海氣信道下激光致聲下行水聲通信系統(tǒng)探討

黃靈鷺，何 寧，馮太琴，何志毅

(桂林電子科技大學(xué)信息與通信學(xué)院，廣西桂林541004)

1 引言

隨著人類海洋活動(dòng)的日益頻繁，水聲通信已不再局限于最初的軍事領(lǐng)域，而是拓展到更廣泛的領(lǐng)域，如水下語音通信、工業(yè)用海岸遙測(cè)、水下機(jī)器人和海上平臺(tái)的遙控指令傳送、海底勘探數(shù)據(jù)與圖像的傳輸、水環(huán)境系統(tǒng)中的污染監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸、水文站的采集數(shù)據(jù)傳輸?shù)鹊取?/p>

在透明的液體如淡水或海水中，當(dāng)激光脈沖在能量和功率上均達(dá)到或超過該液體的作用閾值時(shí)，會(huì)產(chǎn)生聲波，該現(xiàn)象稱為激光致聲。當(dāng)從空中向水中發(fā)射一串帶信息編碼的激光信號(hào)，激光將在水中轉(zhuǎn)換為聲信號(hào)，水下目標(biāo)接收該聲信號(hào)并恢復(fù)編碼信息，實(shí)現(xiàn)海氣信道中空中到水下的激光致聲通信。

傳統(tǒng)的空中到水下通信方式如激光對(duì)潛通信，是利用藍(lán)綠激光在海水的傳輸?shù)蛽p耗窗口而直接進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)視距通信，這種通信性能受海浪、海底浪涌等海洋環(huán)境影響較大。而利用激光致聲實(shí)現(xiàn)的空中到水下目標(biāo)通信，由于水下聲波沿不同方向傳播，水下目標(biāo)可在偏離激光徑向方向上完成信號(hào)接收，這樣大大降低水下目標(biāo)被發(fā)現(xiàn)的可能，提高了水下目標(biāo)的生存能力。

2 激光致聲原理

激光致聲指物質(zhì)受強(qiáng)度調(diào)制的光照射時(shí)，產(chǎn)生聲信號(hào)的現(xiàn)象，也稱光聲效應(yīng)。激光致聲主要與激光的能量密度和激光與液體的位置有關(guān)，一般可分為熱膨脹(熱彈)、汽化(表面汽化)、光擊穿(介質(zhì)光擊穿)三種機(jī)制［1－2］。熱膨脹機(jī)制的光聲轉(zhuǎn)換效率η較小(η=聲波能量/激光能量)小于10－4;汽化機(jī)制的η約為10－3～10－2;光擊穿機(jī)制η可達(dá)10% ～30%。

光擊穿機(jī)制會(huì)產(chǎn)生較高的聲源級(jí)，但這種機(jī)制的聲脈沖信號(hào)波形重復(fù)性不高，不利于編碼傳輸，且這種方法需對(duì)激光束進(jìn)行聚焦，焦點(diǎn)位于液面下，難以在海氣環(huán)境中實(shí)現(xiàn)。熱膨脹激光聲信號(hào)雖轉(zhuǎn)換效率低，但其具可控性和重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)，很多學(xué)者對(duì)熱膨脹激光聲信號(hào)應(yīng)用于水聲通信進(jìn)行了較為深入的研究，本文主要從實(shí)驗(yàn)角度研究基于熱膨脹機(jī)制下的水聲信號(hào)傳輸特性及通信系統(tǒng)搭建。

對(duì)理想流體(如均勻的水)，熱膨脹機(jī)制下激光引發(fā)水下聲波的光聲波可描述為［3］:

式中，p為聲壓;c為水下聲速;β為液體膨脹系數(shù);Cp為液體的比熱;H(x，y，z，t)為單位時(shí)間單位體積液體吸收并轉(zhuǎn)化成的熱量密度，與激光和作用液體媒質(zhì)的特性密切相關(guān)，因而很難對(duì)式(1)求出統(tǒng)一的解析解。對(duì)于特定情況，如激光垂直入射到水面，式(1)的解可以用確切的解析式表示，文獻(xiàn)［3］給出垂直入射水面情況下的解析。文獻(xiàn)［4］給出約束邊界下當(dāng)激光脈沖波形分別為正弦波、三角波和高斯波時(shí)激發(fā)的光聲脈沖的解析解。

3 激光聲信號(hào)的傳輸特性

聲波在海水中傳播時(shí)，由于海水中溶質(zhì)的黏滯性、熱傳導(dǎo)、弛豫效應(yīng)等使聲能轉(zhuǎn)化為熱能，從而出現(xiàn)聲能的損失。聲在海水介質(zhì)中傳播時(shí)造成損失的原因主要有:1)擴(kuò)展損耗;2)吸收損耗;3)邊界損耗，其中主要考慮吸收損耗。吸收損耗與海水成分、溫度、壓力、聲波的頻率及傳播方式有關(guān)，介質(zhì)的吸收除了由介質(zhì)本身的物理性質(zhì)所決定外還取決于介質(zhì)中的非均勻物質(zhì)，如氣泡、懸浮粒子、微生物等也將產(chǎn)生附加吸收。

一般海水吸收損耗的經(jīng)驗(yàn)公式［5］:

式中，吸收損耗a，dB/m;ρF≈1000 kg/m3(水的密度);cF≈1504 m/s(含鹽度為35‰，溫度T=14℃時(shí)水的聲速);μF≈1．2×10－3N·s/m3(T=14 ℃時(shí)水的粘滯系數(shù));μ'F≈3．3×10－3N·s/m2(T=14℃時(shí)水的粘滯系數(shù));frm=21．9×10［6－1520/(T+273)］，kHz(硫酸鎂的弛豫頻率);frb≈0．9 ×(1．5)T/18，kHz(硼酸鹽弛豫頻率);A'=2．03 ×10－5，dB/(kHz·m·10－3);A″=1．2 × 10－4dB/(kHz·m);s為含鹽度，‰;f為聲波頻率，kHz;p為表計(jì)靜水壓，Pa。

由式(2)知，如在15℃同水溫情況下，海水對(duì)5 kHz信號(hào)每公里衰減0．26 dB，對(duì)50 kHz信號(hào)衰減17 dB，而當(dāng)信號(hào)頻率為500 kHz時(shí)，每公里衰減130 dB，即在相同環(huán)境中，傳輸信號(hào)的頻率越高，水的吸收損耗越大。

根據(jù)以往學(xué)者的實(shí)驗(yàn)結(jié)論，聲源級(jí)180 dB主頻25 kHz的聲信號(hào)在水介質(zhì)中的傳播距離可達(dá)上千米［6］。

4 系統(tǒng)組成及實(shí)驗(yàn)測(cè)試分析

4．1 系統(tǒng)組成

激光致聲下行通信的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 激光致聲下行通信系統(tǒng)框圖Fig．1 Laser acoustic effect downlink underwater acoustic communication system

系統(tǒng)用激光器為Nd∶YAG調(diào)Q類型，其工作波長1．064 μm，脈沖寬度10 ns，光束半徑6 mm，輸出激光單脈沖能量50～300 mJ可調(diào)，實(shí)驗(yàn)用水槽水深1 m。激光光束經(jīng)全反鏡后垂直入射水中，通過控制激光束能量獲得激光致聲的不同作用效果，用水聽器采集水中聲信號(hào)送信號(hào)處理，完成激光下行水聲信號(hào)接收處理。

激光光束最大能量密度約為0．27 J/cm2，遠(yuǎn)小于汽化機(jī)制的發(fā)生閾值，可保證激光與水的作用機(jī)制為熱膨脹。

4．2 能量轉(zhuǎn)換與聲波形分析

4．2．1 激光能量與致聲效率關(guān)系

激光致聲能量轉(zhuǎn)換效率是指水下聲脈沖的能量Esound/J與投射到水表面的激光脈沖能量Elaser/J之比，用 η /%表示［2］。

透射到水表面激光脈沖能量表達(dá)式為:

其中，ε0為激光束的能量密度;S為激光束橫截面;t為激光束持續(xù)時(shí)間。

水下聲脈沖能量表達(dá)式為:

其中，ρ0為水的初始密度;c0為水中聲速;p為水中聲脈沖壓力。

將式(3)、(4)帶入激光－聲效率公式有:

實(shí)驗(yàn)中，保持激光器光脈沖時(shí)間、光斑面積，換能器及其他條件不變，激光能量與聲脈沖轉(zhuǎn)成的電信號(hào)強(qiáng)度關(guān)系曲線如圖2所示。

圖2 單激光束能量與水聽器輸出電壓關(guān)系Fig．2 Relationship of the single laser beam energy and hydrophone output voltage

圖2 中看到，入射激光束能量在70～290 mJ內(nèi)變化時(shí)，與其對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)基本呈線性，激光－聲效率可視為一定值。

4．2．2 激光致聲信號(hào)特征分析

實(shí)驗(yàn)測(cè)得激光與水介質(zhì)發(fā)生相互作用后，接收的激光聲信號(hào)如圖3所示。

圖3 激光聲信號(hào)波形圖Fig．3 Waveform of laser acoustic signal

圖3 (a)為一定重復(fù)頻率作用下激光入射水里激勵(lì)的聲脈沖波形，激光能量滿足激發(fā)條件下產(chǎn)生的聲波波形連續(xù)穩(wěn)定。圖3(b)為單次激光入射水中激勵(lì)的單次聲脈沖展開圖，其左半部分為無聲信號(hào)情況下噪聲信號(hào)，右半部分為激光聲信號(hào)。

對(duì)圖3(b)所示激光聲信號(hào)進(jìn)行頻域分析，其分析結(jié)果如圖4所示。

圖4(a)為截取的圖3(b)中前半段噪聲對(duì)應(yīng)的噪聲譜，圖4(b)為截取的圖3(b)中后半段激光聲信號(hào)對(duì)應(yīng)的激光聲信號(hào)譜。對(duì)比圖4(a)、4(b)，噪聲最大譜出現(xiàn)于105 kHz附近，而激光聲信號(hào)頻譜主要分布于60 kHz以下，且噪聲的能量相對(duì)有用信號(hào)能量小很多，可用濾波方法將噪聲與信號(hào)分離。另由式(2)知，高頻聲信號(hào)在水中衰減系數(shù)極大，尤其是500 kHz以上聲信號(hào)遠(yuǎn)距離傳輸難以實(shí)現(xiàn)，圖4(a)、4(b)中僅給出0～500 kHz頻譜圖。

圖4 噪聲和激光聲頻譜圖Fig．4 Spectrum of the noise and laser acoustic signal

4．3 數(shù)據(jù)傳輸測(cè)試

利用激光聲實(shí)現(xiàn)空中到水下數(shù)字通信，可采用的通信方式很多，如 ASK、FSK、MFSK 等［3，7］。系統(tǒng)的激光聲信號(hào)流圖如圖5所示。

圖5 激光聲信號(hào)信號(hào)流圖Fig．5 Graph of laser acoustic signal

系統(tǒng)發(fā)射控制電路實(shí)現(xiàn)對(duì)激光器外部觸發(fā)，將數(shù)字信號(hào)加載到調(diào)Q激光器。已調(diào)激光經(jīng)激光致聲效應(yīng)后轉(zhuǎn)為水下聲信號(hào)，經(jīng)水聽器接收模塊進(jìn)行聲信號(hào)放大、濾波整形及碼元恢復(fù)處理，可用示波器測(cè)量恢復(fù)的TTL電平信號(hào)。

實(shí)驗(yàn)用Nd∶YAG固體激光器的重復(fù)頻率范圍為1～20 Hz，系統(tǒng)采用基頻可調(diào)ASK調(diào)制方式，其脈沖位置間隔變化控制在激光器的重頻內(nèi)，而輸出的脈沖能量隨頻率增加稍有減小，但減小值低于3%，對(duì)通信影響不大。

綜合考慮傳輸通用性及數(shù)據(jù)傳輸速率，傳輸信號(hào)幀結(jié)構(gòu)如圖6所示，無信息傳輸時(shí)輸出常低，有信號(hào)傳輸時(shí)輸出數(shù)據(jù)幀。一幀數(shù)據(jù)長度為11位，起始為2 bit高電平，高電平間隔定義數(shù)字發(fā)射基頻;數(shù)據(jù)位為8 bit，其高低電平由傳輸?shù)男畔Q定;最后1 bit高電平為幀結(jié)束標(biāo)志。

圖6 基頻可調(diào)的ASK幀結(jié)構(gòu)Fig．6 Frame structure of adjustable baseband ASK modulation

圖7 所示為示波器采集到的基頻分別為10 Hz和20 Hz帶編碼的信號(hào)圖。

圖7 基頻不同－碼元不同的信號(hào)圖Fig．7 Signal diagram with different baseband and different code

圖7 中(a)、(b)內(nèi)1序列為水聽器經(jīng)前置放大輸出信號(hào)，2序列為1序列再經(jīng)主放大后進(jìn)行低通濾波，過零整形輸出的TTL信號(hào)，圖7(a)示傳輸碼為11101011111，圖7(b)示傳輸碼為11101011011。在接收端信號(hào)脈沖幅度不大的情況下(圖7中1序列示)，采用低通濾波及相關(guān)信號(hào)處理方法，可從噪聲中分離出信號(hào)，改善系統(tǒng)傳輸。在現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)水深條件下，激光器輸出單脈沖能量為60m J即可完成光聲轉(zhuǎn)換和信號(hào)傳輸。實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)不同水環(huán)境，選擇合適的激光能量可實(shí)現(xiàn)激光水下聲通信。

5 結(jié)論

根據(jù)水下聲通信環(huán)境，采用能量型脈沖激光器可有效實(shí)現(xiàn)下行水聲通信。實(shí)驗(yàn)利用激光器輸出的發(fā)散光斑直接完成激光到聲波的轉(zhuǎn)化，光路結(jié)構(gòu)簡單，增加了實(shí)際應(yīng)用的可能。通過對(duì)激光致聲水下通信系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明，激光致聲水下通信方式具有可行性;轉(zhuǎn)換聲能量與激光能量成正比;激光致聲的聲譜與噪聲譜是分離的譜線，可以用濾波的方法分離信號(hào)及噪聲;利用基頻可調(diào)的ASK調(diào)制方式可實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)的傳輸及恢復(fù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果，為后續(xù)應(yīng)用研究提供參考依據(jù)。

［1］ LIFurong，CUIGuihua，TIANG Zuo － xi，etal．Laster－ acoustic Remote Sensing Technique［M］．Beijing:National Defence Industry Press，2003:13 －19．(in Chinese)李榮福，崔桂華，田作喜，等．激光聲遙感技術(shù)［M］．北京:國防工業(yè)出版社，2003:13－19．

［2］ CHEN Qingming，CHENG Zuhai，ZHU Haihong．Laser A-coustic Energy Conversion Efficiency Induced by Pulse Laser in Water［J］．Chinese Journal of Lasers，2007，34(3):341 －344．(in Chinese)陳清明，程祖海，朱海紅．脈沖激光在水中激發(fā)聲脈沖的光聲轉(zhuǎn)換效率［J］．中國激光，2007，34(3):341－344．

［3］ PENG Shui，ZHANG Mingmin，WANG Jiangan．Research on Generation of narrow－band Acoustic Signals Based on Thermoelasticmechanism［J］．Journal of Optoelectronics．laser，2012，23(5):885 －890．(in Chinese)彭水，張明敏，王江安．熱膨脹機(jī)制產(chǎn)生窄帶激光聲信號(hào)的方法研究［J］．光電子·激光，2012，23(5):885－890．

［4］ LIQiushi，NIMing，LUO Hong，et al．Effects of Laser PulseWaveform on Characteristic of Acoustic Waves Generated through Thermoelastic Mechanism in Liquid［J］．Semiconductor Optoelectronics，2010，31(3):478 － 484．(in Chinese)李秋實(shí)，倪明，羅洪，等．激光脈沖波形對(duì)液體中熱膨脹機(jī)制致聲特性的影響［J］．光電技術(shù)應(yīng)用，2010，31(3):478－484．

［5］ HUI Junying，SHENG Xueli．Underwater Acoustic Channel［M］．2nd ed．Beijing:National Defence Industry Press，2007:18 －20．(in Chinese)惠俊英，生雪莉．水下聲信道［M］．2版．北京:國防工業(yè)出版社，2007:18－20．

［6］ WANG Xiaoyu，WANGJiangan，ZING Siguang，et al．Experimental study on communication using Laster－generated sound［J］．Laser＆ Infrared，2011，41(8):856 －860．(in Chinese)王曉宇，王江安，宗思光，等．激光聲信號(hào)作為通信聲源的實(shí)驗(yàn)研究［J］．激光與紅外，2011，41(8):856－860．

［7］ Blackmon F，Antonelli L，Remote．Aerial Trans － Layer Linear and Non－Linear Downlink Underwater Acoustic Communication［J］．OCEANS，2006:1 －7．