当光纤传感 阵列周围有声源时，各个光纤声传感探头接收到的声音信号之间会有一定时间差，根据声 音信号的到达时间差可以对声源进行定位:选择一路信号作为参考信号，通过互相关函数 来计算每路信号与参考信号的时间延迟;在计算互相关函数之前加入归一化和滤波的处 理，使互相关估计得到的时延值更准确。
【文档编号】G01S5/16GK106019228SQ201610520140
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年7月5日
【发明人】吴红艳, 王翦, 贾波
【申请人】复旦大学