一种基于光纤水听器的靶船脱靶量测量系统 |
|||||||
| 申请号 | CN201611024911.3 | 申请日 | 2016-11-17 | 公开(公告)号 | CN106643305A | 公开(公告)日 | 2017-05-10 |
| 申请人 | 北京航天控制仪器研究所; | 发明人 | 王学锋; 郝良彬; 于文鹏; 王海亮; 李振; 杨勇; 张海岩; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种基于光纤 水 听器 的靶船脱靶量测量系统，包括： 光源 、第一光纤 耦合器 、第一声光 调制器 、第二声光调制器、声光同步驱动源、 信号 源、第一光纤延时环、第二光纤耦合器、光功率 放大器 、光分束器、若干个第一环形器、与第一环形器数量相等的若干个光纤水听器信号 探头 、光纤水听器基线阵、与第一环形器数量相等的若干个第一光电探测器、第二环形器、光纤水听器参考探头、第二光电探测器和信号解调处理系统。本发明提高了测量系统的导弹脱靶量测量 精度 和灵敏度，并且抗 电磁干扰 。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种基于光纤水听器的靶船脱靶量测量系统，其特征在于包括：光源(1)、第一光纤耦合器(2)、第一声光调制器(3)、第二声光调制器(4)、声光同步驱动源(5)、信号源(6)、第一光纤延时环(7)、第二光纤耦合器(8)、光功率放大器(9)、光分束器(10)、若干个第一环形器(11)、与第一环形器(11)数量相等的若干个光纤水听器信号探头(16)、光纤水听器基线阵(17)、与第一环形器(11)数量相等的若干个第一光电探测器(18)、第二环形器(19)、光纤水听器参考探头(30)、第二光电探测器(24)和信号解调处理系统(25)；其中，若干个光纤水听器信号探头(16)组成光纤水听器基线阵(17)； |
||||||
| 说明书全文 | 一种基于光纤水听器的靶船脱靶量测量系统技术领域[0001] 本发明涉及靶船脱靶量测量系统领域，尤其涉及一种基于光纤水听器的靶船脱靶量测量系统。 背景技术[0002] 打靶试验中的脱靶量是指弹与目标之间的最小相对距离，表示弹命中目标的误差大小，或称作命中精度，它是衡量武器毁伤效能的重要指标。目前在导弹飞行试验、实弹打靶中，若导弹没有直接命中靶标时，脱靶量测量是检验导弹性能试验鉴定中的一个重要战术指标。对舰导弹脱靶量测量十分复杂，并随着对舰导弹速度的提高、射程增大、机动性增强、弹体小型化、隐身化、高低界范围大等突防能力的不断提高，以及作战环境日趋复杂化，要完成脱靶量的高精度测量，测量设备必须有很高的精度、较高的数据率、较高的可靠性。目前，对舰导弹脱靶量测量方法主要有无线电脱靶量测量、光学脱靶量测量、GPS脱靶量测量等。这些测量方法都具有一定的局限性：无线电脱靶量测量方法的不足是距离探测精度低，在超低空测量易受杂波影响，尤其在海面工作具有多径效应；光纤脱靶量测量方法的不足是测量距离近，受天气因素影响大，不易捕捉跟踪目标，设备操作使用及事后数据处理都很复杂，影响测量的成功率；GPS脱靶量测量方法的不足是使用开放的标准码精度低，无法进行高精度的脱靶量测量。 发明内容[0004] 本发明目的通过以下技术方案予以实现：一种基于光纤水听器的靶船脱靶量测量系统，包括：光源、第一光纤耦合器、第一声光调制器、第二声光调制器、声光同步驱动源、信号源、第一光纤延时环、第二光纤耦合器、光功率放大器、光分束器、若干个第一环形器、与第一环形器数量相等的若干个光纤水听器信号探头、光纤水听器基线阵、与第一环形器数量相等的若干个第一光电探测器、第二环形器、光纤水听器参考探头、第二光电探测器和信号解调处理系统；其中，若干个光纤水听器信号探头组成光纤水听器基线阵；光源输出频率为f0的连续光进入第一耦合器后分为两束光，两束光分别进入第一声光调制器和第二声光调制器，由信号源输出的脉冲控制声光同步驱动源驱动第一声光调制器和第二声光调制器对两束光分别移频，第一声光调制器将其中一束光调制成频率为f0+f1的第一脉冲光，第二声光调制器将其中另一束光调制成频率为f0+f2的第二脉冲光，第一脉冲光通过第一光纤延时环延时，第二脉冲光不作延时，第一脉冲光和第二脉冲光两路脉冲光先后到达第二光纤耦合器进行合束，形成有固定时间间隔的脉冲光序列，其中，第一脉冲光经过第一光纤延时环的时间大于等于信号源输出的脉冲宽度；脉冲光序列在第二光纤耦合器分成第一脉冲光序列和第二脉冲光序列，第一脉冲光序列经过第二环形器进入光纤水听器参考探头，经光纤水听器参考探头形成不携带有外界声信号的拍频参考光信号并反射回第二环形器，经第二环形器进入第二光电探测器，第二光电探测器将不携带有外界声信号的拍频参考光信号转换为不携带有外界声信号的拍频参考电信号；第二脉冲光序列经功率放大器放大后转换为第三脉冲光序列进入光分束器，光分束器将第三脉冲光序列分成功率相等的若干个第四脉冲光序列，若干个第四脉冲光序列经相对应的第一环形器进入光纤水听器基线阵，由于导弹落水产生的声波信号的作用，使得第四脉冲光序列经光纤水听器基线阵形成若干个携带有外界声信号的拍频光信号并反射回相对应的第一环形器，经第一环形器进入第一光电探测器，第一光电探测器将携带有外界声信号的拍频光信号转换为携带有外界声信号的拍频电信号，其中，所述第四脉冲光序列的数量与第一环形器数量相等；第一光电探测器输出的拍频电信号和第二光电探测器输出的拍频参考电信号进入信号解调处理系统进行信号解调处理，得到导弹偏离靶船的脱靶量。 [0005] 上述基于光纤水听器的靶船脱靶量测量系统中，还包括：无线发送系统和显控终端；其中，所述无线发送系统与所述信号解调处理系统相连接；所述无线发送系统将所述信号解调处理系统输出的脱靶量信息传输至显控终端。 [0006] 上述基于光纤水听器的靶船脱靶量测量系统中，还包括：解调数据存储系统；其中，所述解调数据存储系统与所述信号解调处理系统相连接，所述解调数据存储系统用于存储输入至所述信号解调处理系统的拍频电信号和拍频参考电信号。 [0007] 上述基于光纤水听器的靶船脱靶量测量系统中，所述光纤水听器参考探头包括第三光纤耦合器、第二光纤延时环、第一法拉第旋转镜和第二法拉第旋转镜；其中，第一脉冲光序列经第二环形器进入第三光纤耦合器后，分为两路光，一路光到达第二法拉第旋转镜后反射回第三光纤耦合器；另一路光经第二光纤延时环到达第一法拉第旋转镜后反射回第三光纤耦合器；在第三光纤耦合器内两路反射脉冲序列中只有满足干涉条件的脉冲产生拍频，形成不携带有外界声信号的拍频参考光信号。 [0008] 上述基于光纤水听器的靶船脱靶量测量系统中，所述光纤水听器信号探头包括第四光纤耦合器、第三光纤延时环、第三法拉第旋转镜和第四法拉第旋转镜；其中，第四脉冲光序列经第一环形器进入第四光纤耦合器后，分为两路光，一路光到达第四法拉第旋转镜后反射回第四光纤耦合器；另一路光经第三光纤延时环到达第三法拉第旋转镜后反射回第四光纤耦合器；在第四光纤耦合器内两路反射脉冲序列中只有满足干涉条件的脉冲产生拍频，光纤水听器信号探头在声波信号的作用下，使得在第四光纤耦合器内形成一个携带有外界声信号的拍频光信号。 [0009] 上述基于光纤水听器的靶船脱靶量测量系统中，所述光纤水听器信号探头的数量大于4。 [0010] 上述基于光纤水听器的靶船脱靶量测量系统中，若干个所述光纤水听器信号探头由安装于靶船的自动收放机构垂直下放在水下同一深度，其中，4个光纤水听器信号探头以靶船中心轴为中心呈正方形分布，相邻光纤水听器信号探头间距等于靶船宽度；其余光纤水听器信号探头同时沿靶船内侧向船头和船尾方向分布，两两沿靶船的横轴X和纵轴Y对称分布。 [0011] 上述基于光纤水听器的靶船脱靶量测量系统中，所述光源为窄带光源。 [0012] 本发明与现有技术相比具有如下有益效果： [0014] (2)本发明的光纤水听器信号探头相互独立，若其中一个损坏，不影响其他信号探头的正常工作，同时也不影响本测量系统的脱靶量测量精度，在试验阶段或实战运用中，具有良好的环境适应性和可靠性。 [0015] (3)本发明采用光纤水听器基线阵冗余设计方案，数量大于最基本定位测量所需的4个光纤水听器信号探头，采用最优组合定位方式，有效剔除海洋噪声以及多径效应对系统造成的误判，提高了测量系统的导弹脱靶量测量精度。 [0017] 图1示出了本发明实施例提供的基于光纤水听器的靶船脱靶量测量系统的结构示意图； [0018] 图2示出了本发明实施例提供的基于光纤水听器的靶船脱靶量测量系统中，光纤水听器信号探头相对应的自动收放机构在靶船安装位置的分布示意图。 具体实施方式[0019] 下面结合附图对本发明作进一步详细说明： [0020] 图1示出了本发明实施例提供的基于光纤水听器的靶船脱靶量测量系统的结构示意图。如图1所示，该基于光纤水听器的靶船脱靶量测量系统包括光源1、第一光纤耦合器2、第一声光调制器3、第二声光调制器4、声光同步驱动源5、信号源6、第一光纤延时环7、第二光纤耦合器8、光功率放大器9、光分束器10、若干个第一环形器11、与第一环形器11数量相等的若干个光纤水听器信号探头16、光纤水听器基线阵17、与第一环形器11数量相等的若干个第一光电探测器18、第二环形器19、光纤水听器参考探头30、第二光电探测器24和信号解调处理系统25。具体实施时，光源1为窄带光源。其中， [0021] 若干个光纤水听器信号探头16组成光纤水听器基线阵17。具体实施时，光纤水听器信号探头16的数量大于4。 [0022] 光源1输出频率为f0的连续光进入第一耦合器2后分为两束光，两束光分别进入第一声光调制器3和第二声光调制器4，由信号源6输出相同的脉冲控制声光同步驱动源5以实现驱动第一声光调制器3和第二声光调制器4对两束光分别移频，第一声光调制器3将其中一束光调制成频率为f0+f1的第一脉冲光，第二声光调制器4将其中另一束光调制成频率为f0+f2的第二脉冲光，其中，f1表示第一声光调制器3的移频量，f2表示第一声光调制器4的移频量；第一声光调制器3输出频率为f0+f1的第一脉冲光通过长度为2l的第一光纤延时环7延时，第二声光调制器4输出频率为f0+f2的第二脉冲光不作延时，第一脉冲光和第二脉冲光两路脉冲光先后到达第二光纤耦合器8进行合束，频率为f0+f1的第一脉冲光经过第一光纤延时环7的时间大于等于信号源6输出的脉冲宽度，在第二光纤耦合器8与频率为f0+f2的第二脉冲光合束时不会发生拍频，形成有固定时间间隔的脉冲光序列。 [0023] 脉冲光序列在第二光纤耦合器8分成第一脉冲光序列和第二脉冲光序列，第一脉冲光序列经过第二环形器19进入光纤水听器参考探头30，光纤水听器参考探头30处于隔音隔振环境中，不受外部环境干扰，经光纤水听器参考探头30形成不携带有外界声信号的拍频参考光信号并反射回第二环形器19，经第二环形器19进入第二光电探测器24，第二光电探测器24将不携带有外界声信号的拍频参考光信号转换为不携带有外界声信号的拍频参考电信号。 [0024] 第二脉冲光序列经功率放大器9放大后转换为第三脉冲光序列进入光分束器10，光分束器10将第三脉冲光序列分成功率相等的若干个第四脉冲光序列，其中，第四脉冲光序列的数量与第一环形器11数量相等，若干个第四脉冲光序列经与其一一对应的第一环形器11进入光纤水听器基线阵17，由于导弹落水产生的声波信号的作用，使得第四脉冲光序列经光纤水听器基线阵17形成若干个携带有外界声信号的拍频光信号并反射回相对应的第一环形器11，经第一环形器11进入第一光电探测器18，第一光电探测器18将携带有外界声信号的拍频光信号转换为携带有外界声信号的拍频电信号；需要理解的是，导弹偏离靶船，落入水中产生落水点29时，声波信号传输至光纤水听器基线阵17，引起光纤水听器基线阵17拍频信号的相位发生变化，形成携带有外界声信号的拍频光信号。 [0025] 第一光电探测器18输出的拍频电信号和第二光电探测器24输出的拍频参考电信号进入信号解调处理系统25进行信号解调处理，得到导弹偏离靶船的脱靶量。 [0026] 本实施例以光纤水听器作为感知介质，具有动态范围大，灵敏度高，频率范围大，抗电磁干扰等优点，可以有效捕获不同类型、不同速度、不同角度导弹入水的声信号，并进行准确测量脱靶量位置信息；并且本实施例的光纤水听器信号探头相互独立，若其中一个损坏，不影响其他信号探头的正常工作，同时也不影响本测量系统的脱靶量测量精度，在试验阶段或实战运用中，具有良好的环境适应性和可靠性；并且本实施例的设备维护简单，可随时快速更换损坏的信号探头，并不影响系统的脱靶量测量精度，大大降低了系统成本。 [0027] 上述实施例中，如图1所示，该基于光纤水听器的靶船脱靶量测量系统还包括无线发送系统26和显控终端28；其中， [0028] 无线发送系统26与信号解调处理系统25相连接； [0029] 无线发送系统26将信号解调处理系统25输出的脱靶量信息传输至显控终端28。具体的，通过无线发送系统26和显控终端28可以实时测量并显示导弹偏离靶船中心的脱靶量信息。 [0030] 上述实施例中，如图1所示，该基于光纤水听器的靶船脱靶量测量系统还包括解调数据存储系统27。具体实施时，解调数据存储系统27为抗冲击的大容量固态存储系统。其中， [0031] 解调数据存储系统27与信号解调处理系统25相连接，解调数据存储系统27用于存储输入至所述信号解调处理系统25的拍频电信号和拍频参考电信号。具体的，通过解调数据存储系统27将原始数据信息存储起来，有助于查阅。 [0032] 上述实施例中，如图1所示，光纤水听器参考探头30包括第三光纤耦合器20、第二光纤延时环21、第一法拉第旋转镜22和第二法拉第旋转镜23。需要理解的是，光纤水听器参考探头30处于隔音隔振且不受外部干扰的环境中。其中， [0033] 第一脉冲光序列经第二环形器19进入第三光纤耦合器20后，分为两路光，一路光到达第二法拉第旋转镜23后反射回第三光纤耦合器20；另一路光经长度为l的第二光纤延时环21到达第一法拉第旋转镜22后反射回第三光纤耦合器20。 [0034] 在第三光纤耦合器20内两路反射脉冲序列中只有满足干涉条件的脉冲产生拍频，形成不携带有外界声信号的拍频参考光信号。 [0035] 上述实施例中，如图1所示，光纤水听器信号探头16包括第四光纤耦合器12、第三光纤延时环13、第三法拉第旋转镜14和第四法拉第旋转镜15。其中，第四脉冲光序列经第一环形器11进入第四光纤耦合器12后，分为两路光，一路光到达第四法拉第旋转镜23后反射回第四光纤耦合器12；另一路光经第三光纤延时环13到达第三法拉第旋转镜22后反射回第四光纤耦合器12； [0036] 在第四光纤耦合器12内两路反射脉冲序列中只有满足干涉条件的脉冲产生拍频，光纤水听器信号探头16在声波信号的作用下，使得在第四光纤耦合器12内形成一个携带有外界声信号的拍频光信号。具体的，光纤水听器信号探头16用于探测导弹入水后的声波信号，由第四光纤耦合器12、第三光纤延时环13、第三法拉第旋转镜14和第四法拉第旋转镜15组成。一个第四脉冲光序列经第一环形器11进入第四光纤耦合器12后，分为两路，一路到达第四法拉第旋转镜23进行反射；另一路经长度为l的第三光纤延时环13到达第三法拉第旋转镜22进行反射。在第四光纤耦合器12内无入水声波信号作用，两路反射脉冲序列中只有满足干涉条件，即光程差相同的脉冲产生拍频；由于导弹落水产生声波信号作用在光纤水听器信号探头16引起第三光纤延时环13的长度和折射率发生变化，使得另一路经过第三光纤延时环13的第四脉冲光序列的相位发生变化，从而在第四光纤耦合器12内形成一个携带有外界声信号的拍频光信号，经第一环形器11进入第一光电探测器18实现拍频光信号向拍频电信号转换，第一光电探测器18把模拟电信号输出至信号解调处理系统25用于信号解调。 [0037] 图2示出了本发明实施例提供的光纤水听器信号探头相对应的自动收放机构在靶船安装位置的分布示意图。需要理解的是，光纤水听器信号探头的数量大于4个，光纤水听器信号探头的数量根据需要来选择，图2中示出了1701～1708对应的总共8个光纤水听器信号探头。需要理解的是，1701～1708这8个位置是自动收放机构安装于靶船的位置，光纤水听器信号探头16被自动收放机构与水面垂直的下放到水下同一深度，一般选择将光纤水听器信号探头16下放于水面以下约5m。当有导弹偏离靶船，落入水中产生落水点29时，声波信号传输至光纤水听器基线阵17内的所有光纤水听器信号探头16，通过相位调制原理，根据声波达到各信号探头的时间不同，先后引起光纤水听器信号探头16内拍频信号的相位发生变化，形成携带外界声信号的拍频光信号，经第一环形器11进入第一光电探测器18；信号解调处理系统25把第一光电探测器18输出的拍频参考电信号和第二光电探测器24输出的拍频电信号变成数字信号，并以第二光电探测器24输出信号为参考，采用反正切算法信号解调处理，得到导弹偏离靶船的脱靶量信息，即偏移靶船中心的方向和距离，通过无线发送系统26将脱靶量信息传输至显控终端28进行实时显示；解调数据存储系统27对第一光电探测器18和第二光电探测器24输入至信号解调处理系统25的原始数字信息进行存储。 [0038] 光纤水听器基线阵17属于短基线阵，由N个(N≥4)光纤水听器信号探头16组成，并采用冗余设计，N个(N≥4)光纤水听器信号探头16由安装于靶船的自动收放机构垂直下放在水下同一深度。为了排除靶船左右舷模糊问题，采用四元阵定位方式，1701、1702、1703、1704这4个自动收放机构在靶船的安装位置以靶船中心轴为中心，呈正方形分布，其中，该靶船中心轴为通过靶船中心的轴并与水面相垂直，正方形的边长约等于靶船宽度，从而相对应的，1701、1702、1703、1704这4个安装位置对应的水下的四个光纤水听器信号探头16呈正方形，相邻的两个光纤水听器信号探头16之间的距离约等于靶船宽度。其余光纤水听器信号探头同时沿靶船内侧向船头和船尾方向分布，两两沿靶船的横轴X和纵轴Y对称分布，具体的，如图2所示，1705和1708两个自动收放机构在靶船的安装位置靠近船头的位置，并沿图2中的X轴对称，相应的，1705和1708这两个位置对应的水下的两个光纤水听器信号探头16向船头方向分布，并沿图2中的X轴对称；1706和1707两个自动收放机构在靶船的安装位置靠近船尾的位置，并沿图2中的X轴对称，相应的，1706和1707这两个位置对应的水下的两个光纤水听器信号探头16向船尾方向分布，并沿图2中的X轴对称。并且，1705这个安装位置与1707这个安装位置沿图2中的Y轴对称，1708这个安装位置与1706这个安装位置沿图2中的Y轴对称。其中，X轴和Y轴过靶船中心O。 [0039] 在对导弹落水点29进行脱靶量测量时，1701、1702、1703和1704这四个位置相对应的4个主光纤水听器信号探头16采用四元定位原理，根据落水点水声信号到达4个主光纤水听器信号探头16的时延差，并结合直达波信号时间先后逻辑，排除算法虚解，即可获得落水点29的实际位置。其余光纤水听器信号探头与1701、1702、1703和1704这4个主光纤水听器信号探头16同样可以组成不同的四元定位结构，通过选择最优组合定位方式，有效剔除海洋噪声以及多径效应对系统造成的误判，进一步提高测量系统的导弹脱靶量测量精度。 [0040] 本发明以光纤水听器作为感知介质，具有动态范围大，灵敏度高，频率范围大，抗电磁干扰等优点，可以有效捕获不同类型、不同速度、不同角度导弹入水的声信号，并进行准确测量脱靶量位置信息；并且本发明的光纤水听器信号探头相互独立，若其中一个损坏，不影响其他信号探头的正常工作，同时也不影响本测量系统的脱靶量测量精度，在试验阶段或实战运用中，具有良好的环境适应性和可靠性；并且本发明的设备维护简单，可随时快速更换损坏的信号探头，并不影响系统的脱靶量测量精度，大大降低了系统成本。 [0041] 以上所述的实施例只是本发明较优选的具体实施方式，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。 |
||||||
