利用激光技術(shù)探測水下目標的基本想法

利用激光技術(shù)探測水下目標的基本想法激光竊聽技術(shù)在水聲信號檢測中的研究一.研究目的如何進行有效的水下聲信號檢測與處理一直以來都是各國研究的重點，當前使用的水下聲信號檢測與處理設(shè)備大多利用布放水中的水聲換能器來進行檢測，再利用后續(xù)信號處理電路進行處理，對于大范圍的艦載/機載掃描檢測多有不便。迄今為止,已經(jīng)投入使用或正在研制的很多水中目標探測設(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探測設(shè)備的數(shù)據(jù)獲取速率及探測的機動性。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，如果我們在空中利用激光來檢測水中聲波，使兩種物理場在水面處結(jié)合起來，就會形成較強的技術(shù)優(yōu)勢。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)實現(xiàn)對水中聲源聲信號探測使我們研究的方向。激光水聲探測技術(shù)可遠距離、非接觸地在空中平臺上測量水表面的振動速度,進而獲得水下聲場振動頻率，從而得到水下目標的聲信號。它在未來的海洋探測中具有巨大的應(yīng)用前景。.研究內(nèi)容現(xiàn)在國外已經(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)接收后進行相關(guān)處理，便可還原所竊聽目標的聲信息。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，只要該物體自身具有極微弱的振動，它就會對被反射的激光產(chǎn)生出足以能進行探測的變化。若用一束激光對準窗玻璃進行照射，其中的一部分將會穿過玻璃而另一部分則會被反射回來。如果這時的玻璃因受到室內(nèi)人講話聲波的作用而有微小的振動，那末被反射的激光也必定會受到這種振動的調(diào)制。只要將其接收并進行解調(diào)，就可以得到與室內(nèi)人說話聲音相同的波形，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)探測水下目標的基本想法將光學測量與水下聲波探測技術(shù)結(jié)合起來，設(shè)計一個利用激光對聲信號進行探測的系統(tǒng)，通過檢測經(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，檢測引起水面振動的水下聲信號。測振計發(fā)射端帶通濾波器功率放大器信號發(fā)生器~［數(shù)據(jù)采集1控制系統(tǒng)激光水聲探測技術(shù)可遠距離、非接觸地在空中平臺上測量水表面的振動速度，進而獲得水下聲場振動頻率。其工作原理是由空中平臺垂直發(fā)射一束相干激光到空氣一一水界面上測量水表面的振動頻率，進而獲得水下聲場振動頻率的技術(shù)。由于空氣、水的聲特性阻抗失配嚴重，壓力釋放表面（水表面）將隨入射聲場而振動，振動頻率等于入射聲場的頻率。水表面的振動導(dǎo)致激光束傳輸?shù)穆窂介L度不同于水面靜止時傳輸?shù)拈L度，進而這種振動所導(dǎo)致的激光束傳輸長度的改變具體反映為光束的多普勒頻移。因此，通過獲取水表面法向分量的速度信息就可進一步獲取水下聲場信息，實現(xiàn)水聲探測。測振計發(fā)射端帶通濾波器功率放大器信號發(fā)生器~［數(shù)據(jù)采集1控制系統(tǒng)來自水下目標的聲信號輻射到達水與空氣界面時，必然會引起水表面的相應(yīng)振動，使空中射向該水面處的光束發(fā)生變化，從而進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)換成電信號的變化，將聲能轉(zhuǎn)化為電信號，便可以確定水下目標的信息。進而可以探測水下目標。本項目的研究將分激光竊聽技術(shù)研究和激光竊聽技術(shù)在水聲信號檢測技術(shù)應(yīng)用兩部分進行。前期對激光竊聽技術(shù)進行理論分析和試驗研究，在激光竊聽技2/10利用激光技術(shù)探測水下目標的基本想法術(shù)對固體表面振動信號能夠有效探測后，我們將利用已有技術(shù)并以此為基礎(chǔ)對水中聲源聲信號進行探測研究，對采用單點激光進行水聲探測的方法進行深入的理論與仿真分析；后期在已有的單點激光測量系統(tǒng)基礎(chǔ)上設(shè)計短陣列激光探測系統(tǒng)，結(jié)合空氣中和水池試驗進行驗證。.國、內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展動態(tài)對利用激光探測水下目標方法的研究最早可追溯到二十世紀六十年代，H.Yeh等根據(jù)隨液體同步流動的懸浮粒子對入射激光的反射或散射特性，推算出最小可測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量聲波引起的表面振動位移及相位的四種方法，為后期基于相位調(diào)制原理實現(xiàn)高靈敏度聲場探測提供了參考。二十世紀七十年代中后期，K.J.Taylor通過檢測空氣中懸浮粒子的速度成功獲得了麥克風聲壓級，實現(xiàn)了空氣中的聲信號的測量。直至上世紀八十年代末，人們對水下聲信號的探測仍然停留在采用水下探頭的方法。實現(xiàn)激光水聲探測的激光多普勒系統(tǒng)可分為零差和外差兩種工作方式，該觀點由S.Hanish于1983年提出。此外，他還從理論上描述了探測系統(tǒng)實際實現(xiàn)時需要考慮的直接關(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，美國的M.S.Lee和B.S.Etal首次提出了激光在水面受水表面波動的強度調(diào)制的理論，并且通過檢測經(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，成功地檢測到了引起水面振動的水下聲信號。自此，激光探測與水聲探測相結(jié)合的探測方法作為一種新興的探測技術(shù)，越來越受到國內(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量鏡面運動產(chǎn)生的多普勒頻移信號，即采用單模He—Ne激光器和邁克耳遜干涉儀對鏡面運動進行頻域分析提取頻移分量，此外，對實驗裝置的噪聲也進行了全面比較和分析。所設(shè)計的實驗裝置最小可測量能量反射率為10-7的信號，測量值與理論值誤差在3/10利用激光技術(shù)探測水下目標的基本想法1%以內(nèi)，但沒有確定多普勒頻移的方向。最后將聲波信號加載到該實驗系統(tǒng)中作為信號源，經(jīng)過頻譜分析即可直接獲得聲波信號的頻率，這一實驗的報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方法。近年來，隨著激光技術(shù)的迅猛發(fā)展，激光水聲探測技術(shù)也取得了很大的進步。自二十世紀九十年代以來，一些激光水下探測系統(tǒng)，如美國的MagicLantern、SM2000，加拿大的LUCIE等，越來越廣泛地應(yīng)用于軍事和民用領(lǐng)域。進入本世紀，激光水聲技術(shù)主要著眼于動態(tài)測試環(huán)境對信號的影響以及如何對回波光信號進行補償方面的研究，以使通過幾方面的研究達到更高的系統(tǒng)靈敏度。對基于該技術(shù)發(fā)展而來的上、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)、相干檢測技術(shù)和元器件特性的Et趨提高，激光水聲探測技術(shù)也會朝著高精度、高靈敏度和高速高效探測性能的方向發(fā)展。.創(chuàng)新點與項目特色本項目利用激光技術(shù)對目標進行探測，不僅可實現(xiàn)遠程激光竊聽還可將其應(yīng)用于水聲探測，從而實現(xiàn)遠程、快速、大范圍水下目標探測。光學測量作為一種重要的非接觸是測量技術(shù)，具有結(jié)構(gòu)簡單、精度高、靈敏度高、穩(wěn)定性好、測量范圍大、易于實現(xiàn)以及不擾動被測物體等諸多特點。本項目以現(xiàn)有的激光系統(tǒng)為平臺，以光學測量為手段，通過探測水下目標在水面引起的波動，結(jié)合應(yīng)用聲納陣列信號處理等水聲信號處理技術(shù)，可以對水下目標聲信號探測，與目前廣泛應(yīng)用的陶瓷換能器聲納技術(shù)相比，這種將激光探測與聲納探測相結(jié)合的激光聲納探測技術(shù)無需在水下設(shè)置探頭，減少了對信息交換場所的限制，避免了對探測環(huán)境的破壞。本項目將激光竊聽技術(shù)應(yīng)用于水聲探測，是一個由淺至深，由簡單至復(fù)雜，由特殊至一搬的研究過程，研究難度逐層遞進，本項目具有較強的實用性能。4/10利用激光技術(shù)探測水下目標的基本想法五.技術(shù)路線、擬解決的問題及預(yù)期成果5-1技術(shù)路線：.研究激光竊聽技術(shù)，即利用激光探測固體表面振動信號，從而獲得室內(nèi)聲源聲信號。.設(shè)計一套激光竊聽系統(tǒng)，實現(xiàn)對固體表面波的激光探測，為后續(xù)對水面探測提供鋪墊和基礎(chǔ)。.在研究激光探測固體表面振動信號的基礎(chǔ)上，更深一步研究激光在探測液體表面微小振動與水中聲源聲信號之間的關(guān)系。.設(shè)計一套激光聲吶探測系統(tǒng)，實現(xiàn)對水表面波的激光探測。該激光探測系統(tǒng)的設(shè)計主要包括：a.設(shè)計一套光一一電系統(tǒng)，實現(xiàn)激光的調(diào)制、發(fā)射和接收；b.設(shè)計模擬信號處理電路，實現(xiàn)對由接收激光調(diào)制信號轉(zhuǎn)換而來的電流信號的電流一一電壓轉(zhuǎn)換以及放大、濾波、檢波等。c.設(shè)計信號采集系統(tǒng)，實現(xiàn)對模擬信號處理電路輸出信號的采集以及與pc間的通信。.利用本文所設(shè)計的激光探測系統(tǒng)進行空氣中實驗和水池實驗研究。5-2.研究中面臨的技術(shù)難點和擬采取的解決辦法技術(shù)難點:5/10利用激光技術(shù)探測水下目標的基本想法.激光竊聽技術(shù)中需要解決光信號的放大與解調(diào)，其中涉及到信噪比的優(yōu)化，接收信號的處理以及聲信號還原。.激光探測但是由于受環(huán)境光、電噪聲等影響，本文中所設(shè)計的試驗系統(tǒng)距離實用化還有一定距離。.在激光探測水聲信號系統(tǒng)中，由于水中噪聲比較復(fù)雜，如何提高信噪比，濾除雜波，還原聲信號等都是要解決的技術(shù)難點。解決辦法：1.查找相關(guān)資料，提高相關(guān)專業(yè)知識，積極向指導(dǎo)老師求教。在實踐中學習，在實踐中解決問題。六.項目研究進度安排七.已有基礎(chǔ)1.與本項目有關(guān)的研究積累和已取得的成績激光竊聽技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展，隨著光源及技術(shù)的改進,其原理在實驗研究上已日趨成熟,漸漸轉(zhuǎn)入了實際的應(yīng)用，市面上也開始出現(xiàn)激光竊聽器的產(chǎn)品。國外在20世紀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)有進一步改進研究的報道。國內(nèi)羅?？〉冉榻B了激光竊聽的基本原理,并提出了激光竊聽的實現(xiàn)方案，實驗取得較好地效果。1988年德國和法國科學家開發(fā)了另一種用于探測水下聲信號的技術(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入光接收器小孔的光通量的變化。該理論認為聲在水表面產(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)探測水下目標的基本想法相應(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后將其轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的電信號一樣。?激光竊聽技術(shù)現(xiàn)在國外已經(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)接收后進行相關(guān)處理，便可還原所竊聽目標的聲信息。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，只要該物體自身具有極微弱的振動，它就會對被反射的激光產(chǎn)生出足以能進行探測的變化。若用一束激光對準窗玻璃進行照射，其中的一部分將會穿過玻璃而另一部分則會被反射回來。如果這時的玻璃因受到室內(nèi)人講話聲波的作用而有微小的振動，那末被反射的激光也必定會受到這種振動的調(diào)制。只要將其接收并進行解調(diào)，就可以得到與室內(nèi)人說話聲音相同的波形，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。?激光測量方法[1]對水下目標的激光探測方法不同的研究者有不同的認識，采取的研究方法也不盡相同。由于利用激光探測水下目標可歸結(jié)為對水表面微小振動的激光測量，因此激光水聲探測可看作光學振動測量的擴展。目前常見的光學測振方法總體上可分為兩大類：相干測量法、非相干測量法。一.相干測量法相干測量法又稱干涉測量法，是測量科學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)用在工程和物理學的給個方面。光的干涉是光科學誕生的標志，但是由于受光源的相干長度的限制，這一強大技術(shù)直至二十世紀六十年代才隨著激光器的誕生而真正發(fā)展起來。干涉測量的基本模式是：將一個激光光源發(fā)出的光束直接引入到需要感知的測量區(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，從測試區(qū)返回7/10

利用激光技術(shù)探測水下目標的基本想法的測量光束與參考光束疊加在光電探測器上，當測量光束攜帶了在傳播過程中獲得的與參考光束間的相移值時，光電探測器得到的信號就是測量光的相移值。目前常見的干涉測量法有：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的是激光多普勒法。激光共振器圖1」自混合方式多普勒測振激光共振器圖1」自混合方式多普勒測振利用激光多普勒效應(yīng)和采用自混合方式進行微小振動測量是絕大多數(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量裝置具有體積小、測量精度高和結(jié)構(gòu)簡單等特點，但同時也存在著一些顯著的缺點，其中對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(yīng)、反射光的瞬時消失等等。在實際工程應(yīng)用中，水下目標輻射噪聲信號經(jīng)常出現(xiàn)在海面，而海面的屬性則與風速、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用性受到很大程度地限制。二、非相干測量法與相干測量法相比，非相干測量法具有結(jié)構(gòu)簡單、易實現(xiàn)等諸多優(yōu)點。與非相干測量法中較常用于激光水聲探測的有：激光三角法、激光直接強度調(diào)制法。?激光三角法8/10

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