利用激光技術(shù)探測(cè)水下目標(biāo)的基本想法

利用激光技術(shù)探測(cè)水下目標(biāo)的基本想法激光竊聽技術(shù)在水聲信號(hào)檢測(cè)中的研究一.研究目的如何進(jìn)行有效的水下聲信號(hào)檢測(cè)與處理一直以來(lái)都是各國(guó)研究的重點(diǎn)，當(dāng)前使用的水下聲信號(hào)檢測(cè)與處理設(shè)備大多利用布放水中的水聲換能器來(lái)進(jìn)行檢測(cè)，再利用后續(xù)信號(hào)處理電路進(jìn)行處理，對(duì)于大范圍的艦載/機(jī)載掃描檢測(cè)多有不便。迄今為止,已經(jīng)投入使用或正在研制的很多水中目標(biāo)探測(cè)設(shè)備的接收換能器往往都置于水中，換能器置于水中，就大大限制了水下目標(biāo)探測(cè)設(shè)備的數(shù)據(jù)獲取速率及探測(cè)的機(jī)動(dòng)性。我們都知道聲波在水中的傳播是最好的，而激光在空氣中能很好地傳播，如果我們?cè)诳罩欣眉す鈦?lái)檢測(cè)水中聲波，使兩種物理場(chǎng)在水面處結(jié)合起來(lái)，就會(huì)形成較強(qiáng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。激光竊聽器技術(shù)給了我們最初的啟示，利用激光竊聽技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)水中聲源聲信號(hào)探測(cè)使我們研究的方向。激光水聲探測(cè)技術(shù)可遠(yuǎn)距離、非接觸地在空中平臺(tái)上測(cè)量水表面的振動(dòng)速度,進(jìn)而獲得水下聲場(chǎng)振動(dòng)頻率，從而得到水下目標(biāo)的聲信號(hào)。它在未來(lái)的海洋探測(cè)中具有巨大的應(yīng)用前景。.研究?jī)?nèi)容現(xiàn)在國(guó)外已經(jīng)成功研究出了激光竊聽技術(shù)，其主要利用激光照射到目標(biāo)玻璃、墻壁以及天花板等介質(zhì)，所產(chǎn)生的反射及散射光經(jīng)接收后進(jìn)行相關(guān)處理，便可還原所竊聽目標(biāo)的聲信息。激光竊聽，就是利用激光具有極好的相干性、方向性等特性，用一束極細(xì)的紅外激光（紅外激光不易被發(fā)現(xiàn)），射到被竊聽房間的物體表面時(shí)，只要該物體自身具有極微弱的振動(dòng)，它就會(huì)對(duì)被反射的激光產(chǎn)生出足以能進(jìn)行探測(cè)的變化。若用一束激光對(duì)準(zhǔn)窗玻璃進(jìn)行照射，其中的一部分將會(huì)穿過(guò)玻璃而另一部分則會(huì)被反射回來(lái)。如果這時(shí)的玻璃因受到室內(nèi)人講話聲波的作用而有微小的振動(dòng)，那末被反射的激光也必定會(huì)受到這種振動(dòng)的調(diào)制。只要將其接收并進(jìn)行解調(diào)，就可以得到與室內(nèi)人說(shuō)話聲音相同的波形，從而竊聽到室內(nèi)的講話內(nèi)容。這就是激光竊聽器的工作原理。1/10

利用激光技術(shù)探測(cè)水下目標(biāo)的基本想法將光學(xué)測(cè)量與水下聲波探測(cè)技術(shù)結(jié)合起來(lái)，設(shè)計(jì)一個(gè)利用激光對(duì)聲信號(hào)進(jìn)行探測(cè)的系統(tǒng)，通過(guò)檢測(cè)經(jīng)水面位移幅度調(diào)制后的單模連續(xù)激光的反射光信號(hào)，檢測(cè)引起水面振動(dòng)的水下聲信號(hào)。測(cè)振計(jì)發(fā)射端帶通濾波器功率放大器信號(hào)發(fā)生器~［數(shù)據(jù)采集1控制系統(tǒng)激光水聲探測(cè)技術(shù)可遠(yuǎn)距離、非接觸地在空中平臺(tái)上測(cè)量水表面的振動(dòng)速度，進(jìn)而獲得水下聲場(chǎng)振動(dòng)頻率。其工作原理是由空中平臺(tái)垂直發(fā)射一束相干激光到空氣一一水界面上測(cè)量水表面的振動(dòng)頻率，進(jìn)而獲得水下聲場(chǎng)振動(dòng)頻率的技術(shù)。由于空氣、水的聲特性阻抗失配嚴(yán)重，壓力釋放表面（水表面）將隨入射聲場(chǎng)而振動(dòng)，振動(dòng)頻率等于入射聲場(chǎng)的頻率。水表面的振動(dòng)導(dǎo)致激光束傳輸?shù)穆窂介L(zhǎng)度不同于水面靜止時(shí)傳輸?shù)拈L(zhǎng)度，進(jìn)而這種振動(dòng)所導(dǎo)致的激光束傳輸長(zhǎng)度的改變具體反映為光束的多普勒頻移。因此，通過(guò)獲取水表面法向分量的速度信息就可進(jìn)一步獲取水下聲場(chǎng)信息，實(shí)現(xiàn)水聲探測(cè)。測(cè)振計(jì)發(fā)射端帶通濾波器功率放大器信號(hào)發(fā)生器~［數(shù)據(jù)采集1控制系統(tǒng)來(lái)自水下目標(biāo)的聲信號(hào)輻射到達(dá)水與空氣界面時(shí)，必然會(huì)引起水表面的相應(yīng)振動(dòng)，使空中射向該水面處的光束發(fā)生變化，從而進(jìn)入到光接收裝置的光通量發(fā)生相應(yīng)的變化。如果將光通量的變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的變化，將聲能轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，便可以確定水下目標(biāo)的信息。進(jìn)而可以探測(cè)水下目標(biāo)。本項(xiàng)目的研究將分激光竊聽技術(shù)研究和激光竊聽技術(shù)在水聲信號(hào)檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用兩部分進(jìn)行。前期對(duì)激光竊聽技術(shù)進(jìn)行理論分析和試驗(yàn)研究，在激光竊聽技2/10利用激光技術(shù)探測(cè)水下目標(biāo)的基本想法術(shù)對(duì)固體表面振動(dòng)信號(hào)能夠有效探測(cè)后，我們將利用已有技術(shù)并以此為基礎(chǔ)對(duì)水中聲源聲信號(hào)進(jìn)行探測(cè)研究，對(duì)采用單點(diǎn)激光進(jìn)行水聲探測(cè)的方法進(jìn)行深入的理論與仿真分析；后期在已有的單點(diǎn)激光測(cè)量系統(tǒng)基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)短陣列激光探測(cè)系統(tǒng)，結(jié)合空氣中和水池試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。.國(guó)、內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展動(dòng)態(tài)對(duì)利用激光探測(cè)水下目標(biāo)方法的研究最早可追溯到二十世紀(jì)六十年代，H.Yeh等根據(jù)隨液體同步流動(dòng)的懸浮粒子對(duì)入射激光的反射或散射特性，推算出最小可測(cè)量的液體縱向流速為0.007cm/s10八-4rad。R.I.Whitman等早在1969年就比較了利用相干法測(cè)量聲波引起的表面振動(dòng)位移及相位的四種方法，為后期基于相位調(diào)制原理實(shí)現(xiàn)高靈敏度聲場(chǎng)探測(cè)提供了參考。二十世紀(jì)七十年代中后期，K.J.Taylor通過(guò)檢測(cè)空氣中懸浮粒子的速度成功獲得了麥克風(fēng)聲壓級(jí)，實(shí)現(xiàn)了空氣中的聲信號(hào)的測(cè)量。直至上世紀(jì)八十年代末，人們對(duì)水下聲信號(hào)的探測(cè)仍然停留在采用水下探頭的方法。實(shí)現(xiàn)激光水聲探測(cè)的激光多普勒系統(tǒng)可分為零差和外差兩種工作方式，該觀點(diǎn)由S.Hanish于1983年提出。此外，他還從理論上描述了探測(cè)系統(tǒng)實(shí)際實(shí)現(xiàn)時(shí)需要考慮的直接關(guān)系到系統(tǒng)靈敏度等性能的因素，如信噪比、探測(cè)極限、噪聲限制等，為該技術(shù)的后期發(fā)展提供了理論框架。1988年，美國(guó)的M.S.Lee和B.S.Etal首次提出了激光在水面受水表面波動(dòng)的強(qiáng)度調(diào)制的理論，并且通過(guò)檢測(cè)經(jīng)水面位移幅度調(diào)制后的單模連續(xù)激光的反射光信號(hào)，成功地檢測(cè)到了引起水面振動(dòng)的水下聲信號(hào)。自此，激光探測(cè)與水聲探測(cè)相結(jié)合的探測(cè)方法作為一種新興的探測(cè)技術(shù)，越來(lái)越受到國(guó)內(nèi)外人士的普遍關(guān)注。1993年RichardH.Belansky等提出利用相干激光干涉法測(cè)量鏡面運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的多普勒頻移信號(hào)，即采用單模He—Ne激光器和邁克耳遜干涉儀對(duì)鏡面運(yùn)動(dòng)進(jìn)行頻域分析提取頻移分量，此外，對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置的噪聲也進(jìn)行了全面比較和分析。所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置最小可測(cè)量能量反射率為10-7的信號(hào)，測(cè)量值與理論值誤差在3/10利用激光技術(shù)探測(cè)水下目標(biāo)的基本想法1%以內(nèi)，但沒(méi)有確定多普勒頻移的方向。最后將聲波信號(hào)加載到該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中作為信號(hào)源，經(jīng)過(guò)頻譜分析即可直接獲得聲波信號(hào)的頻率，這一實(shí)驗(yàn)的報(bào)道奠定了目前激光探聲水聲技術(shù)的發(fā)展基礎(chǔ)，描述了一種新的探測(cè)方法。近年來(lái)，隨著激光技術(shù)的迅猛發(fā)展，激光水聲探測(cè)技術(shù)也取得了很大的進(jìn)步。自二十世紀(jì)九十年代以來(lái)，一些激光水下探測(cè)系統(tǒng)，如美國(guó)的MagicLantern、SM2000，加拿大的LUCIE等，越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于軍事和民用領(lǐng)域。進(jìn)入本世紀(jì)，激光水聲技術(shù)主要著眼于動(dòng)態(tài)測(cè)試環(huán)境對(duì)信號(hào)的影響以及如何對(duì)回波光信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償方面的研究，以使通過(guò)幾方面的研究達(dá)到更高的系統(tǒng)靈敏度。對(duì)基于該技術(shù)發(fā)展而來(lái)的上、下行通信的可行性也展開了初步的研究。隨著紅外、窄線寬激光技術(shù)、相干檢測(cè)技術(shù)和元器件特性的Et趨提高，激光水聲探測(cè)技術(shù)也會(huì)朝著高精度、高靈敏度和高速高效探測(cè)性能的方向發(fā)展。.創(chuàng)新點(diǎn)與項(xiàng)目特色本項(xiàng)目利用激光技術(shù)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)，不僅可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程激光竊聽還可將其應(yīng)用于水聲探測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程、快速、大范圍水下目標(biāo)探測(cè)。光學(xué)測(cè)量作為一種重要的非接觸是測(cè)量技術(shù)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、精度高、靈敏度高、穩(wěn)定性好、測(cè)量范圍大、易于實(shí)現(xiàn)以及不擾動(dòng)被測(cè)物體等諸多特點(diǎn)。本項(xiàng)目以現(xiàn)有的激光系統(tǒng)為平臺(tái)，以光學(xué)測(cè)量為手段，通過(guò)探測(cè)水下目標(biāo)在水面引起的波動(dòng)，結(jié)合應(yīng)用聲納陣列信號(hào)處理等水聲信號(hào)處理技術(shù)，可以對(duì)水下目標(biāo)聲信號(hào)探測(cè)，與目前廣泛應(yīng)用的陶瓷換能器聲納技術(shù)相比，這種將激光探測(cè)與聲納探測(cè)相結(jié)合的激光聲納探測(cè)技術(shù)無(wú)需在水下設(shè)置探頭，減少了對(duì)信息交換場(chǎng)所的限制，避免了對(duì)探測(cè)環(huán)境的破壞。本項(xiàng)目將激光竊聽技術(shù)應(yīng)用于水聲探測(cè)，是一個(gè)由淺至深，由簡(jiǎn)單至復(fù)雜，由特殊至一搬的研究過(guò)程，研究難度逐層遞進(jìn)，本項(xiàng)目具有較強(qiáng)的實(shí)用性能。4/10利用激光技術(shù)探測(cè)水下目標(biāo)的基本想法五.技術(shù)路線、擬解決的問(wèn)題及預(yù)期成果5-1技術(shù)路線：.研究激光竊聽技術(shù)，即利用激光探測(cè)固體表面振動(dòng)信號(hào)，從而獲得室內(nèi)聲源聲信號(hào)。.設(shè)計(jì)一套激光竊聽系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)固體表面波的激光探測(cè)，為后續(xù)對(duì)水面探測(cè)提供鋪墊和基礎(chǔ)。.在研究激光探測(cè)固體表面振動(dòng)信號(hào)的基礎(chǔ)上，更深一步研究激光在探測(cè)液體表面微小振動(dòng)與水中聲源聲信號(hào)之間的關(guān)系。.設(shè)計(jì)一套激光聲吶探測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)水表面波的激光探測(cè)。該激光探測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要包括：a.設(shè)計(jì)一套光一一電系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)激光的調(diào)制、發(fā)射和接收；b.設(shè)計(jì)模擬信號(hào)處理電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)由接收激光調(diào)制信號(hào)轉(zhuǎn)換而來(lái)的電流信號(hào)的電流一一電壓轉(zhuǎn)換以及放大、濾波、檢波等。c.設(shè)計(jì)信號(hào)采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬信號(hào)處理電路輸出信號(hào)的采集以及與pc間的通信。.利用本文所設(shè)計(jì)的激光探測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行空氣中實(shí)驗(yàn)和水池實(shí)驗(yàn)研究。5-2.研究中面臨的技術(shù)難點(diǎn)和擬采取的解決辦法技術(shù)難點(diǎn):5/10利用激光技術(shù)探測(cè)水下目標(biāo)的基本想法.激光竊聽技術(shù)中需要解決光信號(hào)的放大與解調(diào)，其中涉及到信噪比的優(yōu)化，接收信號(hào)的處理以及聲信號(hào)還原。.激光探測(cè)但是由于受環(huán)境光、電噪聲等影響，本文中所設(shè)計(jì)的試驗(yàn)系統(tǒng)距離實(shí)用化還有一定距離。.在激光探測(cè)水聲信號(hào)系統(tǒng)中，由于水中噪聲比較復(fù)雜，如何提高信噪比，濾除雜波，還原聲信號(hào)等都是要解決的技術(shù)難點(diǎn)。解決辦法：1.查找相關(guān)資料，提高相關(guān)專業(yè)知識(shí)，積極向指導(dǎo)老師求教。在實(shí)踐中學(xué)習(xí)，在實(shí)踐中解決問(wèn)題。六.項(xiàng)目研究進(jìn)度安排七.已有基礎(chǔ)1.與本項(xiàng)目有關(guān)的研究積累和已取得的成績(jī)激光竊聽技術(shù)經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，隨著光源及技術(shù)的改進(jìn),其原理在實(shí)驗(yàn)研究上已日趨成熟,漸漸轉(zhuǎn)入了實(shí)際的應(yīng)用，市面上也開始出現(xiàn)激光竊聽器的產(chǎn)品。國(guó)外在20世紀(jì)末開展了一系列相關(guān)研究，使該技術(shù)發(fā)展成熟，但是竊聽距離有限，近幾年未發(fā)現(xiàn)有進(jìn)一步改進(jìn)研究的報(bào)道。國(guó)內(nèi)羅海俊等介紹了激光竊聽的基本原理,并提出了激光竊聽的實(shí)現(xiàn)方案，實(shí)驗(yàn)取得較好地效果。1988年德國(guó)和法國(guó)科學(xué)家開發(fā)了另一種用于探測(cè)水下聲信號(hào)的技術(shù)，此技術(shù)只利用一單激光束并把這一理論解釋為表面微擾在激光波束中產(chǎn)生的幅度調(diào)制效應(yīng)。另一種方法就是把這一理論解釋為進(jìn)入光接收器小孔的光通量的變化。該理論認(rèn)為聲在水表面產(chǎn)生的微擾使從空中射向該水表面處的光束發(fā)生散射，從而進(jìn)入到光接收孔徑的光通量發(fā)生6/10利用激光技術(shù)探測(cè)水下目標(biāo)的基本想法相應(yīng)的變化。因此汝口能將光通量的變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的變化，這樣便將聲能轉(zhuǎn)化成電能，猶如水聽器接收聲信號(hào)后將其轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的電信號(hào)一樣。?激光竊聽技術(shù)現(xiàn)在國(guó)外已經(jīng)成功研究出了激光竊聽技術(shù)，其主要利用激光照射到目標(biāo)玻璃、墻壁以及天花板等介質(zhì)，所產(chǎn)生的反射及散射光經(jīng)接收后進(jìn)行相關(guān)處理，便可還原所竊聽目標(biāo)的聲信息。激光竊聽，就是利用激光具有極好的相干性、方向性等特性，用一束極細(xì)的紅外激光（紅外激光不易被發(fā)現(xiàn)），射到被竊聽房間的物體表面時(shí)，只要該物體自身具有極微弱的振動(dòng)，它就會(huì)對(duì)被反射的激光產(chǎn)生出足以能進(jìn)行探測(cè)的變化。若用一束激光對(duì)準(zhǔn)窗玻璃進(jìn)行照射，其中的一部分將會(huì)穿過(guò)玻璃而另一部分則會(huì)被反射回來(lái)。如果這時(shí)的玻璃因受到室內(nèi)人講話聲波的作用而有微小的振動(dòng)，那末被反射的激光也必定會(huì)受到這種振動(dòng)的調(diào)制。只要將其接收并進(jìn)行解調(diào)，就可以得到與室內(nèi)人說(shuō)話聲音相同的波形，從而竊聽到室內(nèi)的講話內(nèi)容。這就是激光竊聽器的工作原理。?激光測(cè)量方法[1]對(duì)水下目標(biāo)的激光探測(cè)方法不同的研究者有不同的認(rèn)識(shí)，采取的研究方法也不盡相同。由于利用激光探測(cè)水下目標(biāo)可歸結(jié)為對(duì)水表面微小振動(dòng)的激光測(cè)量，因此激光水聲探測(cè)可看作光學(xué)振動(dòng)測(cè)量的擴(kuò)展。目前常見(jiàn)的光學(xué)測(cè)振方法總體上可分為兩大類：相干測(cè)量法、非相干測(cè)量法。一.相干測(cè)量法相干測(cè)量法又稱干涉測(cè)量法，是測(cè)量科學(xué)中最有效的手段之一，它具有非常高的靈敏度，被廣泛地應(yīng)用在工程和物理學(xué)的給個(gè)方面。光的干涉是光科學(xué)誕生的標(biāo)志，但是由于受光源的相干長(zhǎng)度的限制，這一強(qiáng)大技術(shù)直至二十世紀(jì)六十年代才隨著激光器的誕生而真正發(fā)展起來(lái)。干涉測(cè)量的基本模式是：將一個(gè)激光光源發(fā)出的光束直接引入到需要感知的測(cè)量區(qū)或物理環(huán)境，將光束的一部分保留在儀器中作為參考光束，從測(cè)試區(qū)返回7/10

利用激光技術(shù)探測(cè)水下目標(biāo)的基本想法的測(cè)量光束與參考光束疊加在光電探測(cè)器上，當(dāng)測(cè)量光束攜帶了在傳播過(guò)程中獲得的與參考光束間的相移值時(shí)，光電探測(cè)器得到的信號(hào)就是測(cè)量光的相移值。目前常見(jiàn)的干涉測(cè)量法有：莫爾干涉法、全息干涉法、激光傘斑干涉法和激光多普勒法，其中最常用于聲納探測(cè)的是激光多普勒法。激光共振器圖1」自混合方式多普勒測(cè)振激光共振器圖1」自混合方式多普勒測(cè)振利用激光多普勒效應(yīng)和采用自混合方式進(jìn)行微小振動(dòng)測(cè)量是絕大多數(shù)研究者采用的方法，并且取得了一定的成果。這種外腔自混合方式的激光多普勒測(cè)量裝置具有體積小、測(cè)量精度高和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，但同時(shí)也存在著一些顯著的缺點(diǎn)，其中對(duì)激光多普勒法影響最大的因素就是反射面的性質(zhì)。例如：激光束的會(huì)聚點(diǎn)因振動(dòng)而離焦物體表面、散射激光束的強(qiáng)度分布、被測(cè)物體的表面效應(yīng)、反射光的瞬時(shí)消失等等。在實(shí)際工程應(yīng)用中，水下目標(biāo)輻射噪聲信號(hào)經(jīng)常出現(xiàn)在海面，而海面的屬性則與風(fēng)速、流速等諸多因素有關(guān)，尤其是海面平整度的影響，使得目前眾多的研究成果的實(shí)用性受到很大程度地限制。二、非相干測(cè)量法與相干測(cè)量法相比，非相干測(cè)量法具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易實(shí)現(xiàn)等諸多優(yōu)點(diǎn)。與非相干測(cè)量法中較常用于激光水聲探測(cè)的有：激光三角法、激光直接強(qiáng)度調(diào)制法。?激光三角法8/10

利用激光技術(shù)探測(cè)水下目標(biāo)的基本想法三角測(cè)量法是在實(shí)際應(yīng)用中最簡(jiǎn)單的方法，這種方法也通常被應(yīng)用在建筑領(lǐng)域的測(cè)距中。如圖1.2所示，激光三角測(cè)量法的基本原理是：將一束激光以某一角度聚焦在被測(cè)振動(dòng)物體表面，然后從另一角度對(duì)物體表面上的激光光斑進(jìn)行成像，物體表面激光照射點(diǎn)的位置高度不同，所接受