水下聲信號激光檢測與處理技術

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，該設備布置在對應區域的海水表面即可對一定范圍內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完成水下高質量通信或者進行水下聲信號監督，相比傳統水聲換能器來說該技術具有激光檢測和處理速度快、不易受水體環境干擾等優點。

一、水下聲信號激光檢測與處理技術發展現狀

（一）國外水下聲信號激光檢測與處理技術現狀

水下聲信號激光檢測與處理技術既可以用于軍事領域中的水下聲信號檢測，又可以用于民事領域中的水下通信，因此國外在水下聲信號激光檢測與處理技術研究方面已經有很長時間的歷史。近年來，日本水下聲信號激光傳播技術采用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；沙特基于國內外水下聲信號激光檢測與處理技術的研究對不同波長、距離、水體對水下聲信號激光傳播技術的信息傳輸速率和誤碼率進行了分析和總結，進一步明確了其中的變化規律[1]。

（二）國內水下聲信號激光檢測與處理技術現狀

我國認識到了水下聲信號激光檢測與處理技術在軍事和民事領域中的關鍵作用，于是緊跟國外腳步對水下聲信號激光檢測與處理技術進行了研究。浙大研究人員使用激光聲源在32-QAM OFDM 調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；國防科學技術大學研究人員使用藍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

（一）水下激光通信系統

水下激光通信系統由接收機和發射機兩部分組成，接收機由收集光學系統、檢測器、信號處理三個模塊組成，發射機由信號處理、激光聲源、調制器、發射光學系統組成，發射機由信道與接收機相互連接。

（二）PPM 調制解調技術

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

（三）分集接收技術

分集接收技術指的是多個復合光學接收天線拼接而成的分級陣列式光學接收天線，該技術要求高聚光比、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接收范圍。

（四）收發系統對準技術

收發系統對準技術是一種點對點接收的激光通信技術，該技術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定性，但是這種激光通信接收器仍然以浮標形式存在，其隱蔽性、體積、能耗等方面的優勢的不容替代的。

（五）激光致聲技術

激光致聲技術通過熱膨脹機制、汽化機制、光擊穿機制、電致伸縮機制、光化學反應機制將激光信號轉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理論闡述

（一）熱膨脹機制

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

（二）光聲脈沖特性

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

（三）汽化機制理論

汽化機制指的是當被激光加熱的液體媒質溫度升高到一定程度之后，液態物質向氣態物質轉變，當氣態物質能量密度接近汽化熱時液體表明發生汽化，而增加激光聲源強度會導致氣態物質的能量密度直接大于液體汽化熱，最終液體表面發生劇烈汽化沸騰現象，此時可以在沸騰的液體中激發聲脈沖。

（四）表面微擾現象

水面與空氣的臨界面在水下聲場發生變化時會產生表面微擾現象，此時水面會產生表明橫向微波。表面微擾現象中產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）幅度調制理論

幅度調制理論指的是接收機的有效面積是有限的，如果從水面發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、聲波頻率等參數進行計算，最終得到的結果即接收機上產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系統實驗

（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、標準水聽器、測量水聽器、濾波器、數字信號采集器、計算機及其外部設備等裝置，分別對水下聲信號進行連續聲壓測量、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系統實驗主要使用激光器、控制電路、電光強度調制器、直流偏執電源、信號源、光電轉換器、示波器、摻鉺光纖放大器、采集卡、濾波器、數據處理器系統、水聽器、模擬海水等裝置。

（三）實驗結果與分析

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）實驗結果與理論對比

實驗結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時間成正比、與光聲脈沖的頻率成反比，根據激光致聲技術理論所得的頻譜分析結果可知實驗結構比較準確。

（五）全光纖激光致聲技術的可行性分析

全光纖激光致聲技術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進行水下聲信號通信，確定編碼和解碼方式之后通過發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動、示波器、激光器、光電轉換器、信號源、聲光調制器、光衰減器、耦合器、驅動、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）激光致聲技術實驗

激光致聲技術實驗共需要使用激光器、驅動電路、驅動、信號源、聲光調制器、隔離器、兩級摻鉺光纖放大器、采集卡、數據處理系統、鉺鐿共摻光纖放大器、濾波器、水聽器、隔離和聚焦系統、示波器、光電轉換器和液體介質。

六、共振聲池設計與高功率光纖激光致聲技術研究

（一）共振聲池設計

1.共振聲池理論

共振聲池即在常規的非共振聲池上加上一個亥姆霍茲共振器便構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生器、功率放大器、濾波器、數據采集和處理系統、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果。

（二）高功率光纖激光致聲技術實驗

1.光擊穿機制理論

當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聲波的機制為光擊穿機制。激光誘導液態物質產生擊穿的物理過程是伴隨著聲、光、熱、機械效應等一系列現象的復雜的物理過程。

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、信號處理系統等裝置，實驗最終可以得到脈沖激光的平均功率、脈沖重復頻率、單個脈沖激光的能量、峰值功率密度等參數結果，根據純水光擊穿閾值即可判斷高功率光纖激光致聲技術在水下聲信號激光檢測與處理中是否可行。

七、結論

綜上所述，水下聲信號激光檢測與處理技術在水下通訊方面具有廣泛應用前景，而高功率光纖激光致聲技術可以實現近距離隱蔽水下通訊，該技術無論在民事還是軍事領域都比較重要，但是該技術必須采用光聲轉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原理雖然比較可行，但是該技術想要實現大規模應用還需要一定的時間和成本。