激光-聲聯合探測中水表面聲波檢測方法進展

陳世哲，張曉琳，王　波，趙維杰，張可可，趙　強，吳玉尚

（1.山東省科學院海洋儀器儀表研究所，山東　青島　266001；2.哈爾濱工業大學　電氣工程及自動化學院，黑龍江　哈爾濱　150001）

激光-聲聯合探測中水表面聲波檢測方法進展

陳世哲1，張曉琳2，王波1，趙維杰1，張可可1，趙強1，吳玉尚1

（1.山東省科學院海洋儀器儀表研究所，山東青島266001；2.哈爾濱工業大學電氣工程及自動化學院，黑龍江哈爾濱150001）

激光-聲聯合探測技術在空基-水下通信、水下目標探測及海洋環境檢測等領域具有巨大的應用潛力，對于國家安全、資源勘探和海洋監測等具有重大意義。其中，水表面波檢測技術是激光-聲探測的關鍵技術。系統研究了水表面波檢測技術中常用的激光衍射法、光通量法、激光多普勒測振法和激光干涉法等方法，系統闡述和分析了其技術原理、發展現狀及存在的問題，結合我國當前的現狀和迫切需求，給出了水表面波檢測技術的發展趨勢，對該技術的研究和發展具有很好的參考價值。

激光技術；水表面聲波；水下通信；水下目標探測

隨著我國“建設海洋強國”、“一帶一路”戰略的實施，海洋在我國經濟發展、安全防御、能源開發等多個領域的作用越來越重要。激光—聲聯合探測技術是海洋環境下空基—水下通信、水下目標探測及海洋監測等領域的新興技術，對我國新型高端海洋裝備制造、深遠海探測與安保等多個領域具有重要作用［1-2］。

激光—聲聯合探測技術是指由空基設備發射一束激光到空氣—水界面上，通過檢測水下聲源引起的水表面的振動波形特征，進而獲得水下聲場特征信息的技術［3］。與傳統的船載聲納技術相比，激光—聲聯合探測技術無需將探測器置于水中，減少了對信息交換場所的限制，可實現大區域水下目標快速探測［4］。同時，鑒于激光—聲聯合探測技術可實現空中設備與水下目標之間的實時、寬帶遠距離通信等方面的優勢，一直是研究的熱點。本文系統闡述了激光—聲聯合探測技術，并綜合國內外的相關成果對其中的核心共性關鍵技術之一——水表面波檢測，進行系統分析，給出其發展趨勢，為我國在該領域的發展提供有效參考。

1　激光—聲聯合探測技術概述

早在1960年左右，美國海軍利用藍綠激光在清澈大洋中傳播距離遠的特性，曾對藍綠激光探潛技術進行過大量的研究，不過在近岸的混濁海水中，其衰減仍然比較嚴重，探測深度大大減小，這極大地限制了其應用范圍［5］。隨著現代激光技術、聲學與電子技術等交叉學科的發展，20世紀80年代提出利用激光—聲探測水下目標的新技術。1988年，美國的M.s.Lee［6］首次提出激光在水表面受水表面波動強度調制的理論，并通過檢測經水面位移幅度調制后的單模連續激光的反射光信號，成功檢測到了引起水面振動的水下聲信號。此后，該方法作為一種新興的探測技術，日益受到國內外的普遍關注。

激光—聲探測技術根據發射激光強度不同，大致可分為兩種情況。一種情況是發射激光能量足夠強，可以激發產生聲波，從而實現對水下目標的探測；另一種情況是，用激光探測水表面聲波，進而獲取水下聲場信息，從而實現水下設備的通信或水下目標的探測。該技術既克服了傳統聲納檢測必須將聲納置于水中的不足，又克服了藍綠激光水下嚴重衰減的問題，是一種機動靈活、快速準確遙感探測新途徑。

不過由于海上應用環境的復雜性，歷經多年科研，雖已取得了一定的研究成果，但其距離實際應用仍需要相當的研究工作。作為水上與水下信息交換的關鍵環節，水表面波檢測靈敏度和環境適應性的提高仍是研究的核心和難點。

2　水表面波檢測方法現狀

水表面聲波探測方法是獲取水下聲源信息的關鍵和難點，目前大都處于基礎理論和實驗室研究階段。1885年，英國物理學家Rayleigh［7］在研究地震波過程中首次將能量集中于固體或液體淺表層內傳播的彈性波統稱為表面聲波，其特點是在介質淺表層內傳播，其滲透深度約為一個波長，且隨深度快速衰減。通常情況下，水下聲源引起的水表面聲波振動幅值大約為幾十到幾百納米［8］，而且應用環境是復雜水表面，給檢測增加了相當的困難。水表面聲波的測量與檢測一直是表面波研究領域一個非常重要的課題，自20世紀60年代激光技術問世以后，更促進了水表面聲波檢測技術的發展［9］。

隨著新技術的發展，主要檢測方法有：激光衍射法、光通量法、激光多普勒測振法、激光干涉法等［10-11］。

2.1激光衍射法

1979年，Weisbuck等［12］首次提出基于衍射的水表面聲波光學檢測方法，其基本原理是：當用激光束照射水表面時，表面聲波對入射光而言可以看做一個衍射光柵，表面波頻率越高，衍射角分辨越大。衍射圖樣分布滿足光的衍射規律，這奠定了水表面聲波激光衍射檢測技術的理論基礎。2006年，Behroozi［13］等針對幾百赫茲的液體表面波，利用衍射光斑研究水波結構，但其實驗設備昂貴，難以實現。

國內以陜西師范大學的曲潤才教授為代表的學者從1996年以來對衍射法水表面波檢測方法進行了持續的研究，在理論上導出了調制圖樣光強度、條紋角寬度與表面聲波之間的解析關系［14］。

式中：Ir（φ）表示反射光強度；φ為衍射圖樣中某一衍射亮條紋到中央亮紋的角寬度；Λ為水表面波的波長；λ為光波波長；θ表示光的入射方向；θ-φ表示反射方向。

對于直接在液體表面激發產生的表面聲波，和水下聲源引起的表面聲波，采用激光衍射法實驗，得到了高反襯度的衍射圖樣，驗證了該方法檢測幾十到幾百赫茲液體表面聲波的可行性［15-16］。

圖1　激光衍射法原理示意圖及衍射光斑試驗結果

實驗表明，隨著水下聲信號到激光光束入射點水平距離的變化，衍射條紋的寬度也會發生變化，即距離越大，衍射條紋的寬度越小。該方法具有實時、非接觸、易于實現低頻信號探測的特點。不過，其入射激光為斜入射，和接收光電探測器之間夾角過大，實際應用中的探測系統結構比較大（如圖1中，觀察屏距入射點的距離約為5 m），影響其應用的環境適應性。

2.2激光光通量法

光通量法始于1988年，Lee［2］在基于水表面聲波探測識別水下聲信號的研究中，建立了接收光瞳上接收強度調制效應的簡單模型。其基本原理是：入射激光和光探測器位置固定，受接收器光瞳限制，從水面反射的光束僅有一部分進入探測器，而且包含了水表面波調整信息。光電探測器檢測到得信號主要包含外界背景光產生的直流分量和水面波動引起接收光通量變化的交流部分。設幅度調制指數m為交流信號與直流信號的比值，則調制指數、聲源頻率以及水下聲源引起水表面波動振幅之間的關系如式（2）所示。

式中：d為探測器到水面的距離；s0為聲波的振幅；wa為聲波頻率；r為探測器的接收光瞳大小。

在此基礎上，美國海軍海洋研究發展中心（NORDA）成功研發了探測水下聲信號的激光遙感方案，通過調制指數和聲源頻率計算水下聲源引起水表面波動的振幅。

國內，2002年崔桂華、李榮福等［17］在Lee提出的光通量法的基礎上，進一步解釋進入光接收器光通量與水表面波的變化規律，設強度為I0的激光束聚焦到水面x1到x2處，接收端的光通量Ф（t）與水表面波動之間的關系式如式（3）所示。

式中：ψ（x）為包含水表面波信息的水面x處的反射率。如圖2，在水槽中定量測定了激光檢測水下聲信號系統的檢測性能。結果表明：激光檢測系統的靈敏度普遍高于標準水聽器的靈敏度，在800 Hz處，激光檢測系統的靈敏度級最高，可達-153 dB。若按±3 dB計，激光檢測系統的頻響曲線平坦部分可到2 kHz，不過超出部分隨頻率增高，下降很快。

圖2　光通量法實驗裝置及頻響圖

2007年，桂林電子科技大學的李翼瀚［18］、安徽師范大學的秦慧平［19］等對激光光通量法的模型進行了分析，通過統計接收到的光線的變化規律，通過運算得到水表面微波的頻率特性，進而得到水下聲信號的信息。并通過實驗驗證了該方法的正確性，但實驗需要在平靜水面上才能得到預想效果。

2009年，哈爾濱工程大學的方爾正教授等［20］提出利用激光通量變化測量水表面質點振動位移的方法，分析了水面微振動的物理過程及其表象的水聲理論實質，并進行了水池試驗。設計了基于激光直接強度調制法的激光聲納探測系統。

采取調制光源作為探測信號，采用光敏二極管面陣作為接收組件，提高系統的靈敏度和抗干擾能力。結果表明，對于400 Hz～3 kHz的信號，在水面平靜甚至波動的情況下，能夠測得水下聲信號，從而證明利用激光探測水下聲信號的可行性。

圖3　激光直接強度調制法實驗結構及試驗結果

激光光通量法具有易于實現、結構簡單、接收光強探測面積大、抗干擾能力較好等優點。不過，光通量法是建立在進入探測器單位面積上的光通量均勻相等的基礎上，由于水波面的復雜形狀，不同時刻反射光線進入探測器的方向是不同的，導致測量存在一定的誤差；而且該方法基于光強探測，易于受外界環境的干擾，給探測帶來一些誤差。

2.3激光多普勒測振法

1999-2005年，Antonelli等［21-22］利用激光多普勒測振方法對水表面波探測水下聲場進行了系列研究。首先設計一套可以模擬水流和空氣流的水池試驗系統，利用商用激光多普勒測振計實現水表面波的測試，通過對靜態水面和3種不同動態水面進行測試，表明在2～50 kHz，靜態水面條件下時能夠測得的信號最小聲壓級為119 dB/μPa，證明該技術的可行性。隨后，針對探測光束的垂直入射和反射問題，在原有試驗系統上安裝反射光跟蹤系統，以實現微動水面上的測試。結果表明，跟蹤捕獲裝置可以自適應調節激光發射角度，從而保持光束能夠始終垂直入射水表面，解決了因振動表面傾角過大造成的光信號丟失問題。而且該反射光跟蹤系統能夠實現不同位置的單點探測，降低了掃描系統的復雜度，減少了光學掃描的數據量和時間，使探測系統的性能進一步提高，在靜態水面環境下40～60 kHz范圍內激光所能測得的最大表面聲壓級為156 dB/μPa。

2005-2006年，Blackmon等［23］進一步推進了基于激光多普勒的光聲—聲光雙向通信技術。下行通信，使用高能量脈沖激光經光聲轉換產生水下聲信號，非線性光聲轉換部分可以實現小于178 dB的聲壓級；上行通信，探測振動水面的多普勒頻率進而推導獲得水下聲壓級；通信過程中，在靜態水面環境下，光聲—聲光雙向通信系統的無誤碼數據傳輸率為6 000 bit/s。在模擬產生0.3 m/s水流和2.58 m/s空氣流的動態水面環境下，光聲—聲光雙向通信系統的無誤碼數據傳輸率降為900 bit/s。

激光多普勒測量具有體積小、測量精度高和結構簡單等特點，但反射面的性質、激光束會聚點因振動而離焦物體表面、散射激光束的強度分布、被測物體的表面效應、反射光的瞬時消失等都對測量結果產生影響。

2.4激光干涉法

2006年，Cray［24］等提出采用邁克耳遜干涉儀振動測量系統提高檢測靈敏度的方法。隨后的研究者對其又進行了完善和提高，重點發展了基于分立元件的激光干涉法和基于光纖的激光干涉法。激光干涉法的基本原理是，假定水下有一振動頻率為fs的聲源，其發聲時在水表面引起的水表面波用式（4）表示：

式中：As，fs，φs分別為由電水下聲源引起的水表面的振幅、頻率和相位。

用激光照射波動的水面，則散射光中攜帶了水表面聲波信息，它與參考光干涉，干涉光強信息用式（5）表示：

式中：I1，I2為兩相干光的光強；λ為光波波長，（L1-L2）為水面靜止時水面散射光與參考光的初始光程差。干涉光用光電探測器接收，得到交流光電信號U，對其進行解調可得到水表面波的頻率fs；對獲得的交流光電信號U進行傅里葉頻譜變換，根據水表面波散射光發生的多普勒頻移可獲得液體表面波的振幅As。

2.4.1基于分立元件的激光干涉法2010年，哈爾濱工業大學的張曉琳等［25-26］進行了基于激光干涉的水表面聲波探測技術的研究。設計的試驗結構如圖4（a）示，氦氖激光器發出的光經過1/4波片后成為圓偏振光，再經過半反半透鏡后分為兩束，一束向下作為參考光，另一束經反射鏡1后射向水面，經水面反射后，攜帶了水下聲信號的水面散射光經過望遠系統后，通過半反半透鏡BS后與參考光束會合，發生干涉現象。相干信號經過傅里葉變換后，得到頻譜分析圖，從而解調出水下聲信號頻率。衰減片的作用是使得參考光強變弱，以便得到較好的干涉效果。濾波片的作用是去除環境雜光的干擾。試驗結果表明該種方式可以有效檢測到幾百赫茲到幾十千赫茲的水下聲源信號。

用分立光學器件搭建激光干涉測量系統，易于實現，觀測精度也比較高，不足之處是實驗系統比較龐大，而且水面散射光非常微弱，干涉效果易受外界環境光、振動等干擾，通過進一步的光學系統及實驗環境改善等可以進一步提高其檢測精度。

圖4　基于分立元件的激光干涉法實驗系統結構圖及實驗結果

2.4.2基于光纖的激光干涉法隨著光纖傳感技術的發展，鑒于光纖體積小、重量輕、光路內部抗干擾能力強等優點，針對傳統分立元件光路設計中光路調節難度大、易受外界環境因素干擾等缺點，很多學者又發展了基于光纖的激光干涉水表面波檢測方法，代表性的有煙臺大學的全光纖光路設計的激光探測水下聲信號的實驗研究［27］和中科院的基于光纖激光多普勒測振的水表面波檢測研究［28-30］，驗證了基于光纖的激光干涉水表面波檢測的可行性。

2007-2009年，中科院上海光學精密研究所和中科院聲學所的學者通過對多普勒相干檢測方法的研究，開發了一套激光測報系統，通過對水面質點振動速度進行非侵入式探測，進而獲取水下聲信息。系統結構如圖5示。系統采用外差工作模式，收發同軸，激光器采用分布反饋光纖激光器，射出窄線寬1 550 nm激光，最大輸出功率100 MW。輸出激光入射到一個1×2可變光纖耦合器，其中一路激光作為本振光，另一路輸出經過聲光移頻器移頻55 MHz后進入光纖環行器，由光纖環行器經望遠鏡聚焦于水表面。返回信號光由相同的望遠鏡和光纖環行器接收。由于激光發射和接收采用同一光路，不僅光路簡單、易于調節，而且光學耦合效率高。光纖環行器輸出的回波信號與本振光進入3 dB光纖耦合器，由平衡光電探測器檢測相干信號，消除直流漂移，再經過正交信號處理后，獲得水面振動多普勒頻移的同相合正交分量，借助于高速數字化儀器，將兩個正交波形數字化，獲取數據后通過鑒頻器即可恢復水下聲信號。

圖5　基于光纖的干涉法實驗系統結構圖

表1　光纖激光干涉法實驗結果

通過在中科院聲學所水池進行的試驗驗證了多普勒相干激光檢測水下聲信息的可行性，水下聲源至于水下1.7 m，由表1，在水面平靜時，可以使用高效率的相干通信技術，接收端采用嵌入二階數字鎖相環的分數間隔判決反饋均衡器進行解碼，數據傳輸率高達5.6 kbps，基本無誤碼；而在水面波動時，由于反射激光抖動，導致了數據的丟失，數據傳輸率降低，最大為30 bps，且當水面波動較大時，誤碼嚴重。說明激光—聲通信在實際應用環境中的困難，也反映出，該技術研究的方向是進一步解決其在實際應用中的環境適應性和靈敏度問題。

該系統采用全光纖結構，便于系統集成。激光發射和接收采用同光軸收發，并利用光纖環行器分離發射和接收光路，光路簡單可靠。采用外差檢測，提高了光電信號的信噪比，增強了信號的抗干擾能力。不足之處是，光纖激光器光源發射功率較低，從激光器到探測水面長距離探測光信號較弱，易受外界雜散光干擾。

2.5幾種方法的比較

激光衍射檢測技術發展較早，能夠探測幾十到幾百赫茲的表面聲波，它的限制條件是表面聲波的頻率不能低于衍射條件。用該方法檢測水下聲源引起的水表面波動，要求在水下聲源不發聲時保持水面的靜止，這在水下聲信號的實際探測中很難實現。光通量法最為直接地證明了水下聲場的存在，因此國內外學者始終致力于這方面的研究，并不斷取得新進展。但由于它是基于水表面聲波對激光光強的調制作用，因此易于受到水面的自然波動、外界雜散光的影響。激光多普勒測振法可以將高精度的激光多普勒測量和自適應跟蹤調節裝置相結合，提高測量的準確度和環境適應性，實際試驗也證明了其優越性，不過它也存在易受反射面性質影響的不足。激光干涉法是近期發展起來的基于通用的邁克耳遜干涉原理的水面波檢測方法，具有精度高、結構緊湊等優點，但是由于形成干涉的測量光是水表面的散射光，光強與參考光差別很大，給測量造成一定的困難。各種方法的比較如表2所示，探測頻率范圍是參考文獻給出的代表性試驗的頻率范圍。

表2　幾種探測方法比較

3　發展與展望

綜上，國內外對水表面聲波探測技術的研究尚處于基礎理論和實驗室研究階段。目前國外在靜態水面環境下，光聲—聲光雙向通信系統的無誤碼數據傳輸率實驗可達6 kbps；我國中科院聲學所水池試驗水面平靜時數據傳輸率高達5.6 kbps，但是兩者在水面波動時，數據傳輸率大幅降低。水表面聲波探測由于信號非常微弱（水面聲波振幅大約幾十到幾百納米），而且實際海面非常復雜，靈敏度提高及環境適應性方面需要大力提高，未來的發展趨勢主要表現在如下幾方面：

（1）受海面復雜環境的影響，激光—聲探測技術發展的瓶頸仍然是復雜海況下探測的靈敏度和實用性，仍然是國際上研究的熱點和難點問題。

（2）對于由水面波動引起的光信號丟失問題，目前的解決方案是設計具有自適應跟蹤性能的系統幫助捕捉信號光，這可以在自適應跟蹤模型、自動控制理論和機電系統小型化等方面做進一步研究，以提高其自動跟蹤性能，以及優化系統結構。

（3）目前的主要檢測方法各有其優缺點，單一的一種方法很難滿足環境適應性，下一步可以通過多種檢測方法互相結合、互相補償、檢測數據的融合等方法提高水表面波檢測的靈敏度和環境適應性。

（4）為進一步提高檢測方法的環境適應性，可以一種或多種檢測方法組網布陣擴大檢測的范圍，通過海氣界面、水下環境對信號的干擾研究，提高檢測準確度。

水表面波檢測是激光聲探測的關鍵，隨著激光技術、電子信息技術和自動控制技術的發展，必將推動水表面波檢測技術向更高靈敏度和更高環境適應性方向發展。

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Review on the Progress of Water Surface Acoustic Wave Inspection for the Laser-Acoustic Detection Technique

CHEN Shi-zhe1，ZHANG Xiao-lin2，WANG Bo1，ZHAO Wei-jie1，ZHANG Ke-ke1，ZHAO Qiang1，WU Yu-shang1
1.Institute of Oceanographic Instrumentation，Shandong Academy of Sciences，Qingdao 266001，Shandong Province，China；
2.School of Electrical Engineering&Automation，Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，Heilongjiang Province，China

Laser-acoustic detection is a new technique with great potential for air-based and underwater communication，underwater target detection and marine environmental monitoring，which has considerable significance for China's national security，resources exploration and marine monitoring.Water surface acoustic wave inspection is one of the key techniques for laser-acoustic detection.After reviewing the history and current situation of water surface acoustic wave inspection，the major methods have been thoroughly analyzed，such as laser diffraction，laser luminous flux，laser Doppler vibration measurement and laser interference.Combined with China's technical status and pressing demand，the development trend of water surface acoustic wave inspection is presented in this paper，providing reference for the research and development of this technique.

laser technique；water surface acoustic wave；underwater communication；underwater target detection

TB561

A

1003-2029（2016）03-0001-07

10.3969/j.issn.1003-2029.2016.03.001

2015-09-24

山東省自然科學基金資助項目（ZR2013DM013，ZR2012DL14）；國家自然科學基金資助項目（61201097，61405106）；山東省攀登計劃資助項目

陳世哲（1975-），男，博士，研究員，主要從事光電信息檢測技術、海洋浮標監測技術等方面的研究。E-mail:chenshizhe1975@163.com