CN101082671A - 相干激光遥感探测水下声信号的方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种相干激光遥感探测水下声信号的方法和装置，该方法是将单频激光分为探测光和参考光，探测光经过光外差后发射到水面；水下仪器发出的声波使水表面形成受迫振动，振动频率和幅度分别和水下声波的频率和强度一致；探测光在水面的反射光的频率受水表面的受迫振动振动速度调制，反射光和参考光相干，由光电探测器探测，经电外差解调器解调出水表面的振动速度，进而获得水下声波的波形，实现对水下声信号的探测。本发明具有灵敏度高、距离测量远、光路灵活、结构可靠、调节容易的优点。

Description

相干激光遥感探测水下声信号的方法和装置

技术领域

本发明涉及激光遥感，特别是一种相干激光遥感探测水下声信号的方法和装置，实现远距离、非接触地探测水下声信号，可以用作水下仪器对水上平台的无线、无中继设备的远距离通信的接收端。

背景技术

由于水气的特性阻抗不同，大部分水下声波在界面处被反射，穿透到水面上的声波损耗非常大，为了探测水下声信号，必须将接收换能器浸入水中，再将探测到的声信号以电缆或无线电方式传送给水上平台，这种存在湿端中继的探测方式限制了水上平台探测水下声信号的机动性。

为了克服这一难题，当前采用一种激光遥感探测水下声信号的方法——非相干激光遥感探测水下声信号方法^[1，2]。请参见文献：1.桑国明，田作喜，何锦林，崔桂华，激光窃听技术在水声信号检测中的应用研究，舰船电子工程，1999年第6期和2.伊厚会，孙金祚，利用激光探测水下声场的理论研究，烟台大学学报，Vol.16 No.4 Oct.2003。

该方法的原理如图1所示，激光器01将激光以固定角度入射水表面03，水下发声器04发出的声信号导致的水表面波动会对激光反射光进行方位调制。对于固定位置的激光接收探测器02而言，反射光的方位变化就会形成探测器面上激光的强度调制，从而将声波的调制信息传递到激光接收探测器02上，这样，利用激光的强度调制信息可以探测水下声信号。

该方法是测量激光受水表面的幅度调制，光源采用普通激光器即可，实现难度较低。但是，该方法存在以下缺点：

(1)探测灵敏度与激光入射角的余弦值cos(θ)成正比，当激光入射角很小时，探测灵敏度大大降低。而对于远距离探测水下声信号，难以实现大角度测量，因此，该方法无法实现远距离的探测。

(2)发射和接收机的角度必须严格匹配，光路调节难度大。

发明内容

本发明的目的就是要弥补上述现有的非相干激光遥感探测水下声信号方法的不足，提供一种相干激光遥感探测水下声信号方法及装置，以实现远距离探测水下声信号，而且该装置应具有探测灵敏度高、测量距离远、光路灵活、结构可靠、调节容易的优点。

本发明的技术解决方案如下：

一种相干激光遥感探测水下声信号的方法，特征在于该方法是将单频激光器输出的单频激光分为探测光和参考光，探测光经过光外差调制后发射到待测水面；水下仪器发出的声波使待测水表面形成受迫振动，该受迫振动的振动频率和幅度分别和水下仪器发出的声波的频率和强度一致；所述的探测光在待测水面形成的反射光的频率受待测水面的振动速度调制，反射光和参考光相干，经过光电探测器接收，电外差解调器解调出待测水表面的振动速度，进而获得水下声波的波形，实现对水下声信号的探测。

实现上述方法的相干激光遥感探测水下声信号的装置，包括激光器、光分束器、光移频器、光环形器、望远镜、光合束器、光电探测器、电外差解调器、外差信号驱动放大器，其位置关系是：激光器发射的激光经过光分束器分为探测光和参考光，探测光进入光移频器；电外差解调器输出外差电信号，经过外差信号驱动放大器放大后驱动光移频器，使通过光移频器的探测光产生和外差信号相同频率的频移；移频后的探测光进入光环形器的第一端口，从第二端口输出，再经过望远镜发射到待测水面；水面的反射光再由该望远镜接收，从光环形器的第二端口进入光环形器，从第三端口输出，反射光与参考光在光合束器中合束，由光电探测器探测相干光信号，并将其转化为电信号，经过电外差解调器解调出水下声信号的波形。

所述的激光器为单频光纤激光器。

所述的光移频器为声光移频器。

所述的光分束器和光合束器均为光纤结构。

所述的光电探测器为PIN光电二极管。

所述的各光学器件均采用光纤接口，之间的光路均由单模光纤构成，望远镜的孔径和焦距比值大于单模光纤数值孔径的2倍。

激光器发射的激光经过光分束器分为探测光和参考光，因为探测光发射和接收都要经过望远镜的耦合损失和目标的反射损失，会有较大的衰减，因此，分出的探测光应大于参考光。

探测光进入光移频器，电外差解调器输出外差电信号，经过外差信号驱动放大器放大后驱动光移频器，使得通过光移频器的探测光产生和外差信号相同频率的频移，外差信号的频率大小应参考所测量水下声信号引起的水面振动速度，确保振动速度引起的光频移小于外差信号的频率。

移频后的探测光进入光环形器的第一端口，从第二端口输出，再经过望远镜发射到水面；水下仪器发出的声波使水表面形成受迫振动，振动频率和幅度分别和水下声波的频率和强度一致，水面振动导致探测光在水面的反射光产生多普勒频移，频移量Δf₀和水面振动速度V有如下关系：

$\mathrm{\Δf}=\frac{2V\·\cos \mathrm{\θ}}{\mathrm{\λ}}$

式中：θ是运动方向和观察方向的夹角，λ是激光波长。

探测光的水面反射光由同一个望远镜接收，进入光环形器的第二端口，从第三端口输出，望远镜的孔径和焦距比值最好大于单模光纤数值孔径的2倍，以确保单模光纤发射的光都能通过望远镜。

反射光与参考光在光合束器合束，由光电探测器探测相干光信号，并将其转化为电信号，该电信号是以外差信号频率为基频的调频信号，调制频率的大小是水面振动引起的多普勒频移量，经过电外差解调器解调出调制频率，即可获得水下声信号的波形。

本发明的技术效果如下：

1、本发明装置的激光发射和接收为零夹角，即使远距离测量，也不会出现因夹角变小导致的探测灵敏度下降。

2、本发明装置收发共用一个望远镜，测量光路调节简单。

3、本发明装置采用全光纤结构，内部光路灵活，结构可靠。

附图说明

图1为现有非相干激光遥感探测水下声信号方法工作原理示意图，其中01为激光器，02为激光接收探测器，03为水表面，04为水下发声器。

图2是本发明相干激光遥感探测水下声信号的装置实施例的结构示意图，其中1为光纤激光器，2为光分束器，3为声光移频器，4为光纤环形器，5为望远镜，6为光合束器，7为光电探测器，8为电外差解调器，9为外差信号驱动放大器，10为光纤环形器第一端口，11为光纤环形器第二端口，12为光纤环形器第三端口，13为水表面，14为水下发声器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅图2，图2是本发明相干激光遥感探测水下声信号的装置实施例的结构示意图。由图可见，本发明相干激光遥感探测水下声信号的装置的构成包括激光器1、光分束器2、光移频器3、光环形器4、望远镜5、光合束器6、光电探测器7、电外差解调器8、外差信号驱动放大器9。其位置关系是：激光器1发射的激光经过光分束器2分为探测光和参考光，探测光进入光移频器3；电外差解调器8输出外差电信号，经过外差信号驱动放大器9放大后驱动光移频器3，使得通过光移频器3的探测光产生和外差信号相同频率的频移；移频后的探测光进入光环形器4的第一端口10，从第二端口11输出，再经过望远镜5发射到水面13；水下发声器14发出的声波，导致水面产生和水下声波一致的振动，水面的振动速度对水面的反射光形成频率调制；调频的反射光再由该望远镜5接收，进入光环形器4的第二端口11，从第三端口12输出，反射光与参考光在光合束器6合束，由光电探测器7探测相干光信号，并将其转化为电信号，经过电外差解调器8解调出水下声信号的波形。

本实施例所述的激光器1为单频光纤激光器，激光波长为1550nm，线宽＜8kHz，功率100mW连续输出。

所述的光移频器3为声光移频器，光波长为1550nm，频移量为55MHz。

所述的光分束器2和光合束器6均为光纤结构，光分束器分光比99∶1＝探测光∶参考光，光合束器合束比99∶1＝探测光∶参考光。

所述的光环形器4和望远镜5的组合，实现了单望远镜5同时收发光信号，发射和接收光轴零夹角，光环形器4的第二端口11的输出光纤端面位于望远镜5的焦平面处，望远镜5的焦距100mm，口径30mm。

所述的光电探测器7为PIN光电二极管，为具有前置放大功能的InGaAs G9806系列。

所述的各光学器件均采用光纤接口，之间的光路均由1550nm的单模光纤构成，光纤接口均为FC/APC。

经试用表明，本发明相干激光遥感探测水下声信号的装置，消除了现有非相干激光遥感探测水下声信号方法存在的作用距离近和光路调节难度大的缺点，实现了远距离探测水下声信号，并且具有灵敏度高、光路灵活、结构可靠、调节容易的优点。

Claims (7)

1、一种相干激光遥感探测水下声信号的方法，特征在于该方法是将单频激光分为探测光和参考光，探测光经过光外差调制后发射到待测水面；水下仪器发出的声波使待测水表面形成受迫振动，该受迫振动的振动频率和幅度分别和水下仪器发出的声波的频率和强度一致；所述的探测光在待测水面形成的反射光的频率受待测水面的振动速度调制，该反射光和参考光相干，经过光电探测器接收，电外差解调器解调出待测水表面的振动速度，进而获得水下声波的波形，实现对水下声信号的探测。

2、实现权利要求1所述的方法的探测水下声信号的装置，其特征在于该装置包括激光器(1)、光分束器(2)、光移频器(3)、光环形器(4)、望远镜(5)、光合束器(6)、光电探测器(7)、电外差解调器(8)、外差信号驱动放大器(9)，其位置关系是：激光器(1)发射的激光经过光分束器(2)分为探测光和参考光，探测光进入光移频器(3)；电外差解调器(8)输出外差电信号，经过外差信号驱动放大器(9)放大后驱动光移频器(3)，使通过光移频器(3)的探测光产生和外差信号相同频率的频移；移频后的探测光进入光环形器(4)的第一端口(10)，从第二端口(11)输出，再经过望远镜(5)发射到水面，水面的反射光再由该望远镜(5)接收，进入光环形器(4)的第二端口(11)，从其第三端口(12)输出，反射光与参考光在光合束器(6)中合束，由光电探测器(7)探测相干光信号，并将其转化为电信号，经过电外差解调器(8)解调出水下声信号的波形。

3、根据权利要求2所述的探测水下声信号的装置，其特征在于所述的激光器(1)为单频光纤激光器。

4、根据权利要求2所述的探测水下声信号的装置，其特征在于所述的光移频器(3)为声光移频器。

5、根据权利要求2所述的探测水下声信号的装置，其特征在于所述的光分束器(2)和光合束器(6)均为光纤结构。

6、根据权利要求2所述的探测水下声信号的装置，其特征在于所述的光电探测器(7)为PIN光电二极管。

7、根据权利要求2至6所述的探测水下声信号的装置，其特征在于所述的各光学器件均采用光纤接口，之间的光路均由单模光纤构成，所述的望远镜(5)的孔径和焦距比值大于所述的单模光纤数值孔径的2倍。

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