CN108445474A - 一种基于声光效应的水下多波束回波精密探测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于声光效应的水下多波束回波精密探测方法，包括：构建由激光器、1/2波片、电光调制器、偏振片、扩束器、高速相机、同步信号源、第一信号发生器、第二信号发生器、功率放大器、以及超声探头构成的多波束回波精密探测装置；设置激光器的工作状态为稳强模式，保证出射激光的强度稳定；激光经1/2波片、电光调制器、偏振片后，产生一束强度调制激光，设置其调制频率与超声频率相同；激光经过扩束器扩束后，成为面结构光；面结构光穿过超声回波作用区域，发生声光效应；高速相机接收穿过超声声场的出射光信息，利用四步相移法对高速相机获得的图像进行分析，获得高精度的回波声场信息。本发明实现了对多波束回波的精密探测。

Description

一种基于声光效应的水下多波束回波精密探测方法
技术领域
本发明涉及水下声场探测领域，尤其涉及一种利用声光效应进行声波的光学解析，从而实现多波束回波的高精度探测，改良现有的多波束水深测量和声呐成像的方法。
背景技术
从广义的角度来讲，海洋测绘是一门对海洋表面及海底形状和性质参数进行准确测量和描述的科学。一切海洋活动，无论是经济、军事还是科学研究，像海上交通、海洋地质调查和资源开发、海洋工程建设、海洋疆界勘定、海洋环境保护、海底地壳和板块运动研究等，都需要海洋测绘提供不同种类的海洋地理信息要素、数据和基础图件。因此可以说，海洋测绘在人类开发和利用海洋活动中扮演着“先头兵”的角色，是一项基础而又非常重要的工作。随着人类对海洋资源和环境开发研究活动的不断加强，人们对海底地形地貌的要求日益提高，传统的单波束测深技术由于测量效益和精度上的局限，已无法满足各种新生的需求。也正是在此背景下，代表当代海洋测量高新技术发展水平的多波束测深系统应运而生，并已在人类认识和开发海洋中扮演着越来越重要的角色。
多波束测深系统是在回声测深仪的基础上发展起来的。顾名思义，多波束测深系统能一次给出与航向垂直的垂面内几十甚至上百个海底被测点的水深值，或者一条一定宽度的全覆盖水深条带，所以它能精确地、快速地测出一定宽度内水底地貌的大小、形状和高低变化，从而比较可靠地描绘出海底地形地貌的精细特征。
新型的多波束测深声呐系统一般兼有侧身声呐和侧扫声呐2种功能。多波束测深声呐系统中最重要的是精确测量海底回波的到达时间和到达方位。传统多波束换能器基元的物理结构是压电陶瓷，其作用在于实现声能和电能之间的相互转换。当海底回波打击到压电陶瓷上时，压电陶瓷同样产生压力，并随着压力的变化产生相应的电压。但是利用超声换能器进行声电转换，转换时间较长，并且依赖于机械振动，分辨能力受限，同时换能器本身有一定的体积，在测量回波声场时会对声场造成干扰。
发明内容
本发明提供了一种基于声光效应的水下多波束回波精密探测方法，本发明基于水下声光效应作用原理，结合高精度水深测量和声呐成像的需要，实现对多波束回波的精密探测，详见下文描述：
一种基于声光效应的水下多波束回波精密探测方法，所述探测方法包括以下步骤：
构建由激光器、1/2波片、电光调制器、偏振片、扩束器、高速相机、同步信号源、第一信号发生器、第二信号发生器、功率放大器、以及超声探头构成的多波束回波精密探测装置；
设置激光器的工作状态为稳强模式，保证出射激光的强度稳定；
激光经1/2波片、电光调制器、偏振片后，产生一束强度调制激光，设置其调制频率与超声频率相同；
激光经过扩束器扩束后，成为面结构光；面结构光穿过超声回波作用区域，发生声光效应；
高速相机接收穿过超声声场的出射光信息，利用四步相移法对高速相机获得的图像进行分析，获得高精度的回波声场信息。
进一步地，所述激光器、1/2波片、电光调制器、偏振片、扩束器、水槽、以及高速相机位于同一水平线上。
其中，所述同步信号源保证第一信号发生器、第二信号发生器的同步，激光的调制频率与超声频率相同。
进一步地，所述第一信号发生器加载到电光调制器上，生成强度调制的激光；
所述第二信号发生器加载在超声探头上，用于产生超声激励信号，功率放大器用于将激励信号放大，从而驱动超声探头，超声探头在水槽内产生超声声场。
具体实现时，对所述1/2波片和所述偏振片协同调整以实现最大强度的幅度调制激光。
进一步地，面结构光的直径要大于超声探头产生的声场宽度；面结构光通过水槽被超声声场形成的超声光栅衍射，衍射光斑由高速相机接收。
进一步地，超声探头发出的声波与激光垂直。
本发明提供的技术方案的有益效果是：
1、超声在介质中传播时，其声压会导致介质折射率产生周期性变化，可以等效成一个超声光栅，激光通过超声光栅时，就会产生衍射现象，超声与激光之间不会直接发生作用，因此该检测方法为非接触式检测，不会对多波束回波声场造成干扰；
2、本发明利用光学手段，通过光-电转换代替声-电转换提高多波束超声回波的探测精度，从而提高水深测量和声呐成像的准确度；
3、本发明实现了超声二维声场的检测，提高了检测效率；
4、本发明利用光学解析可以对声场进行直观的展示。
附图说明
图1为一种基于声光效应的水下多波束回波精密探测方法的流程图；
图2为多波束回波精密探测装置的结构示意图；
图3为声光衍射效应示意图；
图4为超声声场声压二维分布图；
图5为超声声场相位二维分布图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
101：激光器； 102：1/2波片；
103：电光调制器； 104：偏振片；
105：扩束器； 106：水槽；
107：高速相机； 108：同步信号源；
109：第一信号发生器； 110：第二信号发生器；
111：功率放大器； 112：超声探头。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。
声光效应是指超声波在声光介质中传播时，介质密度呈现疏密的交替变化，这会导致折射率大小的交替变化，这样就可以把超声波作用下的介质等效为一块相位光栅，当光通过该介质时，就会发生衍射，并且衍射光波还会受到超声波的调制作用而产生频率变化。利用声光效应可以将声波探测转化为光学探测，通过光学手段进行反演即可以得到作用在光上的声场信息。由于光电转换速度快，光学元件尺寸小，分辨率高，是进行声波高精度解析和探测的潜在技术手段。
实施例1
一种基于声光效应的水下多波束回波精密探测方法，参见图1和图2，该探测方法包括以下步骤：
1)构建由激光器101、1/2波片102、电光调制器(EOM)103、偏振片104、扩束器105、高速相机107、同步信号源108、第一信号发生器109、第二信号发生器110、功率放大器111、以及超声探头112构成的多波束回波精密探测装置；
其中，激光器101、1/2波片102、电光调制器103、偏振片104、扩束器105、水槽106、以及高速相机107位于同一水平线上。
具体实现时，通过同步信号源108保证第一信号发生器109、第二信号发生器110的同步，激光的调制频率与超声频率相同。第一信号发生器109加载到电光调制器103上，生成强度调制的激光；第二信号发生器110加载在超声探头112上，用于产生超声激励信号，功率放大器111用于将激励信号放大，从而驱动超声探头112，超声探头112在水槽107内产生超声声场。
2)设置激光器101的工作状态为稳强模式，保证出射激光的强度稳定；
3)激光经1/2波片102、电光调制器103、偏振片104后，产生一束强度调制激光，设置其调制频率与超声频率相同；
其中，1/2波片102用于改变光的偏振方向。偏振片104的作用是只允许某一偏振方向的光出射。1/2波片102和偏振片104协同调整以实现最大强度的幅度调制激光。
4)激光经过扩束器105扩束后，成为面结构光；面结构光穿过超声回波作用区域，发生声光效应，如图3所示；
进一步地，扩束器105将经过它的激光扩宽为面结构光，面结构光的直径要大于超声探头112产生的声场宽度。
面结构光通过水槽106会被超声声场形成的超声光栅衍射，衍射光斑由高速相机107接收。需要保证超声探头112发出的声波与激光垂直。
5)高速相机107接收穿过超声声场的出射光信息，利用四步相移法对高速相机107获得的图像进行分析，获得高精度的回波声场信息。
在超声回波作用区域光波和声波发生相互作用，声波的周期性压缩和舒张效应使得介质产生应变形成移动的相位光栅，从而让光波受到超声调制产生不同方向的衍射光，如图3所示，这会导致中间零级光光强发生变化。利用高速相机107拍摄面结构光衍射光斑的图像。
综上所述，本发明实施例基于水下声光效应作用原理，结合高精度水深测量和声呐成像的需要，实现了对多波束回波的精密探测；本方法可以进一步提高海洋水深测量和声呐成像的精确度。
实施例2
下面结合具体的计算公式、实例对实施例1中的方案进行进一步地介绍，详见下文描述：
激光器101工作在稳强模式，保证出射激光的强度稳定。之后激光经1/2波片102，电光调制器103和偏振片104，变为一束强度调制激光，设置其调制频率与超声频率相同，再经过扩束器105扩束，成为面结构光，便于从高速相机107所接收的图像中分析信息。
光穿过超声回波作用区域，超声波在介质中传播时，介质密度呈现疏密的交替变化，这会导致折射率大小的交替变化，可以把超声波作用下的介质等效为一块相位光栅，当光通过该介质时，就会发生衍射，即声波会对光进行调制，发生声光效应，如图3所示。穿过超声声场的出射光由高速相机107接收，即由高速相机107记录包含有声场信息的出射光。
利用四步相移法对高速相机107获得的图像进行分析便能够获得高精度的回波声场信息。将该方法用于多波束回波精密探测，可以进一步提高海洋水深测量和声呐成像的精确度。
调整超声探头112使发出的声波与激光垂直，水槽106中盛有蒸馏水，声光效应发生在水中。
相移干涉术是一种将光学干涉术和数字相移技术相结合的位相干涉测量方法。其测量原理是：在参考光路中加入精密移相器件，使物光与参考光之间不断地产生一相对的位相移动，构成时间序列上的多幅干涉图，CCD等探测器探测每一像素点处的序列干涉光强，并将光强数值输入计算机，计算得到每一像素点处的被测相位。使用2个或更多的移相获得的干涉图，相位函数就可独立于强度式中的其他参数而单独计算出来。
四步相移法是指针对物体的某一被测状态，利用相移器对参考光采取4次不同的相移值，一般是0，π/2，π，3π/2，用CCD记录四幅图的强度分布，之后进行分析。利用四步相移法解析回波声场可以得到较为精确的超声回波相位信息。
近场衍射光光强表达式为：
式中，C为常数，Ii为入射光强度，Jn为n阶第一类贝塞尔函数，νx,y和Φx,y分别为拉曼-奈斯参数和相位，Ω为超声频率，为超声初相位，Z为归一化参数，它由下式决定：Z＝(z-L)×λ/(2n0Λ2)
式中，L为声光相互作用长度，λ和Λ为激光波长和超声波长，n0为介质折射率。
通过改变电光调制器103的调制相位，利用四步相移法得到超声声压和相位分布图。
经分析，实验得到的光学图像能够反映声波的声压和相位分布。这是一种利用光学手段探测声波的一种新方式，能够获取声波的强度和相位。而且从另一个角度验证了水下声光效应，声确实使光发生了改变，光还携带了声场信息。
通过实验发现，光与小能量声波的相互作用也能够很好地被解析，验证了用光进行声波探测解析的可行性。
综上所述，本发明实施例利用光学手段，通过光-电转换代替声-电转换提高多波束超声回波的探测精度，从而提高水深测量和声呐成像的准确度。
实施例3
下面结合图4-图5、具体的数值为实施例1和2中的方案进行可行性验证，详见下文描述：
使用光波长为633nm的He-Ne激光器101，设置He-Ne激光器101的参数，使其工作在强度稳定模式，保证输出光强的稳定性。
同步信号源108保持两个信号发生器的输出信号的同步。第二信号发生器110与功率放大器111相连，输出信号接在超声探头112上。第二信号发生器110用于产生超声激励信号，功率放大器111用于将激励信号放大，来驱动超声探头112，超声探头112在水槽106中产生超声声场，其中功率放大器111的放大倍数为36dB。
超声探头112发出1MHz的超声脉冲，脉冲宽度为50us，脉冲间隔为1ms，脉冲声场传输方向与激光光束垂直，超声脉冲到达水箱106的箱壁后会发生声反射，声回波返回时会经过激光束区域。声波本质上是一种疏密变化波，会导致介质产生应变从而折射率发生变化，形成移动的相位光栅，光束经过移动的相位光栅便会产生不同方向的衍射光，并使中间零级光(即直射光)光强发生变化。
另一个第一信号发生器109加载到电光调制器103上，生成强度调制的激光。由于两个信号发生器同步，激光的调制频率与超声频率相同，均为1MHz。
激光器101、1/2波片102、电光调制器103、偏振片104、扩束器105、水槽106、高速相机107位于同一水平线上。1/2波片102改变光的偏振方向；偏振片104的作用是只允许某一偏振方向的光出射。扩束器105将经过它的激光扩宽为面结构光，面结构光的直径要大于超声探头112产生的声场宽度，此处面结构光的直径为50mm。面结构光通过水槽106会被超声回波声场形成的超声光栅衍射，衍射光斑由高速相机107接收。需要保证超声回波与激光垂直。
高速相机107为CMOS相机，记录相移值分别为0，π/2，π，3π/2时四幅图的强度分布。之后利用四步相移法得到超声声压和相位分布图。
超声声场声压二维分布图见图4，超声声场相位二维分布图见图5。
超声声场声压二维分布图(即图4)的灰度值能够反演出该位置的声压强度大小。超声声场相位二维分布图(即图5)的亮暗条纹间隔能够反映超声的频率信息，其灰度值包含声场的相位信息。
综上所述，本发明实施实例通过上述元器件，利用声光效应，实现了水下多波束回波声场声压和相位的精密探测。本方法为超声的非接触式测量，不会对多波束回波声场造成干扰；其探测精度优于传统的压电陶瓷超声换能器；可检测的超声频率范围宽。
本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。
本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于声光效应的水下多波束回波精密探测方法，其特征在于，所述探测方法包括以下步骤：
构建由激光器、1/2波片、电光调制器、偏振片、扩束器、高速相机、同步信号源、第一信号发生器、第二信号发生器、功率放大器、以及超声探头构成的多波束回波精密探测装置；
设置激光器的工作状态为稳强模式，保证出射激光的强度稳定；
激光经1/2波片、电光调制器、偏振片后，产生一束强度调制激光，设置其调制频率与超声频率相同；
激光经过扩束器扩束后，成为面结构光；面结构光穿过超声回波作用区域，发生声光效应；
高速相机接收穿过超声声场的出射光信息，利用四步相移法对高速相机获得的图像进行分析，获得高精度的回波声场信息。
2.根据权利要求1所述的一种基于声光效应的水下多波束回波精密探测方法，其特征在于，所述激光器、1/2波片、电光调制器、偏振片、扩束器、水槽、以及高速相机位于同一水平线上。
3.根据权利要求1所述的一种基于声光效应的水下多波束回波精密探测方法，其特征在于，所述同步信号源保证第一信号发生器、第二信号发生器的同步，激光的调制频率与超声频率相同。
4.根据权利要求1所述的一种基于声光效应的水下多波束回波精密探测方法，其特征在于，
所述第一信号发生器加载到电光调制器上，生成强度调制的激光；
所述第二信号发生器加载在超声探头上，用于产生超声激励信号，功率放大器用于将激励信号放大，从而驱动超声探头，超声探头在水槽内产生超声声场。
5.根据权利要求1所述的一种基于声光效应的水下多波束回波精密探测方法，其特征在于，对所述1/2波片和所述偏振片协同调整以实现最大强度的幅度调制激光。
6.根据权利要求1所述的一种基于声光效应的水下多波束回波精密探测方法，其特征在于，面结构光的直径要大于超声探头产生的声场宽度。
7.根据权利要求1或6所述的一种基于声光效应的水下多波束回波精密探测方法，其特征在于，面结构光通过水槽被超声声场形成的超声光栅衍射，衍射光斑由高速相机接收。
8.根据权利要求1所述的一种基于声光效应的水下多波束回波精密探测方法，其特征在于，超声探头发出的声波与激光垂直。
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