CN103971672B - 控制指向性的水下激光声源及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种控制指向性的水下激光声源，包括激光器以及用于产生激光声的液体介质，在所述激光器和液体介质之间，还设有沿光路布置的：扩束镜，用于对激光进行扩束；若干个柱面镜组合，各个柱面镜组合用于控制扩束后的激光在液体介质表面所形成光斑在对应方向上的尺寸。本发明还公开了一种水下激光声源指向性的控制方法，包括：步骤1，产生激光并进行扩束；步骤2，将扩束后的激光射入液体介质产生激光声，其中，通过对液体介质表面所形成光斑的形状进行调整来控制激光声的指向性。本发明的水下激光声源及其控制方法实现了非接触式控制，简单易行，性能可靠。

Description

控制指向性的水下激光声源及其控制方法

技术领域

本发明涉及激光水下声源领域，尤其是涉及控制指向性的水下激光声源及其控制方法。

背景技术

水声学的研究历史悠久，水下声源技术作为现代水声研究的一项重要技术，受到世界各国水声研究者的关注。在海洋探测领域中，水下声源应用广泛，例如深海地质探测、海洋石油探测、水下目标探测等。不同的应用环境对水下声源的频谱、声源级、方向性等特性的要求各不相同。目前，水下声源大致可分为以下几种：炸药爆炸声源、电声换能器声源、参量阵声源、流体动力式声源、电磁式声源、激光声源等。这些声源的发生机理及其产生的声波特性各异，使用方式也不尽相同。

炸药爆炸声源具有功率高，频带宽，无指向性等特点，但频率与指向性很难控制，性能可重复率低且会造成污染。电声换能器声源目前常用的是压电陶瓷材料制成的，其发射功率受到工作频率，功率容量等限制，信号的带宽与功率都受到一定的限制。实际应用中一般使用多个换能器组成阵列以获得所需的指向性与功率。参量阵声源利用几个大振幅高频波在水中传输时的非线性效应混频得到低频的差频波信号。其优点是换能器尺寸小，波束指向性极好，但换能效率太低。流体动力式声源主要包括采用气枪的气体动力声源与采用液体的高速射流来致声的液体动力声源，该类声源结构简单，效率较高，目前理论研究还不是很成熟，它也是一种接触式声源，控制比较复杂。电磁式换能器类似普通的电声换能器，如扬声器，简单可靠，但不适于水声应用。

激光声源利用光声效应，将高能量密度的激光聚焦到水下产生光学击穿从而向外辐射声波，该方法产生的声信号具有声压级高、频谱宽，可进行非接触式控制等优势。近年来，随着激光器技术的进步，已能够产生声压级210dB以上的激光声脉冲。通过改变激光脉冲的脉冲能量跟脉宽，也可有效地控制激光水下声源的频谱特性。而对于激光水下声源的指向性，人们一直在不断探讨可对其进行控制的简单、有效方法。

发明内容

基于以上所提出的问题，本发明提供了一种简单、可行的方法，使用两组柱面镜在光束横截面内两个互相垂直的方向上分别控制激光束的形状，对激光水下声源的指向性进行有效控制。

一种控制指向性的水下激光声源，包括激光器以及用于产生激光声的液体介质，在所述激光器和液体介质之间，还设有沿光路布置的：

扩束镜，用于对激光进行扩束；

若干个柱面镜组合，各个柱面镜组合用于控制扩束后的激光在液体介质表面所形成光斑在对应方向上的尺寸。

其中扩束镜使得水下激光声源更加灵活可控，便于与柱面镜的尺寸配合，同时改善激光器输出光束的准直度，使得所形成的激光声指向性更佳。

所述激光器为YAG固体激光器。

YAG固体激光器发射的激光束为准直激光束。

扩束镜由沿着光束传播方向依次放置的凹透镜和凸透镜组成。

通过调节凸透镜和凹透镜之间的间距，可改变光束扩束倍率。光束经过扩束透镜组后，仍为准直光束。

所述柱面镜组合为两个，两个柱面镜组合之间距离固定且放置于光束横截面内互相垂直的方向上，每个柱面镜组合由距离可调的两枚柱面镜组成，同一柱面镜组合中的柱面镜放置方向相同。

其中，两个柱面镜组合之间的距离是指两个柱面镜组合之间最近两枚柱面镜之间的最短距离。为达到良好的指向性，两个柱面镜组合之间的距离小于或等于柱面镜组合的焦距的二十分之一。

其中，激光器产生的激光与液体介质表面平行，在柱面镜组合与液体介质之间还包括将激光垂直射入液体介质中45度全反射镜。

为便于配置，激光器通常水平放置，与液体介质表面平行。通过45度全反射镜将激光垂直射入液体介质表面，有利于通过光斑形状的调整来控制激光声的指向性。

通过本发明所提供的水下激光声源，本发明还提供了一种指向性控制方法，对所产生的激光声进行调整，以获得所需的指向性。

一种水下激光声源的指向性控制方法，包括：

步骤1，产生激光并进行扩束；

步骤2，将扩束后的激光射入液体介质产生激光声，其中，通过对液体介质表面所形成光斑的形状进行调整来控制激光声的指向性。

在液体介质表面所形成的光斑在某一方向上越接近线光斑，则在该方向上指向性越佳。

在步骤2中，对于平行于液体介质表面的激光，通过45度全反射镜将激光垂直射入液体介质中。

产生激光以及进行扩束和光斑调整通常为水平设置，为了使激光进入液体介质中，可采用用于使激光转向的光学器件，例如棱镜。作为优选，采用45度全反射镜，使得激光光能损耗较小。

在步骤2中，利用沿光路布置且相互垂直的两个柱面镜组合对光斑形状进行调整，两个柱面镜组合之间的间距小于或等于柱面镜组合的焦距二十分之一，其中每个柱面镜组合由两个平行的柱面镜组成，具体调整方式为，通过调整柱面镜组合中两个柱面镜之间的距离来调整光斑在对应方向上的会聚程度。

两个柱面镜组合之间的间距小于或等于柱面镜组合的焦距二十分之一，使得不同柱面镜组合之间的距离差小到可以忽略。

其中，对于任意一个柱面镜组合，当两个柱面镜之间的距离使得该柱面镜组合的像距等于焦距时，光斑在对应方向上的会聚程度最高。

对于任意一个柱面镜组合，像距是指准直光束从该柱面镜组合穿出后到达液体介质表面光斑沿着光路所经过的距离。

利用本发明的水下激光声源及其指向性控制方法，通过分别调节光束横截面内互相垂直放置的柱面镜组合的焦距，可实现对两个垂直方向上的光斑尺寸的分别控制。调节激光光斑的形状，使激光束的能量分布发生改变，则能在水中获得具有不同方向特性的激光水下声源。该方法实现了非接触式控制，简单易行，性能可靠。

附图说明

图1为本发明一个实施例的结构框图；

图2为本发明当前实施例线光斑的等离子体柱模型示意图；

图3a为本发明当前实施例中kL＝0.6时的水下激光声源指向性图；

图3b为本发明当前实施例中kL＝3时的水下激光声源指向性图；

图3c为本发明当前实施例中kL＝20时的水下激光声源指向性图；

图4a为本发明当前实施例中n＝3时线光斑等离子体柱模型对应的声辐射方向性图；

图4b为本发明当前实施例中n＝6时线光斑等离子体柱模型对应的声辐射方向性图；

图4c为本发明当前实施例中n＝20时线光斑等离子体柱模型对应的声辐射方向性图。

具体实施方式

现结合实施例和附图对本发明方法进行解释。图1为本发明一个实施例的结构框图。

如图1所示，YAG固体激光器(1)作为光源产生激光，水(7)作为用于产生指向性声源的液体介质。中在激光准直传播路径上，依次安装有由凹透镜(2)、凸透镜(3)组成的扩束透镜组、第一柱面镜组(4)和第二柱面镜组(5)、45度全反射镜(6)，其中每个柱面镜组包括两个放置方向相同的柱面镜。

调节凹透镜(2)和凸透镜(3)之间的间距，可以控制扩束倍率。扩束后的光束依次经过第一柱面镜组(4)和第二柱面镜组(5)，光束形状在互相垂直的两个方向上分别发生改变。在实际应用过程中，通过调节x方向或者y方向的两只平行柱面镜之间的距离，可改变对应方向上柱面镜组的焦距，从而控制对应方向上光斑的尺寸，实现对两个垂直方向的分别控制。45度全反射镜(6)改变激光光束的传播路径，使激光束垂直水(7)表面入射到水中，在水中击穿产生指向性可控的激光水下声源。此外，本发明的所有光学元件都需要加镀耐强激光增透膜，以避免其在应用过程中发生损坏。

如图1所示，本发明一个实施例的方法如下：

步骤1，由YAG固体激光器(1)产生激光，并对进行扩束，得到扩束光。

YAG固体激光器(1)发出激光为准直光束，由凹透镜(2)和凸透镜(3)组成的扩束透镜组进行准直扩束，扩束后仍为准直光束。

步骤2，将扩束后的激光射入液体介质产生激光声，其中，通过对液体介质表面所形成光斑的形状进行调整来控制激光声的指向性。

经过准直扩束之后，进入由四片柱面镜组成的两组光束形状控制器(柱面镜组合)进行形状控制。将光传播方向设为z轴方向，其中第一柱面镜组合放置于y轴方向(竖直方向)，第二柱面镜组合放置于x轴方向(水平方向)。由于柱面镜在沿其轴向的方向上不具有聚焦作用，因而两组柱面镜相互垂直放置在光束传播方向的横截面内时，可分别在两个互相垂直的方向上对光束形状进行控制。每组柱面镜由两只平凸柱面镜组成，根据柱面镜组合的焦距计算公式：

F＝F₁·F₂/(F₁+F₂-D)

式中，F为柱面镜组合的焦距，F₁与F₂分别为两枚柱面镜的焦距，D为两枚柱面镜之间的距离。可见调节两枚柱面镜之间的距离，可对x轴方向或y轴方向柱面镜组合的焦距进行控制，相应地光斑在x轴方向或y轴方向的尺寸也将发生变化。

假设光斑在x轴方向或y轴方向被柱面镜组合聚焦，则入射到水中的光斑将为线光斑，对应的激光声源强度沿着线光斑方向最小，垂直线光斑时最大。当光斑在两个方向同时聚焦时，根据两个垂直方向的聚焦差别，可获得圆形光斑或类椭圆形光斑。下面将分别分析各种形状光斑对应的激光声源的指向性。

沿y轴放置的第一柱面镜组合距离45度全反射镜的距离为D1，45度全反射镜距离水面的距离(即45度全反射镜中心至水面距离)为D2，则柱面镜距离水面的距离为D1+D2，调节D1与D2使得组合柱面镜的焦距F约等于D1+D2，调节组合柱面镜之间的距离，组合柱面镜焦距相应地发生变化。当减小两组柱面镜组之间的距离时，组合焦距(即柱面镜组合的焦距F)减小，则入射到水面的光斑形状在z轴方向上变窄，反之变宽。

选取D1+D2除了要远大于两组柱面镜组之间的间距，还要等于柱面镜组合的焦距。这样两个柱面镜组合距离水面的距离之差就可忽略。

竖直方向y轴经45度全反射镜投影到水面对应水面坐标系的z轴，水平方向的x轴对应水面坐标系的x轴。

当激光聚焦光斑为点光斑时，经过扩束聚焦后的光束在聚焦点产生光致击穿，形成单个等离子体空泡，等离子体空泡迅速对外膨胀并推动周围液体(水)形成高压波前，随后等离子体空泡膨胀速度骤减并与高压波前分离，此时在远场高压波前衰变为声波向外传播，其波阵面近似球面，其声源辐射的声压为：

$p_s=\frac{A}{r}{e}^{j(\mathrm{\ωt}-\mathrm{kr})}$

式中p_s为水下激光声源的声压，A为水下激光声源的振幅，r为观测点距离水下激光声源的距离，k为工作频率的波数。可见此时声源的指向性为水下180°方向强度均匀分布。

若聚焦光斑为沿水面切线方向的线光斑(如图2所示)，并调节激光输出能量使线光斑上每点的能量密度达到水的击穿阈值，可将该光斑看成是若干点光斑的线排列，其中每个点光斑均可击穿水体产生等离子体空泡，每个等离子体空泡对外膨胀产生的声信号强度近似相等，相位相同，故远场声波辐射获得叠加。其中每个等离子体空泡的声压在远场可表示为：

$p_s=(r,t)=\frac{A}{r}{e}^{j(\mathrm{\ωt}-\mathrm{kr}+\mathrm{\θ})}$

$\mathrm{\θ}=\arctan \left(\frac{1}{{\mathrm{kr}}_0}\right)$

式中p_s(r,t)为水下激光声源的声压，A为水下激光声源的振幅，r为观测点距离水下激光声源的距离，r₀为等离子体的半径，k为工作频率的波数。对于距离等离子体柱(线光斑)距离为r处的总声压p_m，可用n个等离子体空泡的声压叠加来表示：

$p_m=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{A}{r_i}{e}^{j(\mathrm{\ωt}-{\mathrm{kr}}_i+\mathrm{\θ})}$

设定远场条件下r>>L，此时n个等离子体空泡辐射的声波在观测点O的声压振幅近似相等，可将r_i用等离子体柱的中心到观测点O的距离r代替，令 $\mathrm{\Δ}=\frac{L}{2}\sin \mathrm{\θ}$ 上式可化简为：

$p_m=\frac{A}{r}{e}^{j(\mathrm{\ωt}-{\mathrm{kr}}_1)}\frac{\sin \mathrm{kn\Δ}}{\sin \mathrm{k\Δ}}$

由上述推导可见，水下激光声源的指向性为：

$D\left(\mathrm{\θ}\right)=\frac{{\left(p_m\right)}_{\mathrm{\θ}}}{{\left(p_m\right)}_{\mathrm{\θ}=0}}\left|\frac{\sin \mathrm{kn\Δ}}{n\sin \mathrm{k\Δ}}\right|$

图3为水下激光声源在不同kL乘积时的方向性图，其中图3a表示kL＝0.6，图3b表示kL＝3，图3c表示kL＝10。从图3a至3c中可以看出，在垂直于线光斑方向上其辐射的声脉冲幅值最大，而在沿线光斑方向上其辐射的声脉冲幅值最小。并且随着kL的增大，其辐射模式图的主瓣变窄。图4a至图4c为不同n情况下的方向性图，n表示等离子体空泡的个数，其中图4a表示n＝3，图4b表示n＝6，图4c表示n＝20。可见随着n的增大，水下激光声源的指向性增强，而n与等离子体区域的尺寸(线光斑的长度)L成正比，可通过调节柱面镜焦距的方法进行有效地控制。线光斑的长度越大，观测频率越高，则声源的指向性越强。在用激光声源做海底的目标探测的时候，这种辐射的主瓣方向是指向海底的，是很有利的。

若会聚光斑为椭圆形光斑或类椭圆形光斑，激光击穿水形成的等离子体能量密度沿椭圆长轴方向分布，而在椭圆短轴方向上，能量被压缩。相应地声波在椭圆短轴方向上得到加强，而在长轴方向上则被削弱，即激光水下声源的指向性得到控制。

调节激光光斑为其它形状，则能在水中获得具有不同指向性的激光声。通过改变激光光束聚焦到水下时的形状，在保证发生光致击穿的条件下可以对水下激光声源的指向性进行远程控制。

本发明当前实施例采用两个相互垂直放置的柱面镜组合分别在光束横截面内调节光斑在两个垂直方向上的聚焦状态，入射到水中的光斑形状将会随之改变，当光斑具有不同形状时分别对应着不同的波束指向性。

Claims (6)

1.一种控制指向性的水下激光声源，包括激光器以及用于产生激光声的液体介质，其特征在于，在所述激光器和液体介质之间，还设有沿光路布置的：

扩束镜，用于对激光进行扩束；所述扩束镜由沿着光束传播方向依次放置的凹透镜和凸透镜组成；

若干个柱面镜组合，各个柱面镜组合用于控制扩束后的激光在液体介质表面所形成光斑在对应方向上的尺寸；所述柱面镜组合为两个，两个柱面镜组合之间距离固定且放置于光束横截面内互相垂直的方向上，每个柱面镜组合由距离可调的两枚柱面镜组成，同一柱面镜组合中的柱面镜放置方向相同。

2.如权利要求1所述控制指向性的水下激光声源，其特征在于，所述激光器为YAG固体激光器。

3.如权利要求1所述控制指向性的水下激光声源，其特征在于，其中，激光器产生的激光与液体介质表面平行，在柱面镜组合与液体介质之间还包括将激光垂直射入液体介质中45度全反射镜。

4.一种水下激光声源指向性的控制方法，其特征在于，包括：

步骤1，产生激光并进行扩束；

步骤2，将扩束后的激光射入液体介质产生激光声，其中，通过对液体介质表面所形成光斑的形状进行调整来控制激光声的指向性；利用沿光路布置且相互垂直的两个柱面镜组合对光斑形状进行调整，两个柱面镜组合之间的间距小于或等于柱面镜组合的焦距二十分之一，其中每个柱面镜组合由两个平行的柱面镜组成，具体调整方式为，通过调整柱面镜组合中两个柱面镜之间的距离来调整光斑在对应方向上的会聚程度。

5.如权利要求4所述水下激光声源指向性的控制方法，其特征在于，在步骤2中，对于平行于液体介质表面的激光，通过45度全反射镜将激光垂直射入液体介质中。

6.如权利要求5所述水下激光声源指向性的控制方法，其特征在于，其中，对于任意一个柱面镜组合，当两个柱面镜之间的距离使得该柱面镜组合的像距等于焦距时，光斑在对应方向上的会聚程度最高。