利用激光声实现水下信息传递、目标获取的新方法

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  引 言

  激光与液体介质相互作用, 当激光的功率密度超过了液体的击穿阈值时, 在击穿区域产生等离子体,等离子体通过逆轫致等方式吸收激光能量,向液体中辐射声波,即激光声信号。 作为一种新的水下声源激发方式,它具有产生方式机动灵活、声源级高等诸多优点。 目前,国内外学者都在开展光激光声在不同领域的应用研究。 其中 ,Blackmon提出了激光声通信中的信号调制、解调方法;宗思光构建了激光声通信系统, 进行了激光声通信的实验验证,利用激光声实现了对水下目标的探测;刘涛设计了利用激光声进行水下探测的设备;沈中华等人对激光声进行物质表面检测进行了深入研究,Sayal对脉冲激光波形和激光声信号的关系进行了研究。 以上研究结果表明:利用激光声实现水下信息传递、目标获取具有一定的可行性。 但该方案仍然存在两个主要问题:(1) 激光声衰减速度较快, 限制了其作用距离;(2) 激光声信号发散角很大, 不能满足现代通信保密性的要求。 因此,如何通过技术方式来克服以上问题对激光声发展带来的不利影响, 是一个十分重要的课题。

  文中利用设计的激光声换能器(以下简称换能器),构建了实验系统,对在换能器内部和自由场中产生的激光声信号在时频域特性、传输特性、指向性等方面进行了比较, 体现了换能器在改善激光声信号特性上的优势, 研究结果可以为开展激光声的水下应用提供一定的参考。

  1 换能器结构

  换能器结构如图 1 所示。 L 是激光聚焦系统,激光经过 L 后再由透光窗口会聚到 O 点, 击穿水介质,产生激光声信号。TP 是声的硬面反射抛物面,SH是半球面,O 点是半球面 SH 的球心、 激光聚焦点和抛物面 TP 焦点三点的重合点。产生的激光声信号有两种传输路径。 第一种是经 TP 反射后向外辐射,称为一次反射波,其典型路径如 OP-PZ。 第二种是经过 SH 反射后,再经过 TP 反射,称为二次反射波,其典型路径为 ON-NO-OQ-QH。 根据声的硬面(反射面的特性阻抗远远大于换能器内水介质的特性阻抗)反射理论和抛物面性质,抛物面的任意反射声线(如 PZ 和 QH)与旋转抛物面的轴 OX 平行 ,即 CM∥AN∥OX。 下面证明在 ZH 面上的声波是平面波。在换能器内建立 xy 坐标系,设 O 点坐标为(p/2,0),P 点坐标为(x,y),Z 点坐标为(l,y)。 在 xy 平面内的抛物面方程可以写成:【1-2】
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  把公式(1)代入(2),整理得 OP+PZ=p/2+l,由于 l与 p 是常数,并且 P 是抛物面上的任意一点,所以一次反射波到达 ZH 面的距离相等, 又由于在 O 点开始的声波相位相同, 所以在 ZH 面处所有的一次反射波的相位相同。 同理,可证明所有的二次反射波到ZH 面的路程相等,在 ZH 面上的相位相同。 所以,在ZH 面上声波是平面波。 这样,经过换能器的作用后 ,激光声信号的波阵面由球面变成了平面, 下面将进行实验研究这一变化对激光声信号的影响。【图1】
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  2 实验设计

  激光声实验测量系统如图 2 所示。 实验采用调Q Nd:YAG 激光器 ,输出激光波长 1 064 nm,脉冲宽度 8 ns,激光器输出单脉冲能量为 3 mJ 可调。激光分别在自由场和激光声换能器内部水中聚焦击穿。 对产生的激光声信号通过无指向性的水听器进行接收,水听器线性频带宽度为 2~600 kHz,灵敏度级为-216 dB( 参考值为 1 V/μPa), 水听器与激光击穿点相距 1 m, 其 接 收 到 的 激 光 声 信 号 通 过 电 缆 送 入Agilent7104A 型示波器进行采集,采样频率为 4 GHz。最后由计算机实现对信号的存储。【图2】
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  3 实验结果分析
  
  3.1 时域比较

  如图 3 是水听器接收到的激光声信号时域波形图。 可以看出,在自由场和换能器内产生的激光声信号差异较明显。 首先,在自由场产生的激光声信号有两个峰值,即图 3(b)中标号 1,2 所示,两者分别是等离子体声波和空泡溃灭声波。 而在换能器内部产生的激光声信号有有四个峰值,如图 3(a)标号 1,2,3,4所示,其中,1、3 分别是等离子体声波和空泡溃灭声波在换能器内的一次反射波。 1 和 2,3 和 4 在时间上相距 33 μs, 水中声速为 1 500 m/s, 可以计算出 1和 3,2 和 4 声程差为 4.95cm,经测量半球 SH 的半径为 2.5 cm,这样一、二次反射波的声程差为 5 cm,因此可知,2、4 分别是等离子体声波和空泡溃灭声波的二次反射波。 同 1,3 相比,2、4 在幅度上较小,主要由以下两个原因造成:(1) 二次反射波比一次反射波多经过一次反射, 反射引起的损失大;(2) 声波在半球面 SH 反射时会在球心 O 点会聚, 压力变化剧烈,可能会引起空化的发生,从而使二次反射波的能量衰减严重。 图 3(a)中激光声信号幅度要明显强于图 3(b)。 这是由于换能器产生的激光声信号发散角度小,声能更集中,同时衰减速度慢。【图3】
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  3.2 频域比较

  图 4 是对图 3 中激光声信号进行快速傅里叶变化得到的频谱图。 从图中可知两者频谱存在一定的差异性。 通过计算得知图 4(a)中,激光声信号0~60 kHz,60~500 kHz 所占能量比例分别为 36%和 64%,图 4(b)中相同频段内的能量比例则分别为 23%和 72%。【图4】
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  SH 的半径为 2.5 cm, 当声线与光轴夹角即图 1中 XON 在 0°左右时,声波会在 SH 和 TP 之间反射,如果声波的波长大于半球 SH 的半径,那么,声波会在半球 SH 边缘发生衍射,进而向外传播。 如果声波波长小于半球 SH 的半径,那么在半球 SH 处发生衍射的概率降低,这样,声波会在 SH 和 TP 处多次反射,能量也随之耗尽。 由此可知,半球 SH 起到了滤波的作用,滤除了部分声波波长小于 2.5cm 的声波。 又因为水下声速为 1 500 m/s,声波波长小于 2.5 cm 时,对应的频率高于 60kHz。 因此,在换能器内部产生的激光声信号 60 kHz 以上频段内的能量比例降低。

  3.3 指向性比较

  自由场产生的激光声信号是以球面波的形式对外传播, 这样理论上在不同角度接收到的激光声信号幅度相同。 因此可知自由场激光声信号的指向性可以表示为:【3】
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  式中:p(L,θ)是距离激光声源 L 处,测点-声源连线与声源-激光器连线之间的夹角为 θ 时,水听器测量得到的激光声信号峰值幅度;p(L,0)是距离激光声源 L 处,测点、激光声源、激光器在同一直线时,水听器测量得到的激光声信号峰值幅度。

  对于换能器内部产生的激光声信号, 理想情况下是以平面波的形式对外传播, 波阵面形状与换能器出射面相同,换能器出射面半径为 0.2 m,测点与激光声源相距 L, 可以得知在换能器内产生的激光声信号指向性可以表示为:【4】
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  实验测量得到的激光声信号指向性如图 5 所示,图中水听器与激光声源相距 1 m,理论上换能器产生的激光声信号发散角为 12.1°,实际测量该值为13.2°。 两者基本相符 , 其差异性是因为有部分声波在换能器内部经过多次(大于 2 次)反射,从换能器出射时传播方向未能和图 1 中 OX 轴平行, 引起了发散角的扩大。 在自由场产生的激光声信号基本为全方向辐射,在不同角度上信号幅度变化很小。 由实验结果可知, 在换能器内部产生的激光声信号发射角度小,指向性更强。【图5】
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  3.4 传输性比较

  声信号在水下传输时, 造成声波能量在传播中损失的主要原因有: 首先是由于波阵面在传播过程中的不断扩大, 使得在单位时间内单位面积上能量的减小,称为扩展损耗。 其次,实际的还是并非理想介质, 在传播过程中将吸收声能而转换成其它能量(如热能等),这种损失称为衰减损耗。

  对于自由场产生的激光声信号, 在假定其波阵面是理想球面, 由于扩展损耗造成的声压变化可以表示为:【5】
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  式中:pl为在 l 米处的激光声信号幅度,p1为 1 m 处激光声信号幅度。对于在换能器内部产生的激光声信号, 假定其波阵面是理想平面时, 在声波传输过程中波阵面没有发生扩展,因此扩展损耗为 0,这样激光声信号在传播过程中声压不受扩展损耗影响。

  对于吸收损耗, 根据经典切变粘滞吸收和热传导吸收理论, 得到声波经典吸收的斯托克斯一克希霍夫公式,吸收系数 δ 可以表示为:【6】
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  式中:f 为声波频率;ηs为介质的切变粘滞系数;cv为介质定容比热;cp为介质定压比热容;κ 为介质热传导系数;ρ 和 v 分别为介质密度和介质中的声速;Aη和 Ax分别表示切变粘滞和热传导两部分。 对于纯水经计算 Aη艿6.54×10-15s2/m,Ax艿0.5×10-17s2/m。 可以看出,吸收损耗影响很小。

  图 6 给出了激光声信号的传输特性。 其中理论计算忽略了吸收损耗造成的声压变化。 可以看出,理论值和测量值基本相符。 对于自由场产生的激光声信号,随着传输距离的增加,水介质吸收对声压变化的影响逐渐变大, 因此理论值和测量值的差异性提高。 换能器产生的激光声信号,其声压理论值和测量值的差异主要是由于声波从换能器出射后, 具有一定的发散角度, 这样其波阵面在传输过程中发生扩展,再加上水介质的吸收作用,造成了声压的衰减。【图6】
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  4 结 论
  
  通过研究表明, 利用换能器产生的激光声信号特性有所改善,具体表现为:(1) 提高了信号强度,其峰值声压是自由场产生的信号的 3 倍;(2) 信号能量向 低 频 段 集 中 ,60 kHz 内 能 量 比 例 由 23%提 高 到42%;(3) 降低了信号发散角 ,在 1 m 距离上 ,其发散角为 13.2°,自由场信号为全角度辐射;(4) 提高了信号传输特性,减缓了信号的衰减速度。 通过对换能器参数(焦点位置、抛物面曲率、反射半球面半径等)的改进,能够更好的提高激光声信号的指向性,可以使激光声压缩到更小的角度范围内, 这将是今后的研究方向。 研究成果可以为开展激光声的水下应用提供理论参考和技术支持。

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