【doc】激光遥感探测水下声信号的研究

【doc】激光遥感探测水下声信号的研究 激光遥感探测水下声信号的研究 第24卷第1期 2OO2年2月 舰船科学技术 5HIPSC正ANDTE(0IJX V0】.24N0.1 Fleb.2O02 激光遥感探测水下声信号的研究 崔桂华研究员李荣福研究员 田作喜工程师桑国明工程师 (第七六0研究所大连116013) 摘要:本文讨论了用激光遥感探测水下声信号的技术,水下声信号造成的最终表面微扰导致了由水表面反 射的激光波束光通量的变化.基于此理论的探测系统被开发出来了,并用这套系统进行了实验研究.最初的结果表 明.基于此技术的探铡是可行的,并给出了某些实验结果. 关键词:激光遥感声信号 ALaserRemoteSen~agStudyforDetectionofUnderWaterAcousticsiI雷【- CuiGuihuaPrss0r”RDfPr SangGuomingEngineerTiaazuE|lgin~.eu Alaslrad:Atechniquetodetectunderwateracousticsignalsbylaserisdiscuint hislmper.There- sultantsur~cepe】i0IlsgBrIe蚰tedbyunderwateracousticsi目 l1aIresultintheluminousfluxcmofalaser beamreflectedbvthewatersurf~e.AdetectionsystembasedOnthistheorywa sdeveloped.Laboratoryexperi- mentalinvestigationwoonducteclthissystem.Preliminaryresutltsindicatet hatdetectionbasedOilthistech- alqueiBpoBBible8nd?mexperimentalt~sultsashawain曲Bpaper. K呵w岫:laser,l’l~/notesensing,acousticsials 作为传感器的激光可用于探测水声信号,在声波的作用下,最终的表 面微扰一定会在水与空气界面处形 成.微扰中产生的位移在连续声波和弱脉冲的情况下达到几个m,而 在冲击波的情况下可以达到微米量级. 测量表面位移的技术被称为光外差法,由Q~entln和Reihoid[描述过.在1988年M.S:Lee和B.s.Eta1开 发了另一种用于探测水下声信号的技术.此技术只利用一单激光束 并把这一理论解释为表面微扰在激光波束 中产生的幅度调制效应.另一种方法就是把这理论解释为进人光接 收器小孔的光通量的变化.在此文中我们 导出了光通量变化的表达式. 2利用激光束探测水下声波的一般理论 来自水下目标的辐射或散射声波到达水一空气界面时,必然引起水表面的相应波动,使从空中射向该水表 面处的光束发生散射,从而进人到光接收孔径的光通量发生相应的变化.因此,如能将光通量的变化转换成电 信号的变化,这样便将声能转化成电能,犹如水听器接收声信号后将其转化成相应的电信号一样. 为了方便计算,我们讨论一维情况,但不难将结论推广到二维情形.如图1所示,强度为I口的激光束聚焦 到水面上xl到处,水下声场引起的水面起伏由函数f(x,t)来描述,f(X,t)是位置X和时闻t的函数. 收稿日期:2001—12—27. 第1期崔桂华等:激光遥感探_刎水下声信号的研究47? 设xj是xl与x2内】【i到+?】,I的小区间上的任一点.当?】,.取值充分小时,在小区间】【j一】【j+?xj内f(x, t)的斜率可以认为取同一个值,即 曼l:l. 设人射光线与曲线f(,t)在Xi处的法向n的夹角为a,与Y轴的夹角为p,Y轴与法向n的夹角为7,则 有 口=.9+y(1) 而 {+P={+y=詈(2) 则 y=p=一0i(3) 日是Xi处曲线f(x,t)的切线与x轴的夹角. 所以人射光线与法向的夹角 a=8+=8+p=+一Oi(4) 孔径为L的接收—— (5) (6) (7) (8) 舰船科学技术第24卷 所以 利用三角函数公式 而 口+y=J9+一f+一f=2一(201一口) tg(a+y)=一tg(28i一口) ~(201一口)=望= 1+te,2Oit~ 伽= = I= (9) (10) (11) (12) (13) 于是式(8)中的量H,Xo,R,及隐含在a+7中的角日均为已知量,将式(13),(12),(11)和(10)代人式(8).便可 求出x值. 由图1可看出,只要反射光线与接收器交点的横坐标满足条件 0SS粕+R 反射光均可进入接收器光瞳. 设xi一+?x小区间的曲线弧长为?lj,它在x轴上的投影为?)【i=?lieosOi,其上接收的光通量为 ?=lo~cosfl (14) 如果x.处界面的反射率为,且满足条件(14):)【osx)【o+R,则All曲线弧的反射光AI;将全部进入接收 器L,且有 ?,=?,f=,0fc08J9 在)【o?x?+R约束条件下,将?I;求和, 得 当?xi—叼时,求和变成积分 ()=?AI’?,0BJ9 ):f).I (15) (16) (17) 当然,积分不包括反射光线与接收器L交点的坐标x<和x+R的部分.实际计算积分很困难.需要 进行数值计算.进行数值计算时,将区间x.一分为N段,当N充分太时, 保证被划分的每一小段有一确定的 斜率.则可取 == 第l期崔挂华等:激光遥感探测水下声信号的研究?49 以同样的方法求出t1,t2,…tN时刻的西(‘1),西(t2),…西 (tN),可得到作为时问函数的西(I),即接收器接收到的光 通量随时间的变化.这一光通量的变化就是水中声波随 时问变化的复制. 3实验装置 激光检测水下声信号实验是在我所重点实验室水池 进行的.实验装置布放见图2. 光发射机发出的红外光束以约7.6度掠角入射到水 中信号发射器(经水密处理的金属膜喇叭)上方的水面 上,被水下声波扰动的水表面反射后,射人光接收机光 孔,经光/电转换后,由CS2092动态测试 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 仪捕捉,送 LQI1600打印机打印.在捕捉水表面波动反射光信号的 同时,置于喇叭上方刚好在水表面下的 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 水听器小球 接收水下声波到达水表面处的声信号,经26O4话筒放大 器放大后,由Tek2230数存示波器捕获后进人微机存盘 打印. 金属膜喇叭是由正弦信号发生器经2713功率放大 器放大后激励的.为避免水池底及倒壁反射声信号的影 图2实验装置布放图 L l,一—===二兰,三;?三 图3实验光路图 响,喇叭的声信号由键控发射.且CS2092与Tek2230被同步触发.实验的光路图如图3所示. 图中:L=15000m~,h=520mm,h=1470nun 由 +y=和等=詈(18) 8=:培等=7.55?7.(19) 4实验结果 本次实验的目的在于定量测定激光检测水下声信号系统的检测性 能.仿效表征水听器主要性能指标灵敏 度1]b,我们定义激光检测系统的灵敏度Tn为在单位声压作用下,接 收机输出电压 研:兽(加)5o一 l60 式中:Th——激光检测系统的灵敏度,V/t~Pa;- 170 VI——激光接收系统输出电压,V;?一lR0 P——作用在光束上的水表面处声压,. 一 19o类似地 ,定义激光检测系统的灵敏度级为… 圳s(21): 也像水昕器的灵敏度级一样,取参考级 r/o=1V/1 一\ \ I , 1 瓤率fIH 图4激光检测系统频响 舰船科学技术第24卷 由于水听器灵敏度 T, 矶=rh(22) 且水听器与光束射在水面上的光点很近,可以认为水表面处的声压P相同.因而有 现 于是,不难得到 =一 200+201g(23) 式(23)qa已将水听器的灵敏度级mlg=一200dB代八. 实际上,式(23)是用比较法标校出激光检测系统灵敏度级的具体表达式.由式(23)可以得出结论:激光检 测系统的灵敏度是其系统性能的表征,它与发射声信号的功率,喇叭置于水中的深度等无关. 根据实验数据,绘出激光检测水下声信号系统的灵敏度级与频率的关系,即激光检测系统的频响,见图4. 由图4不难看出: (1)激光检测系统的灵敏度相当高,除10kHz外,其灵敏度均高于标准水听器(标准水听器的灵敏度级为 一 200dB,参考lV/1【); (2)在800Hz处,激光检测系统的灵敏度级最高达一153dB; (3)若按?3dB计,激光检测系统的频响曲线平坦部分可到2kHz.此后,随频率增高,下降很快,其原因是 激光检测系统接收机的电子线路的频响当时没柞那么宽的缘故.现正在对接收机频响加以改进. 为比较起见,在图5和图6中给出了激光检测系统和标准水昕器同时接收到的同一水下声信号的波形图, 信号频率为800P,z. ,, /\『.|/\|\|\|\{』 \//\||\|\/\| U __——__—— — n0L/I/L… ……………一 ? 图5激光检测系统接收到的水下声信号(f=800FIz)图6水听器接收到的水下声信号(f=800Hz) 参考文献 1R.Re,add”ieme.1ectticand叩al昂 er3forultrasoundfiddirns”Physikalisdr--TeehniseheBundesam~咖11一:C-er- many- 2C,elalflJ.QI”LaserpI她0fAeamllefieldsGroupedeV~huedesSoMesdeI’Universite’ParisiTour23,2 placeJussieu, 75251P81~$eedex06,Frame. ??0