水下聲信號激光檢測與處理技術(shù)

鞠闖

（中國船舶重工集團公司第七二六研究所，上海 201108）

水下聲信號激光檢測與處理技術(shù)既可以用于水下通信又可以用于檢測水下通信的激光聲信號，以往水下聲信號激光檢測與處理主要使用水聲換能器，該設(shè)備布置在對應(yīng)區(qū)域的海水表面即可對一定范圍內(nèi)的水下聲信號進行檢測，而后對水下聲信號進行處理即可獲取水下通信的內(nèi)容。目前則采用激光聲源對水下聲信號進行傳播、檢測和接收，而后通過激光致聲技術(shù)完成水下高質(zhì)量通信或者進行水下聲信號監(jiān)督，相比傳統(tǒng)水聲換能器來說該技術(shù)具有激光檢測和處理速度快、不易受水體環(huán)境干擾等優(yōu)點。

一、水下聲信號激光檢測與處理技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

（一）國外水下聲信號激光檢測與處理技術(shù)現(xiàn)狀

水下聲信號激光檢測與處理技術(shù)既可以用于軍事領(lǐng)域中的水下聲信號檢測，又可以用于民事領(lǐng)域中的水下通信，因此國外在水下聲信號激光檢測與處理技術(shù)研究方面已經(jīng)有很長時間的歷史。近年來，日本水下聲信號激光傳播技術(shù)采用LD 光源在清水中的信息傳輸速率達到了1.45Gbit/s，且誤碼率只有9.1×10-4；美國水下聲信號激光傳播技術(shù)同樣采用LD 光源在模擬海水中的信息傳輸速率達到了3Gbit/s，且誤碼率只有2.073×10-4；沙特基于國內(nèi)外水下聲信號激光檢測與處理技術(shù)的研究對不同波長、距離、水體對水下聲信號激光傳播技術(shù)的信息傳輸速率和誤碼率進行了分析和總結(jié)，進一步明確了其中的變化規(guī)律[1]。

（二）國內(nèi)水下聲信號激光檢測與處理技術(shù)現(xiàn)狀

我國認(rèn)識到了水下聲信號激光檢測與處理技術(shù)在軍事和民事領(lǐng)域中的關(guān)鍵作用，于是緊跟國外腳步對水下聲信號激光檢測與處理技術(shù)進行了研究。浙大研究人員使用激光聲源在32-QAM OFDM 調(diào)制模式下的信息傳輸速率達到了4.883Gbit/s，且誤碼率只有3.2×10-3；臺灣大學(xué)研究人員采用LD 光源在海水中的信息傳輸速率達到了7.2Gbit/s，且信號傳輸距離大于6.8m；國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究人員使用藍(lán)綠激光聲源在海水中進行通信，驗證了全光纖水聲通信激光生源的可行性[2]。

二、水下聲信號常見的激光檢測與處理技術(shù)

（一）水下激光通信系統(tǒng)

水下激光通信系統(tǒng)由接收機和發(fā)射機兩部分組成，接收機由收集光學(xué)系統(tǒng)、檢測器、信號處理三個模塊組成，發(fā)射機由信號處理、激光聲源、調(diào)制器、發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)組成，發(fā)射機由信道與接收機相互連接。

（二）PPM 調(diào)制解調(diào)技術(shù)

PPM 調(diào)制解調(diào)技術(shù)指的是由N 組二進制數(shù)映射成的2n 個時隙組成的單個脈沖信號，其光輻射功率比較低，當(dāng)n 大于16 時PPM 調(diào)制解調(diào)技術(shù)的功率利用率比OOK 調(diào)制解調(diào)技術(shù)高，因此功率衰減偏大的通信環(huán)境比較適合使用PPM 調(diào)制解調(diào)技術(shù)[3]。

（三）分集接收技術(shù)

分集接收技術(shù)指的是多個復(fù)合光學(xué)接收天線拼接而成的分級陣列式光學(xué)接收天線，該技術(shù)要求高聚光比、接收到的光斑均勻性好、接收視場角大才能提高信噪比和動態(tài)接收范圍。

（四）收發(fā)系統(tǒng)對準(zhǔn)技術(shù)

收發(fā)系統(tǒng)對準(zhǔn)技術(shù)是一種點對點接收的激光通信技術(shù)，該技術(shù)增加了接收器天線的有效接收面積，提高了水下激光通信的可靠性和穩(wěn)定性，但是這種激光通信接收器仍然以浮標(biāo)形式存在，其隱蔽性、體積、能耗等方面的優(yōu)勢的不容替代的。

（五）激光致聲技術(shù)

激光致聲技術(shù)通過熱膨脹機制、汽化機制、光擊穿機制、電致伸縮機制、光化學(xué)反應(yīng)機制將激光信號轉(zhuǎn)換為電信號進行檢測和處理，從而完成水下激光通信。

三、水下聲信號激光致聲技術(shù)理論闡述

（一）熱膨脹機制

熱膨脹機制指的是當(dāng)激光入水之后由于光強較低導(dǎo)致受激液體分子發(fā)生無輻射的弛豫過程，而后液體媒質(zhì)吸收光能被瞬時加熱膨脹，最終向周圍介質(zhì)中輻射脈沖聲波。

（二）光聲脈沖特性

當(dāng)液體媒質(zhì)對激光的吸收系數(shù)很小時，在液體媒質(zhì)中激發(fā)的光聲源為柱面聲源，激發(fā)的聲波為柱面聲波；若把激光束聚焦到液體中，可形成球面光聲源，激發(fā)的聲波為球面聲波；若平面光聲脈沖光束直徑遠(yuǎn)大于液層厚度，則在液面附近形成一面聲源。

（三）汽化機制理論

汽化機制指的是當(dāng)被激光加熱的液體媒質(zhì)溫度升高到一定程度之后，液態(tài)物質(zhì)向氣態(tài)物質(zhì)轉(zhuǎn)變，當(dāng)氣態(tài)物質(zhì)能量密度接近汽化熱時液體表明發(fā)生汽化，而增加激光聲源強度會導(dǎo)致氣態(tài)物質(zhì)的能量密度直接大于液體汽化熱，最終液體表面發(fā)生劇烈汽化沸騰現(xiàn)象，此時可以在沸騰的液體中激發(fā)聲脈沖。

（四）表面微擾現(xiàn)象

水面與空氣的臨界面在水下聲場發(fā)生變化時會產(chǎn)生表面微擾現(xiàn)象，此時水面會產(chǎn)生表明橫向微波。表面微擾現(xiàn)象中產(chǎn)生的橫向微波包括色散波、非色散波、表面張立波、重力波、中頻波等，其傳播速度在10cm/s～100cm/s。

（五）幅度調(diào)制理論

幅度調(diào)制理論指的是接收機的有效面積是有限的，如果從水面發(fā)射過來的光束進入接收機，則其中部分光束會丟失。而偏離部分的光束可以通過聲波的幅度、聲波數(shù)、聲波頻率等參數(shù)進行計算，最終得到的結(jié)果即接收機上產(chǎn)生的恒定光通量的交流部分值。

四、水下聲信號全光纖激光致聲技術(shù)系統(tǒng)實驗

（一）水聲計量測試

水聲計量測試主要使用激光信號源、功率放大器、標(biāo)準(zhǔn)水聽器、測量水聽器、濾波器、數(shù)字信號采集器、計算機及其外部設(shè)備等裝置，分別對水下聲信號進行連續(xù)聲壓測量、脈沖聲壓測量，脈沖聲壓測量過程中需要對脈沖寬度和周期進行選擇。

（二）實驗裝置選擇

水下聲信號全光纖激光致聲技術(shù)系統(tǒng)實驗主要使用激光器、控制電路、電光強度調(diào)制器、直流偏執(zhí)電源、信號源、光電轉(zhuǎn)換器、示波器、摻鉺光纖放大器、采集卡、濾波器、數(shù)據(jù)處理器系統(tǒng)、水聽器、模擬海水等裝置。

（三）實驗結(jié)果與分析

小容器中采集卡20ms 可以收到聲脈沖信號，探測到信號的半峰值幅度為600mV、峰值聲壓級為130dB，聲源譜級為105dB。大容器中采集卡500ns收到聲脈沖信號，探測到信號的半峰值幅度為400mV、峰值聲壓級為125dB，聲源譜級為106dB。

（四）實驗結(jié)果與理論對比

實驗結(jié)果與理論對比可知光脈沖等效脈寬的長度與聲脈沖的持續(xù)時間成正比、與光聲脈沖的頻率成反比，根據(jù)激光致聲技術(shù)理論所得的頻譜分析結(jié)果可知實驗結(jié)構(gòu)比較準(zhǔn)確。

（五）全光纖激光致聲技術(shù)的可行性分析

全光纖激光致聲技術(shù)可以獲得聲源譜級為105～106dB 的光聲脈沖，而且其頻率為10～20kHz 之間，因此完全可以基于全光纖激光致聲技術(shù)進行水下聲信號通信，確定編碼和解碼方式之后通過發(fā)射機和接收機即可進行水下聲信號的激光檢測與處理。

五、水下聲信號激光致聲技術(shù)鉺鐿共摻光纖放大器實驗

（一）鉺鐿共摻放大理論

水下聲信號激光致聲技術(shù)鉺鐿共摻光纖放大器的原理是抑制鉺離子簇的形成，這樣鉺離子簇的形成之后鉺鐿共摻光纖的能級發(fā)生變化，而能級躍遷到上一級別之后即可增加鉺鐿共摻光纖接收器的有效截面積和吸收帶寬。

（二）鉺鐿共摻放大器脈沖激光放大特性實驗

鉺鐿共摻放大器脈沖激光放大特性實驗共使用激光器驅(qū)動、示波器、激光器、光電轉(zhuǎn)換器、信號源、聲光調(diào)制器、光衰減器、耦合器、驅(qū)動、光隔離器、摻餌光放大器、鉺鐿共摻光纖放大器、光隔離器等裝置。

（三）激光致聲技術(shù)實驗

激光致聲技術(shù)實驗共需要使用激光器、驅(qū)動電路、驅(qū)動、信號源、聲光調(diào)制器、隔離器、兩級摻鉺光纖放大器、采集卡、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、鉺鐿共摻光纖放大器、濾波器、水聽器、隔離和聚焦系統(tǒng)、示波器、光電轉(zhuǎn)換器和液體介質(zhì)。

六、共振聲池設(shè)計與高功率光纖激光致聲技術(shù)研究

（一）共振聲池設(shè)計

1.共振聲池理論

共振聲池即在常規(guī)的非共振聲池上加上一個亥姆霍茲共振器便構(gòu)成亥姆霍茲共振聲池，使其具備聲放大功能和共振增強特性，這樣即可讓共振聲池具備聲濾波和避開低頻噪聲的作用。

2.共振聲池放大性能實驗

共振聲池放大性能實驗共需要信號發(fā)生器、功率放大器、濾波器、數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)、水池、水聽器、亥姆霍茲共振器、聲源等裝置，即可得到不同頻率下水池和共振腔中的聲信號實驗結(jié)果。

（二）高功率光纖激光致聲技術(shù)實驗

1.光擊穿機制理論

當(dāng)高功率激光作用于液體中時，若作用的激光能量密度超過液體的擊穿閾值，則激光與液體作用激發(fā)聲波的機制為光擊穿機制。激光誘導(dǎo)液態(tài)物質(zhì)產(chǎn)生擊穿的物理過程是伴隨著聲、光、熱、機械效應(yīng)等一系列現(xiàn)象的復(fù)雜的物理過程。

2.光擊穿機制實驗

光擊穿機制實驗共需要驅(qū)動電路、光纖激光器、光頭、聚焦透鏡、透聲樣品池、水聽器、濾波器、采集卡、信號處理系統(tǒng)等裝置，實驗最終可以得到脈沖激光的平均功率、脈沖重復(fù)頻率、單個脈沖激光的能量、峰值功率密度等參數(shù)結(jié)果，根據(jù)純水光擊穿閾值即可判斷高功率光纖激光致聲技術(shù)在水下聲信號激光檢測與處理中是否可行。

七、結(jié)論

綜上所述，水下聲信號激光檢測與處理技術(shù)在水下通訊方面具有廣泛應(yīng)用前景，而高功率光纖激光致聲技術(shù)可以實現(xiàn)近距離隱蔽水下通訊，該技術(shù)無論在民事還是軍事領(lǐng)域都比較重要，但是該技術(shù)必須采用光聲轉(zhuǎn)換效率和生源級比較高的全光纖激光生源才能完成水下通訊，因此高功率光纖激光致聲技術(shù)原理雖然比較可行，但是該技術(shù)想要實現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用還需要一定的時間和成本。