激光致聲探測水下目標分析

曹博文，龔 杭，汲 壯，嚴一民

(電子科技大學 物理電子學院，四川 成都 610054)

當前世界各國普遍使用吊放聲吶的方法來對水下目標進行遙感，這種方式不但失去了機動性和靈活性，而且還破壞了對被測目標探測的連續性，甚至有失掉目標的危險。激光致聲效應探測水下目標的設備均不與水接觸，只要將設備搭建在直升機上便可以高效地連續地對目標進行探測，而且也允許直升機在行進中進行水下探測，具有很大的機動性、靈活性和快速性，因此更不易丟失目標。1980年美國的G.D.Hickman及其同事用能量為5 J的CO2激光器測出的水深達20 m。除此外，根據文獻查詢有關探測水深目標的一些數據沒有太多的記載。因此對這項技術進一步跟蹤和探索很有必要。

利用激光致聲來探測水下目標有3個特點：一是它能在水中很遠的距離生成聲波；二是只要激光強度夠強，它能產生的聲波強度就會很強；三是產生的聲波是窄脈沖寬頻信號，這對遠距探測具有很重要的實用意義[1-2]。

激光聲遙感技術涉及的主要理論為激光致聲、聲波在不同介質的傳播以及信號處理方法等。

1 激光致聲基本原理

激光致聲是指大能量紅外脈沖激光打在水面上與水相互作用而在水中產生聲波。根據激光脈沖能量大小和相互作用區內能量密度及其時空分布，可以把激光輻射與水相互作用產生聲波的機制歸納為熱膨脹、汽化和介電擊穿。由于激光強度不夠，本文實驗時的致聲方式為熱膨脹致聲。

1.1 熱膨脹致聲

當激光脈沖能量較小、相互作用區的能量密度較低、水表面加熱達不到沸點溫度時，聲波的產生是由于水的不均勻加熱所引起的熱彈性壓力，此時聲激發的機制是熱膨脹。熱膨脹機制產生的聲壓強p可表示為[3]

(1)

式中，α為水的吸收系數，c1為水中聲速，E0為表面處的熱能密度，av為水的膨脹系數，cp是水的比熱容。

水對不同波長的激光有著不同的吸收能力，如圖1[3]所示，消光長度越短說明吸收能力越強。熱膨脹致聲對實驗設備要求低，但產生聲信號微弱。

圖1 水消光長度與聲波長關系

1.2 汽化致聲

當光脈沖能量增大，使水面局部溫度達到水的沸點時就產生汽化致聲。若水的初試溫度為T0,則達到沸點所需能量E為[3]

(2)

其中ρ為水的密度，Tboil為水的沸點，α為水的吸收系數。

相比熱膨脹致聲，這種致聲方式更為有效，但對激光強度要求更高。

1.3 介電擊穿致聲

當激光功率達到水的介電擊穿閾值(約107W/cm2)時，會發生水的光學擊穿。這時水的分子離解，形成等離子體，于是水與激光的作用變成了等離子體與光的作用。介電擊穿致聲產生的壓力可以近似地用球形炸藥水中爆炸半經驗公式表示。這種致聲方式致聲效果最好，但對器件的要求也最高。

2 聲波的傳播

2.1 激光致聲聲波特性

由于激光擊水點面積很小，故可以把波源看成是點波源，產生的聲波為球面波，一部分往空氣中傳播，另一部分向水中傳播。從頻譜看，該聲波是幾Hz到300kHz的寬頻波，其中在頻率0～20kHz和40kHz、75kHz、100kHz上強度最大。但由于在0～20kHz時環境噪聲大，同時高頻分量在水中衰減快，因此在實際應用中常使用25kHz～40kHz的分量。

2.2 聲波在水和空氣中的傳播

聲波在非理想媒質中傳播時，會隨著距離的增加而逐漸衰減，產生聲能轉變為熱能的耗散過程，這就稱為媒質中的聲衰減。引起媒質對聲波吸收的原因很多，在純媒質中產生聲吸收的原因是媒質的黏滯、熱傳導以及弛豫效應等。在非純媒質中，由于媒質中的懸浮微粒對媒質做相對運動的摩擦損耗，及聲波對粒子的散射而引起附加的能量耗散[4-5]。

與純水相比，海水中的聲吸收非常大。在海水中，聲吸收是由3種效應引起的:一種是切變黏滯性效應，二是體積黏滯性，三是在聲波頻率低于100kHz以下時，海水吸收的主要原因是硫酸鎂分子的離子弛豫[6]。考慮以上因素，聲波在海水中的衰減系數[6]1為：

(3)

聲波在空氣中傳播時，衰減與濕度有關，當濕度較大時衰減系數約為[3]

(4)

在水底反射和水面透射時也會產生衰減。在水底，衰減與水底介質有關，在泥沙底時反射衰減為6dB～10dB。在水面透射時，衰減與入射角有關，在入射角小于50°時衰減約為30dB，但入射角大于70°時，衰減急劇增大，70°時衰減為40dB，而入射角接近90°時，衰減達到100多dB[1]。

3 實驗與仿真

3.1 實驗儀器

實驗儀器：水槽(深度30cm)、大功率激光器、數字示波器(帶存儲功能)、U盤、放大器、鐵架臺、金鏡、微音器。

在本實驗中共使用了兩種型號的微音器，分別為NU40A25TR-1和NU23A25T/R-1，前者中心頻率為40kHz，后者為23kHz。同時，選擇了100W的CO2激光器作為實驗的激光源。首先氣體激光器的最大優點是單色性、方向性都比其他激光器要好。而CO2激光器是一種比較重要的氣體激光器，它具有以下幾個突出優點：功率大，能量轉換效率高，一般的CO2激光器可以做到幾十瓦的連續輸出功率[7-8]；CO2激光器能量密度大、功率高、波長長、工作穩定,是激光致聲的首選激光源。示波器使用的是LDS20205數字示波器。數字存儲示波器具有存儲信息功能，能對單次瞬變過程、非周期現象、低復頻率信號進行觀測[9]。

3.2 實驗方案

圖2為實驗儀器示意圖。調整光路，使激光打在水槽一側的水中，數字示波器開啟存儲功能后，打開激光器使激光經金鏡反射射至水面，然后用微音器接收聲波信號，并將聲信號轉換成電信號傳遞給放大器，將放大后的信號用數字示波器存至U盤。在實驗儀器布置時，微音器的位置應滿足一定要求，即使水下反射信號先到達微音器，以免防止此信號被更強的水面信號覆蓋。合適的微音器坐標可以由仿真實驗得出。

圖2 實驗裝置原理示意圖

3.3 仿真與分析

用Matlab編寫程序[10-12]，求出在不同接收點時，從水面傳來的信號與經水底反射信號到達微音器的時間差。仿真結果如圖3所示，其中x和y分別表示微音器的橫坐標和縱坐標，△t表示水底反射信號和水面信號到達的時間差。當Δt<0時代表水底反射信號先達到微音器。這里假定水深實際深度為5m。在實際實驗時，水深是一個需要測定的量。

圖3 不同接收點信號達到時間差

3.4 數據處理

在接收到信號后，根據信號時間差即可計算出水底深度。設d代表水深，a表示水底反射信號經反射到達水面時的距離，如圖4所示。a和d是未知量，v1和v2分別表示聲波在空氣與水中的速度，圖4中(0，0)表示激光入射點。

圖4 激光入射點

水底反射信號與水面信號到達微音器的時間差為

(5)

設：

(6)

(7)

(8)

式中θ1、θ2分別是聲波在水與空氣中的折射角。(6)～(8)式代表折射定理。但由于(5)～(8)計算結果有多組。這時就需要考慮聲信號在水與空氣中的傳播問題，根據接收信號的強度篩選出真實解。

3.5 實驗與分析

在實驗時用2個微音器都在水面接收到了聲波信號。使用NU23A25T/R-1微音器時信號更強，雖然這只微音器的靈敏度為-65dB，但輸出電壓約為8～9mV；而靈敏度更高的-90dB的NU40A25TR-1微音器輸出約為2mV。但由于23kHz工作頻率較低，NU23A25T/R-1微音器噪聲比NU40A25TR-1微音器的更大。圖5和圖6是實驗獲取的波形。圖中通道1為NU23A25TR-1的輸出電平，通道2為NU40A25TR-1的輸出電平。

圖5 激光入射前的示波器顯示的噪聲波形

微音器成功地接收到了聲波信號，若是使用陣列式微音器并同時提高單個微音器的靈敏度，信號的接受強度將更強，能接收到信號的范圍也就越廣，能檢測的水下目標也將更深。

圖6 接受信號示波器顯示的波形

然而由于實驗條件所限，在本次實驗時，我們并沒能從接受到的信號中區分出水面傳來的聲波與水底反射上來的聲波。這是由幾個原因造成的。第一，實驗空間過小，不能有效地把兩個信號區分開，導致水底反射信號被更強的水面信號覆蓋，從仿真也可以看出，接收點與擊水點相近時，兩個信號的時間間隔十分小，且水面信號會先到達微音器；第二，本次實驗使用的是單個微音器，接收效果不及陣列式設計的微音器，同時微音器的接收靈敏度也有待提高。

4 結束語

激光聲遙感技術是項新興的技術，然而在國內外該項技術都遠未得到普遍和廣泛使用。此課題在研究過程中通過實驗與仿真，得到了水下深度與聲波傳播時間差的關系曲線、及理論計算方法，因此可進一步分析和研究它的應用價值，同時加深并理解激光遙感技術對水下目標探測方面的物理意義。由于受到實驗設備條件限制，不可能獲得一個較優質的結果，其主要因素是信號微弱、環境噪聲大、微音器的靈敏度達不到設計要求等，這些缺陷的改進需要極高精度的微音器、濾波器和放大器。

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