專利名稱：一種激光探聲聲納丟失數(shù)據(jù)的恢復(fù)設(shè)備與方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及陣列信號處理和激光探聲聲納技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，本發(fā)明涉 及一種激光探聲聲納丟失數(shù)據(jù)的恢復(fù)設(shè)備與方法。
背景技術(shù)：
目前空中平臺(如直升機(jī))對潛探測的手段主要有兩種手段， 一種是雷達(dá) 探測，通過雷達(dá)(如合成孔徑雷達(dá))分析潛艇行駛時(shí)所造成的尾流來探測潛艇， 這種方式僅對淺水潛行的潛艇有效，且由于探測是尾流痕跡，其也不適于遠(yuǎn)距
離探測；另一種是空投浮標(biāo)探測，通過直升機(jī)發(fā)射有線或者無線的浮標(biāo)于水面， 通過浮標(biāo)探測水下目標(biāo)，這種方式由于受浮標(biāo)性能和拖曳局限的影響，往往探 測范圍有限，而且作為一種侵入式探測手段其布放相對困難，且存在一定的安 全風(fēng)險(xiǎn)。
激光探聲技術(shù)就是利用空中激光對水下聲信息進(jìn)行有效的探測和獲取的技 術(shù)，通過對水下聲信息的探測獲取，用于空中平臺對水下目標(biāo)(如潛艇)的快 速大范圍探測，進(jìn)而實(shí)施跟蹤打擊。采用激光探聲技術(shù)的空中聲納(簡稱為激光 探聲聲納)作為一種全新的非侵入式空中探潛手段，僅在美國有相應(yīng)的裝備出 現(xiàn)。對于激光探聲聲納，如圖1所示，諸如直升機(jī)的空中平臺發(fā)射相干激光束 垂直照射到海面上，拾取水下目標(biāo)帶來的水下聲信息引起的海面質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度 的變化，進(jìn)行非侵入式的測量海面振動(dòng)速度，從而實(shí)現(xiàn)提取水下聲信息。但是， 水面波浪的起伏和激光接收孔徑的限制往往會導(dǎo)致所接收的數(shù)據(jù)成批的丟失， 將使探聲聲納的探測性能急劇下降，影響探聲聲納的實(shí)用性
5(L. Antonelli,L Walsh, and A. Alberg, "Laser interrogation of the air-water interface for in water sound detection: Initial feasibility tests", J. Acoust. Soc. Am. ， Vol. 106， Pt. 2, 1999; L. Antonelli and F. Blackmon，
"Experimental demonstration of remote, passive acousto_optic sensing" ， L Acoust. Soc. Am. , Vol. 116， No. 6， Dec. 2004, 3393-3403 )。

發(fā)明內(nèi)容
為克服現(xiàn)有激光探聲聲納接收數(shù)據(jù)易丟失且實(shí)用性差的缺陷，本發(fā)明提出 一種激光探聲聲納丟失數(shù)據(jù)的恢復(fù)設(shè)備與方法。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提出了一種激光探聲聲納丟失數(shù)據(jù)的恢復(fù)設(shè)備， 包括
多個(gè)激光數(shù)據(jù)釆集器，用于采集水下目標(biāo)引起的水面質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度的變化 息;
數(shù)據(jù)甄別器，將表示所述變化信息的信號甄別為有信號批次數(shù)據(jù)和丟失信
號批次數(shù)據(jù)；
相位估計(jì)模塊，根據(jù)聲納平臺運(yùn)動(dòng)速度和所述有信號批次數(shù)據(jù)的時(shí)空相關(guān) 性，獲取信號之間的相位變化信息，利用運(yùn)動(dòng)合成孔徑原理，對丟失信號的數(shù) 據(jù)批次進(jìn)行重建；
數(shù)據(jù)匯合器，將所述有信號批次和所重建的數(shù)據(jù)批次合成，恢復(fù)丟失數(shù)據(jù)。 其中，所述多個(gè)激光數(shù)據(jù)采集器通過反射信號光與參考光進(jìn)行相干檢測，
得到水下聲信息所引起的海面質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度的多普勒頻移，獲取水表面質(zhì)點(diǎn)振
動(dòng)速度。
其中，所述數(shù)據(jù)甄別器與激光數(shù)據(jù)采集器相連，用于對表示所述變化信息 的信號按時(shí)間順序進(jìn)行甄別，分為有信號的批次凄t據(jù)和丟失信號的批次數(shù)據(jù)。 其中，所述激光數(shù)據(jù)采集器采集的頻移和水下聲平面波的之間滿足△/= ro os,w, ^是運(yùn)動(dòng)方向和觀察方向的夾角，Po是水下聲平面波的幅度; 義PQ
所述數(shù)據(jù)甄別器根據(jù)與0有關(guān)的閾值甄別數(shù)據(jù)批次。
其中，所述相位估計(jì)模塊包括
速度估計(jì)器，用于測量裝配激光探聲聲納的載體的速度；
相位估計(jì)器，根據(jù)所述速度估計(jì)器發(fā)送來的載體速度，對在空間上有重疊 的有信號的批次數(shù)據(jù)進(jìn)行相位估計(jì)，依據(jù)運(yùn)動(dòng)合成孔徑原理估計(jì)丟失信號的批 次數(shù)據(jù)的相位因子；
數(shù)據(jù)重建器，根據(jù)所述相位因子和所述丟失信號的數(shù)據(jù)批次的在先批次重 建丟失信號的批次數(shù)據(jù)，將所重建數(shù)據(jù)發(fā)送到所述數(shù)據(jù)匯合器。
其中，所述相位估計(jì)器獲取t時(shí)刻和,+ r時(shí)刻的第n個(gè)激光數(shù)據(jù)采集器所探 觀'J到的水下聲波的聲壓值和,根據(jù)
Z ,0,z力=exp(7fi;r);7 (/%z,"r),獲耳又相位估計(jì)因子exp(y"r)。
其中，所述數(shù)據(jù)重建器獲知第n個(gè)激光數(shù)據(jù)采集器在第"r時(shí)刻的數(shù)據(jù)丟 失，通過第n+q個(gè)激光數(shù)據(jù)采集器在第^時(shí)刻所測量的數(shù)據(jù)p,(r,z力根據(jù)所述相
位因子c。^^)重建第n個(gè)激光數(shù)據(jù)采集器在第"r時(shí)刻的數(shù)據(jù)A(r,^ + ",
& o, z," t)=函*o， 2, f)。
根據(jù)本發(fā)明的另 一方面，提出了 一種激光探聲聲納丟失數(shù)據(jù)的恢復(fù)方法，
包括
步驟IO)、采集水下目標(biāo)引起的水面質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度的變化信息； 步驟20)、將表示所述變化信息的信號甄別為有信號批次數(shù)據(jù)和丟失信號 批次數(shù)據(jù)；
步驟30)、根據(jù)聲納平臺運(yùn)動(dòng)速度和所述有信號批次數(shù)據(jù)的時(shí)空相關(guān)性， 獲取信號的相位變化信息，利用運(yùn)動(dòng)合成孔徑原理，對丟失信號的批次數(shù)據(jù)進(jìn)
行重建；
步驟40)、將所述有信號批次和所重建的批次數(shù)據(jù)合成，恢復(fù)丟失數(shù)據(jù)。其中，步驟10)還包括通過反射信號光與參考光進(jìn)行相干檢測，得到水
下聲信息所引起的海面質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度的多普勒頻移，獲取水表面質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度。
其中，步驟20)還包括對表示所述變化信息的信號按時(shí)間順序進(jìn)行甄別， 分為有信號的數(shù)據(jù)批次和丟失信號的數(shù)據(jù)批次，其中，所述激光數(shù)據(jù)采集器采 集的頻移和水下聲平面波的之間滿足A/ = 4po'cosg— ， ^是運(yùn)動(dòng)方向和觀察方
向的夾角，戶。是水下聲平面波的幅度；所述數(shù)據(jù)甄別器根據(jù)與^有關(guān)的閾值甄別 數(shù)據(jù)批次。
其中，步驟30)還包括
步驟310)、測量裝配激光探聲聲納的載體的速度；
步驟32G)、根據(jù)所述載體速度，對在空間上有重疊的有信號的批次數(shù)據(jù)進(jìn) 行相位估計(jì)，依據(jù)運(yùn)動(dòng)合成孔徑原理估計(jì)丟失信號批次數(shù)據(jù)的相位因子；
步驟330 )、根據(jù)所述相位因子和所述丟失信號的批次數(shù)據(jù)的在先批次數(shù)據(jù) 重建丟失信號的批次數(shù)據(jù)。
其中，步驟320 )還包括獲取t時(shí)刻和"r時(shí)刻的第n個(gè)激光數(shù)據(jù)采集器 所探測到的水下聲波的聲壓值； ,(n0和R(r,z，, + 0 ， 根據(jù) /7,0,z,/1) = expOyr)p"0,z,"r)， 獲耳又相位估計(jì)因子expOy"。
其中，步驟330 )還包括獲知第n個(gè)激光數(shù)據(jù)采集器在第,+ r時(shí)刻的數(shù)據(jù) 丟失，通過第n+q個(gè)激光數(shù)據(jù)釆集器在第f時(shí)刻所測量的數(shù)據(jù)才艮據(jù)所述相位因子 進(jìn)行重建，
本發(fā)明利用聲波所激勵(lì)振蕩出的水界面質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度的時(shí)空相關(guān)性，采用 運(yùn)動(dòng)合成孔徑技術(shù)來進(jìn)行丟失數(shù)據(jù)恢復(fù)，利用激光器陣列運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的時(shí)間-空間 遍歷特性和水下聲波的時(shí)空連續(xù)性，根據(jù)運(yùn)動(dòng)孔徑合成原理，使用正確接收的 數(shù)據(jù)來重建丟失數(shù)據(jù)，解決了激光探聲聲納所特有的由于水面波浪的起伏和激 光接收孔徑的限制所導(dǎo)致的成批數(shù)據(jù)丟失的問題。通過數(shù)據(jù)的重建，可以保持 探聲聲納的探測性能不至于下降。本發(fā)明的方法簡單實(shí)用，可以實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)且不
8需要增加許多額外的計(jì)算資源；本發(fā)明的方法適用于激光探聲聲納系統(tǒng)，同樣 也適用于拖曳線列陣系統(tǒng)。


圖l是激光探聲聲納系統(tǒng)的原理示意圖2是激光探聲聲納丟失數(shù)據(jù)恢復(fù)設(shè)備的結(jié)構(gòu)框圖3是激光數(shù)據(jù)釆集器的結(jié)構(gòu)示意圖4是水表面質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度與水下聲平面波之間的關(guān)系示意圖； 圖5是數(shù)據(jù)的成批丟失所導(dǎo)致的激光探聲聲納的性能對比示意圖； 圖6是激光數(shù)據(jù)采集器所采集數(shù)據(jù)的時(shí)間序列圖； 圖7是基于運(yùn)動(dòng)孔徑合成的信號重建的原理示意圖； 圖8是根據(jù)本發(fā)明的方法的數(shù)據(jù)恢復(fù)的性能示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明提供的一種激光探聲聲納丟失數(shù)據(jù)的 恢復(fù)設(shè)備與方法進(jìn)行詳細(xì)描述。
在根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，圖2示出激光探聲聲納丟失數(shù)據(jù)恢復(fù)設(shè)備 的結(jié)構(gòu)，如圖2所示，激光探聲聲納丟失數(shù)據(jù)恢復(fù)設(shè)備包括多個(gè)激光數(shù)據(jù)采集 器(圖中為避免混淆，示出一個(gè))、數(shù)據(jù)甄別器、相位估計(jì)模塊(包括速度估計(jì) 器、相位估計(jì)器、數(shù)據(jù)重建器)、數(shù)據(jù)匯合器等部分。數(shù)據(jù)甄別器將激光數(shù)據(jù)采 集器所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行甄別，分解成有信號批次和丟失信號批次；相位估計(jì)模 塊根據(jù)有信號的批次，根據(jù)平臺運(yùn)動(dòng)速度和有信號批次數(shù)據(jù)之間的時(shí)空相關(guān)性， 計(jì)算相位變化，利用運(yùn)動(dòng)合成孔徑原理，通過運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的空間采樣的重疊對丟 失的數(shù)據(jù)批次進(jìn)行重建；數(shù)據(jù)匯合器將有信號批次和所重建的數(shù)據(jù)合成，將丟 失數(shù)據(jù)恢復(fù)。
更具體地，激光數(shù)據(jù)采集器負(fù)責(zé)在載體運(yùn)動(dòng)過程中，釆集水下聲信息所引起的海面質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度的變化即多普勒信息，將其轉(zhuǎn)換為電信號，并通過模/數(shù) 電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，然后將數(shù)字信號傳送到數(shù)據(jù)甄別器；數(shù)據(jù)甄別器與激光 數(shù)據(jù)采集器相連，負(fù)責(zé)對激光數(shù)據(jù)采集器輸出的數(shù)字信號進(jìn)行甄別，對每個(gè)通 道的數(shù)據(jù)按時(shí)間順序進(jìn)行甄別，區(qū)分為有信號的數(shù)據(jù)批次和丟失信號的數(shù)據(jù)批 次，將多個(gè)相關(guān)的有信號的數(shù)據(jù)批次及丟失信號數(shù)據(jù)的批號送至相位估計(jì)器， 將丟失信號的數(shù)據(jù)批次重建所要使用到的在前的一個(gè)或者多個(gè)數(shù)據(jù)批次直接送
至數(shù)據(jù)重建器；速度估計(jì)器測量裝配激光探聲聲納的載體的速度，并將所測量 的速度送至相位估計(jì)器；相位估計(jì)器分別與數(shù)據(jù)甄別器和速度估計(jì)器相連，根 據(jù)速度估計(jì)器發(fā)送來的載體速度，對在空間上有重疊的有信號的數(shù)據(jù)批次進(jìn)行 相位估計(jì)，并依據(jù)運(yùn)動(dòng)合成孔徑原理計(jì)算丟失信號批次所需要的相位因子，并
將計(jì)算得到的相位因子和所需信號批次傳送給數(shù)據(jù)重建器；數(shù)據(jù)重建器與相位
估計(jì)器相連，根據(jù)相位估計(jì)因子和所需信號批次來重建丟失信號批次的信號，
并將結(jié)果送至數(shù)據(jù)匯合器；數(shù)據(jù)匯合器，分別和數(shù)據(jù)甄別器以及數(shù)據(jù)重建器相 連，用于將有信號批次數(shù)據(jù)和重建信號批次數(shù)據(jù)按時(shí)間和通道上的順序進(jìn)行匯 合，并將最后的時(shí)空采集數(shù)據(jù)傳給下一級信號處理單元運(yùn)算。
本實(shí)施例采用安裝在直升機(jī)或者艦船上的激光探聲采集器陣列作為采集水 聲數(shù)據(jù)的設(shè)備，通過相干激光束垂直照射到海面上，來獲取水下聲信息所引起 的海面質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度的多普勒變化，激光數(shù)據(jù)采集器通過反射信號光與參考光 進(jìn)行相干檢測，獲得多普勒頻移，并計(jì)算水表面質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度。
圖3示出激光數(shù)據(jù)采集器的結(jié)構(gòu)，激光數(shù)據(jù)釆集器所采用的激光器為窄線 寬的LD激光器，波長在1550nm,該波長可以不穿透水面，因此能夠更好的表現(xiàn) 水表面的反射光。激光器所發(fā)出的激光束通過偏振光束分裂器分束為測量光束 和參考光束，測量光束被水表面反射，由于水表面受水下聲波影響產(chǎn)生振動(dòng)， 振動(dòng)使得水表反射光發(fā)生了頻率移動(dòng)，這個(gè)頻率偏移可以利用測量光束通過X-掃描鏡、Y-掃描鏡、物鏡透鏡、激光放大鏡等最終由^J罙測器測量獲得，該頻移 △ f和水表面質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度U有如下關(guān)系
10<formula>formula see original document page 11</formula>(1)
其中，fO是激光頻率，C是介質(zhì)中光速，e。是激光入射向量。當(dāng)t/.e?！禖時(shí), 可得近似公式
<formula>formula see original document page 11</formula> (2)
其中，^是運(yùn)動(dòng)方向和觀察方向的夾角，人是激光波長。反射信號光與參考 光進(jìn)行相干4企測，獲得頻移Af，由公式可以得到水表面質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度。
而水表面質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度與水下聲平面波之間有如下關(guān)系假設(shè)海面是水平 和靜止的，水下聲平面波的幅度是？。，相對于水一空氣界面法向的角度6進(jìn)行 傳播，如圖4所示，則通過激光可以檢測到水界面質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度的法向分量。 在空氣一水界面處，聲壓消失等于零，質(zhì)點(diǎn)振速翻倍。既然水的阻抗特性遠(yuǎn)遠(yuǎn) 大于空氣的聲阻抗特性，顯然空氣一水界面的聲阻抗是嚴(yán)重失配的，這樣壓釋 海面的振動(dòng)主要是由入射聲場引起的，結(jié)果導(dǎo)致海面振動(dòng)的頻率與聲壓場的頻 率一致。由此可得聲平面波所引起的振速法向分量為
<formula>formula see original document page 11</formula> (3)
其中，p為水密度，c。為水中聲速，"。代表P。對應(yīng)的水表面質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度。 因此，激光數(shù)據(jù)采集器最終檢測到的頻移和水下聲平面波的之間滿足如下 關(guān)系
<formula>formula see original document page 11</formula> ( 4 )
當(dāng)水面波浪的起伏時(shí)，由于激光接收孔徑有限，激光探測光束被水面反射 后難以全部被激光數(shù)據(jù)采集器接收到，由于水面波浪的起伏是隨時(shí)間相對慢變 的一個(gè)過程，因此導(dǎo)致所接收的數(shù)據(jù)成批的丟失。數(shù)據(jù)的成批丟失會導(dǎo)致激光
探聲聲納的性能，特別是測向性能的急劇下降，如圖5所示，其中，激光探聲聲納所擁有激光采集器陣列所包含的激光器數(shù)為10。隨著有效數(shù)據(jù)量占總的數(shù)
據(jù)量的比例的降低，激光探聲聲納的空間處理增益急劇下降，由100。/。時(shí)的13dB 下降到10°/。時(shí)的3dB。
數(shù)據(jù)甄別依照激光探聲信號的特點(diǎn)進(jìn)行，由于激光釆集器所檢測的信號是 水面質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)所引起的頻移，數(shù)據(jù)甄別器接收到信號的數(shù)據(jù)幅度相對于沒有接 收到信號的數(shù)據(jù)幅度為小，因此可以通過閾值分析進(jìn)行甄別，即當(dāng)數(shù)據(jù)幅度小 于闊值時(shí)，判斷數(shù)據(jù)有信號；當(dāng)數(shù)據(jù)幅度大于閾值時(shí)，判斷數(shù)據(jù)無信號。而閾 值的大小主要通過公式(4)確定，由公式(4)可以看出，當(dāng)水面平靜時(shí)，cos- = 0
即頻移為零，當(dāng)由于聲波的影響使得水面起伏，使得le。M〉G，而由于激光器孔
徑有限，使得h一卜"、其中，DT是可以接收到反射光波信號的界限，如果沒
有接收到信號接收激光器端相當(dāng)于開路，即leo^卜"、因此，可以通過數(shù)據(jù)甄 別器所用的閾值與激光器孔徑有關(guān)，取決于激光器可以接收到的運(yùn)動(dòng)方向和觀 察方向的夾角的范圍。
圖6示出激光數(shù)據(jù)釆集器所采集數(shù)據(jù)的時(shí)間序列圖，數(shù)據(jù)的甄別依照激光 探聲信號的特點(diǎn)進(jìn)行，由于激光采集器所檢測的信號是水面質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)所引起的 頻移，其接收到信號的數(shù)據(jù)幅度相對于沒有接收到信號的數(shù)據(jù)幅度為小，因此 可以通過閾值分析進(jìn)行甄別，即當(dāng)數(shù)據(jù)幅度小于閾值時(shí)，判斷數(shù)據(jù)有信號；當(dāng) 數(shù)據(jù)幅度大于閾值時(shí)，判斷數(shù)據(jù)無信號。
相位因子的估計(jì)依據(jù)運(yùn)動(dòng)合成孔徑原理得到，其具體原理依照如下規(guī)律 對于淺海信道，設(shè)其參數(shù)為深度H，密度^和聲速c(z)，底的密度^及聲速 c^)為常數(shù)。在遠(yuǎn)場時(shí)深度、處的點(diǎn)聲源其角頻率為Q。目標(biāo)不動(dòng)(與激光采集 器陣列的第O個(gè)釆集器所探測的水表面位置之間的距離為r，深度為z,)，激光 數(shù)據(jù)采集器陣列為含有N個(gè)激光數(shù)據(jù)采集器，且通過速度估計(jì)器獲得運(yùn)動(dòng)速度 為v,其探測水面質(zhì)點(diǎn)和目標(biāo)呈々角，相對于xz平面，如圖7所示。則根據(jù)簡正 波理論，t時(shí)刻第n個(gè)激光采集器所探測到的水下聲波的聲壓值可以寫為M f V 、
幾0",z,/) = ^]/i!w0^)exp(/"^//cosy^)exf' —1+—cos/ ,
(5)
其中，"=o，i,...,w-1,
v
1+—cos-V.
(6)
mg 乂—
這里，& (r,z)為第m個(gè)簡正波的復(fù)幅值，函數(shù)ym O) = sin(Xz)表示第m個(gè)簡 正波的特征函數(shù)，、和" 分別代表第m個(gè)簡正波的水平波數(shù)和衰減系數(shù)， % = /、和v =汲 /由分別是相速度和簡正波群速度。模的本征值l是下面方 程的根
A乙cot(^;o + P^2[1 —(q/c2)2] —,:}1/2 =0 ( 7 )
衰減系數(shù)^可以通過以下公式獲得
< =孕{1 + (^)2(4^)[1-(i)2]sin20^)t肌0^)r
(8)
& P2 7,
如果先不考慮噪聲的影響，則第,+ r時(shí)刻的第n個(gè)激光采集器所探測到的 水下聲波可以寫估文
Az，" r) = exp(-Am (,, z, 0 exp(X d cos々)exp
乂加P
-cos/
(9)
這里/2mO',z,r) =/^0"',z)exp
1 +——cos"
如果這時(shí)第n個(gè)激光采集器正好移動(dòng)到原來t時(shí)刻時(shí)第n+q個(gè)激光采集器所 在的位置上，則有/ = ^卜(1;/ >| = #,(因?yàn)橐廊灰詔時(shí)刻的第O個(gè)激光采集 器作為參考)，公式(5)的后半部分就可以變?yōu)?br> expC/> A:m(i cos / ) exp
■COS y5
=exp[乂(" +《Xd cos "]
(10)
將式(10)代入(9)得:
13<formula>formula see original document page 14</formula>即:
(12)
這里，-沒y ^exp(y肌)為相位因子。
通過式(1"可知，由于激光器陣列運(yùn)動(dòng)，使得所探測的水下聲波具有時(shí) 空遍歷性，因此通過對在空間上有重疊的不同時(shí)刻的有信號的數(shù)據(jù)批次進(jìn)行相 位估計(jì)，所獲得的相位因子，可以作為使用其中一個(gè)時(shí)刻有信號數(shù)據(jù)批次去重 建具有空間重疊性的另 一時(shí)刻丟失信號數(shù)據(jù)批次的相位因子。
^可以通過不同時(shí)刻釆樣的空間上存在重疊的激光釆集器測量值進(jìn)行估 計(jì)，即有
(13)
一=^ 2>rg&, (o *《g+力]
^一《"
一為^的估計(jì)值，上標(biāo)H表示復(fù)共軛，算子arg["表示復(fù)數(shù)的相位角。 上述技術(shù)方案中，所述步驟(4)中，丟失數(shù)據(jù)的重建通過步驟(3)中所 估計(jì)的相位因子和所指定的有信號的數(shù)據(jù)批次計(jì)算獲得，即如果第n個(gè)激光采 集器在第"r時(shí)刻的數(shù)據(jù)丟失，可以通過第n+q個(gè)激光釆集器在第,時(shí)刻所測量 的數(shù)據(jù)進(jìn)行重建，其中關(guān)系如公式(14)表示。
(14)
通過數(shù)據(jù)重建，激光探聲聲納的性能恢復(fù)到較為理想的水平，經(jīng)過試驗(yàn)，
由圖8可以看出當(dāng)激光探聲聲納出現(xiàn)丟失數(shù)據(jù)后(50%的數(shù)據(jù)批次丟失)，進(jìn)行
數(shù)據(jù)恢復(fù)后再進(jìn)行下一級測向處理所得到的結(jié)果比未進(jìn)行數(shù)據(jù)恢復(fù)直接進(jìn)行測
向處理所得到的結(jié)果，處理增益要高3個(gè)分貝，這個(gè)結(jié)果接近于理想結(jié)果(即不丟失數(shù)據(jù))時(shí)進(jìn)行測量處理的結(jié)果。
本發(fā)明利用激光器在時(shí)間上和空間上的運(yùn)動(dòng)采樣水面質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度特性， 通過運(yùn)動(dòng)合成孔徑的方法和已接收批次的數(shù)據(jù)來恢復(fù)丟失批次數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)恢 復(fù)的基礎(chǔ)上激光探聲聲納的探測性能特別是測向性能可以得到保持，所述由于 通過已接收批次數(shù)據(jù)之間的時(shí)空關(guān)系來推斷丟失批次數(shù)據(jù)，其間的所推斷的聲 波之間的時(shí)空關(guān)系是不受因風(fēng)速變化所造成的水面波紋的影響，所以除了可以
解決數(shù)據(jù)丟失問題以外，在一定程度上也緩解了水面波紋對激光探聲的影響；
且由于方法與設(shè)備簡單，因此具有較強(qiáng)的實(shí)用性和環(huán)境適應(yīng)性。
最后應(yīng)說明的是，以上實(shí)施例僅用以描述本發(fā)明的技術(shù)方案而不是對本技 術(shù)方法進(jìn)行限制，本發(fā)明在應(yīng)用上可以延伸為其他的修改、變化、應(yīng)用和實(shí)施 例，并且因此認(rèn)為所有這樣的修改、變化、應(yīng)用、實(shí)施例都在本發(fā)明的精神和 教導(dǎo)范圍內(nèi)。
1權(quán)利要求
1、一種激光探聲聲納丟失數(shù)據(jù)的恢復(fù)設(shè)備，包括多個(gè)激光數(shù)據(jù)采集器，用于采集水下目標(biāo)引起的水面質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度的變化信息；數(shù)據(jù)甄別器，將表示所述變化信息的信號甄別為有信號批次數(shù)據(jù)和丟失信號批次數(shù)據(jù)；相位估計(jì)模塊，根據(jù)聲納平臺運(yùn)動(dòng)速度和所述有信號批次數(shù)據(jù)的時(shí)空相關(guān)性，獲取信號之間的相位變化信息，對丟失信號的數(shù)據(jù)批次進(jìn)行重建；數(shù)據(jù)匯合器，將所述有信號批次和所重建的數(shù)據(jù)批次合成，恢復(fù)丟失數(shù)據(jù)。
2、 權(quán)利要求l的設(shè)備，其中，所述多個(gè)激光數(shù)據(jù)采集器通過反射信號光與 參考光進(jìn)行相干檢測，得到水下聲信息所引起的海面質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度的多普勒頻 移，獲取水表面質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度。
3、 權(quán)利要求l的設(shè)備，其中，所述數(shù)據(jù)甄別器與激光數(shù)據(jù)釆集器相連，用 于對表示所述變化信息的信號按時(shí)間順序進(jìn)行甄別，分為有信號的批次數(shù)據(jù)和 丟失信號的批次數(shù)據(jù)。
4、 權(quán)利要求3的設(shè)備，其中，所述激光數(shù)據(jù)采集器采集的頻移和水下聲平面波的之間滿足4^《，s^G^ ， ^是運(yùn)動(dòng)方向和觀察方向的夾角，P。是水下聲平面波的幅度。
5、 權(quán)利要求l的設(shè)備，其中，所述相位估計(jì)模塊包括 速度估計(jì)器，用于測量裝配激光探聲聲納的載體的速度；相位估計(jì)器，根據(jù)所述速度估計(jì)器發(fā)送來的載體速度，對在空間上有重疊 的有信號的批次數(shù)據(jù)進(jìn)行相位估計(jì)，依4居運(yùn)動(dòng)合成孔徑原理估計(jì)丟失信號的批次數(shù)據(jù)的相位因子；數(shù)據(jù)重建器，根據(jù)所述相位因子和所述丟失信號的數(shù)據(jù)批次的在先批次重建丟失信號的批次數(shù)據(jù)，將所重建數(shù)據(jù)發(fā)送到所述數(shù)據(jù)匯合器。
6、 權(quán)利要求5的設(shè)備，其中，所述相位估計(jì)器獲取t時(shí)刻和"r時(shí)刻的第n個(gè)激光數(shù)據(jù)釆集器所探測到的水下聲波的聲壓值p,(。z，,)和AO,v + r),根據(jù) 0, z'0 = exp(乂"r)p 0, z〃 + r),獲耳又相^f立估計(jì)因子exp(7& r)。
7、 權(quán)利要求5的設(shè)備，其中，所述數(shù)據(jù)重建器獲知第n個(gè)激光數(shù)據(jù)采集器 在第,+ r時(shí)刻的數(shù)據(jù)丟失，通過第n+q個(gè)激光數(shù)據(jù)采集器在第,時(shí)刻所測量的數(shù) 據(jù)p,(r,z，f)根據(jù)所述相位因子ccm/(y)重建第n個(gè)激光數(shù)據(jù)采集器在第"r時(shí)刻 的數(shù)據(jù)& (,, z, / + r) ， (r, z, / + r) = co"/(y)(。 z, 0 。
8、 一種激光探聲聲納丟失數(shù)據(jù)的恢復(fù)方法，包括步驟IO)、采集水下目標(biāo)引起的水面質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度的變化信息； 步驟20)、將表示所述變化信息的信號甄別為有信號批次數(shù)據(jù)和丟失信號 批次數(shù)據(jù)；步驟30)、根據(jù)聲納平臺運(yùn)動(dòng)速度和所述有信號批次數(shù)據(jù)的時(shí)空相關(guān)性， 獲取信號的相位變化信息，對丟失信號的批次數(shù)據(jù)進(jìn)行重建；步驟40)、將所述有信號批次和所重建的批次數(shù)據(jù)合成，恢復(fù)丟失數(shù)據(jù)。
9、 權(quán)利要求8的方法，其中，步驟10)還包括通過反射信號光與參考光 進(jìn)行相干檢測，得到水下聲信息所引起的海面質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度的多普勒頻移，獲 取水表面質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度。
10、 權(quán)利要求8的方法，其中，步驟20)還包括對表示所述變化信息的 信號按時(shí)間順序進(jìn)行甄別，分為有信號的數(shù)據(jù)批次和丟失信號的數(shù)據(jù)批次，其 中，所述激光數(shù)據(jù)采集器采集的頻移和水下聲平面波的之間滿足 A/ = 4P。.C0"—， ^是運(yùn)動(dòng)方向和觀察方向的夾角，尸。是水下聲平面波的幅度。
11、 權(quán)利要求8的方法，其中，步驟30)還包括 步驟310)、測量裝配激光探聲聲納的載體的速度；步驟320 )、根據(jù)所述載體速度，對在空間上有重疊的有信號的批次數(shù)據(jù)進(jìn)行相位估計(jì)，依據(jù)運(yùn)動(dòng)合成孔徑原理估計(jì)丟失信號批次數(shù)據(jù)的相位因子；步驟330 )、根據(jù)所述相位因子和所述丟失信號的批次數(shù)據(jù)的在先批次數(shù)據(jù) 重建丟失信號的批次數(shù)據(jù)。
12、 權(quán)利要求11的方法，其中，步驟320 )還包括獲取t時(shí)刻和"r時(shí)刻的第n個(gè)激光數(shù)據(jù)采集器所探測到的水下聲波的聲壓值；;，(r,z力和 ; 0",z,/ + t),才艮氺居/^+ O,z,0 = expCAyr)/^O,z,"r), 獲耳又相4立4古計(jì)因子expC/a>t)。
13、 權(quán)利要求ll的方法，其中，步驟330 )還包括獲知第n個(gè)激光數(shù)據(jù) 采集器在第"r時(shí)刻的數(shù)據(jù)丟失，通過第n+q個(gè)激光數(shù)據(jù)采集器在第/時(shí)刻所測 量的數(shù)據(jù)根據(jù)所述相位因子進(jìn)行重建，AO,V + "二c朋y(y)p"(r,z力。
全文摘要
本發(fā)明公開一種激光探聲聲納丟失數(shù)據(jù)的恢復(fù)設(shè)備和方法，包括激光數(shù)據(jù)采集器采集水下目標(biāo)引起的水面質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度的變化信息；數(shù)據(jù)甄別器，將表示所述變化信息的信號甄別為有信號批次和丟失信號批次；相位估計(jì)模塊，根據(jù)聲納平臺運(yùn)動(dòng)速度和所述有信號批次數(shù)據(jù)的時(shí)空相關(guān)性，獲取所述數(shù)字信號的相位變化，利用運(yùn)動(dòng)合成孔徑原理，對丟失信號的數(shù)據(jù)批次進(jìn)行重建；數(shù)據(jù)匯合器，將所述有信號批次和所重建的數(shù)據(jù)批次合成，恢復(fù)丟失數(shù)據(jù)。解決了激光探聲聲納所特有的由于水面波浪的起伏和激光接收孔徑的限制所導(dǎo)致的成批數(shù)據(jù)丟失的問題，保持探聲聲納的探測性能不至于下降。本發(fā)明的方法簡單實(shí)用，可以實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)且不需要增加許多額外的計(jì)算資源。
文檔編號G01S7/52GK101470197SQ200810167459
公開日2009年7月1日 申請日期2008年10月13日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月28日
發(fā)明者張春華, 宇 李, 李淑秋, 勇 黃, 黃海寧 申請人:中國科學(xué)院聲學(xué)研究所