CN108490422A - 一种基于声光效应的水下单波束回波精密探测方法及系统 - Google Patents

一种基于声光效应的水下单波束回波精密探测方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于声光效应的水下单波束回波精密探测方法及系统，包括：构建依次由光发射器、准直透镜、超声换能器、光阑、凸透镜和光电接收器组成的单波束回波光学探测装置；设置光发射器工作在稳强模式，将光发射器的输出光线进行准直，激光穿过超声回波作用区域；出射口放置小孔光阑，仅让中心直射光通过；选择焦距合适的凸透镜，调节凸透镜的位置使得透镜中心与光线中心在同一条直线上；将光电接收器置于凸透镜的焦点位置；记录光电接收器的信号波形；根据光电信号波形反演声场信息，即保证入射光不变，通过探测出射零级光强发生的变化即可以得到光线作用区域声场的频率、强度和相位等信息。本发明充分解析声回波信息，开发更详尽海洋地形测量。

Description

一种基于声光效应的水下单波束回波精密探测方法及系统
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，从而实现单波束回波的高精度探测，改良现有的单波束海底地形探测手段的方法。
背景技术
海底地形测量包括：水深测量、海上定位测量、海洋底质探测和海底地形图绘制等，是海洋测绘中极为重要的组成部分，其中水深测量是海底测量的核心内容。从原始的竹竿、重绳测量水深，到后来的布鲁可型测深器、锡格斯测深器、开尔文测深器，再到近现代较为先进的回声测深设备，海洋测深手段一直不断发展和进步，在海底板块运动、沉积物迁移变化、渔业养殖、潜水器安全航行、环境监测等海洋科学研究、海洋军事、海洋资源开发和海洋工程中发挥着重要的作用。
现代常用的回声测深设备主要有：单波束声呐测深仪等。单波束测深仪每次垂直向海底发射一个波束，通过测量超声换能器和海底之间声波的传播时间，结合海水声速计算水深值。
发明人在实现本发明的过程中，发现现有技术中至少存在以下缺点和不足：
单波束测深仪的发明实现了水深测量从人工到自动的变革，其测深精度依赖于水下声速和回波时间探测的精确测量。
但是传统的声回波探测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。
发明内容
本发明提供了一种基于声光效应的水下单波束回波精密探测方法及系统，本发明利用自主设计的单波束回波光学探测装置，在获取高精度回波时间的同时，获得声强和相位信息，在利用现有单波束装置的基础上，充分解析声回波信息，开发更详尽海洋地形测量，详见下文描述：
一种基于声光效应的水下单波束回波精密探测方法，所述方法包括以下步骤：
构建依次由光发射器、准直透镜、超声换能器、光阑、凸透镜和光电接收器组成的单波束回波光学探测装置；
设置光发射器工作在稳强模式，将光发射器的输出光线进行准直，激光穿过超声回波作用区域；
出射口放置小孔光阑，仅让中心直射光通过；选择焦距合适的凸透镜，调节凸透镜的位置使得透镜中心与光线中心在同一条直线上；
将光电接收器置于凸透镜的焦点位置；记录光电接收器的信号波形；根据光电信号波形反演声场信息，即保证入射光I不变，通过探测出射零级光强I0发生的变化即可以得到光线作用区域声场的频率、强度和相位等信息。
所述光发射器为光波长为633nm的He-Ne激光器，其发出一束功率为1.3mW，波长为633nm的红光，经过放大倍数为2X的准直透镜后，光束直径变为3mm，穿过超声回波作用区域。
所述探测方法还包括：
超声回波场设置在一个透明水箱中，在水箱边上与激光束高度相同位置放置一个频率为1MHz超声换能器；
超声换能器发出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，超声脉冲到达水箱壁后会发生声反射，声回波返回时经过激光束区域。
所述出射口放置小孔光阑，仅让中心直射光通过具体为：
在激光出射位置放置一个小孔直径为0.5mm的小孔光阑，其轴心与光束中心对齐，从而仅允许中间零级光通过，滤掉其他方向衍射光，降低其对零级光探测的干扰。
一种单波束的回波探测系统，所述回波探测系统包括：光发射装置、光接收装置以及单波束声发射换能器装置，
所述单波束声发射换能器装置向海底发射声波，光发射装置发出一束激光，光接收装置实时接收激光强度信号，当单波束声回波到达光束区域时便会发生声光效应，使激光光强发生改变，根据激光光强的变化便能够精细化反演声回波的时间、强度信息。
其中，所述单波束声发射换能器装置包括：产生脉冲信号的信号发生器、放大信号的功率放大器和超声探头。
进一步地，所述光发射装置，用于利用固定装置将内部的光发射器和准直透镜固定在相应位置以形成能够发出强度稳定、大功率激光束的系统。
具体实现时，所述光接收装置包括：限制光斑接收的光阑、具有会聚作用的凸透镜和将光波信号转换为数字信号的光电接收器；
所述光阑、凸透镜、以及光电接收器均被固定装置固定在同一水平高度上。
本发明提供的技术方案的有益效果是：
1、基于水下声光效应作用原理，结合高精度水深测量需要，利用自主设计的单波束回波光学探测装置，在获取高精度回波时间的同时能够获得声强和相位信息；
2、利用光学手段，通过光-电转换代替声-电转换提高单波束声回波的探测时间精度，从而提高水深测量的准确度；
3、通过光电接收器可以实现声回波强度、时间和相位的高精度解析，实现声回波的充分利用，甚至可以进一步解析声回波蕴含的海底地貌信息。
附图说明
图1为基于声光效应的水下单波束回波精密探测方法的流程图；
图2为自主设计的单波束回波光学探测装置的结构示意图；
图3为声回波光学探测波形图；
图4为船载单波束回波光学探测系统的示意图。
附图中，各部件代表的列表如下：
1：光发射器； 2：准直透镜；
3：超声换能器； 4：光阑；
5：凸透镜； 6：光电接收器；
7：水箱； 8：光发射装置；
9：光接收装置； 10：单波束声发射换能器装置；
11：单波束声回波。
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通过介质时会造成介质的局部压缩和伸长而产生弹性应变，该应变随时间和空间作周期性变化，使介质出现疏密相间的现象，如同一个相位光栅。当光通过这一受到超声波扰动的介质时就会发生衍射现象，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单波束回波精密探测方法，参见图1，该探测方法包括以下步骤：
101：构建依次由光发射器1、准直透镜2、超声换能器3、光阑4、凸透镜5和光电接收器6组成的单波束回波光学探测装置；
102：设置光发射器1工作在稳强模式，将光发射器1的输出光线进行准直，激光穿过超声回波作用区域；
103：出射口放置小孔光阑4，仅让中心直射光通过；选择焦距合适的凸透镜5，调节凸透镜5的位置使得透镜中心与光线中心在同一条直线上；
104：将光电接收器6置于凸透镜5的焦点位置；记录光电接收器6的信号波形；根据光电信号波形反演声场信息：即保证入射光I不变，通过探测出射零级光强I0发生的变化即可以得到光线作用区域声场的频率、强度和相位等信息。
其中，步骤101中的光发射器1为光波长为633nm的He-Ne激光器，其发出一束功率为1.3mW，波长为633nm的红光，经过放大倍数为2X的准直透镜后，光束直径变为3mm，穿过超声回波作用区域。
进一步地，该探测方法还包括：
超声回波场设置在一个透明水箱7中，在水箱7边上与激光束高度相同位置放置一个频率为1MHz超声换能器3；
超声换能器3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7壁后会发生声反射，声回波返回时经过激光束区域。
进一步地，出射口放置小孔光阑4，仅让中心直射光通过具体为：
在激光出射位置放置一个小孔直径为0.5mm的小孔光阑，其轴心与光束中心对齐，从而仅允许中间零级光通过，滤掉其他方向衍射光，降低其对零级光探测的干扰。
综上所述，本发明实施例利用自主设计的单波束回波光学探测装置，在获取高精度回波时间的同时，获得声强和相位信息，在利用现有单波束装置的基础上，充分解析声回波信息，开发更详尽海洋地形测量。
实施例2
下面结合图1和图2对实施例1中的方案进行进一步地介绍，详见下文描述：
201：构建单波束回波光学探测装置；
其中，参见图2，该探测装置包括：一个光发射器1、一个光电接收器6、一个准直透镜2、一个光阑4、以及一个凸透镜5。
202：设置光发射器1的工作状态，使其工作在稳强模式，将光发射器1的输出光线进行准直，激光穿过超声回波作用区域；
其中，出射激光需经过准直透镜2进行准直，使得光束具有较好的直线性，并且光束直径要小于等于3mm。
使用光波长为633nm的He-Ne激光器作为光发射器1，设置He-Ne激光器的参数。
打开He-Ne激光器，发出一束功率为1.3mW，波长为633nm的红光，经过放大倍数为2X的准直透镜2后，光束直径变为3mm，穿过超声回波作用区域。
超声回波场设置在一个透明水箱7中，在水箱7边上与激光束高度相同位置放置一个频率为1MHz超声换能器3，设置超声换能器3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，超声脉冲到达水箱壁后会发生声反射，声回波返回时经过激光束区域。
由于单波束的声波频率一般在200KHz左右，所以产生的各级衍射光，衍射角度较小，为了避免各级衍射光对零级光探测的干扰，采用极细小孔光阑遮挡各级衍射光并只允许0级光通过，其后采用凸透镜5，利用凸透镜5的光束空间变换作用，将光电接收器6置于凸透镜5的焦点位置，使得光电接收器6仅能接收0级光，避免了其他信号光的干扰，提高接收信号的信噪比。
203：出射口放置小孔光阑4，仅让中心直射光通过；选择焦距合适的凸透镜5，调节凸透镜5的位置使得透镜中心与光线中心在同一条直线上；
在激光出射位置放置一个小孔直径为0.5mm的小孔光阑4，其轴心与光束中心对齐，从而仅允许中间零级光(即直射光)通过，滤掉其他方向衍射光，降低其对零级光探测的干扰。
光阑4后放置一个焦距f＝20mm的凸透镜5，调节凸透镜5的位置，使得凸透镜5中心与光束中心保持在同一条直线上。
204：将光电接收器6置于凸透镜5的焦点位置；记录光电接收器6的信号波形；根据光电信号波形反演声场信息。
在凸透镜5焦点处放置光电接收器6接收直射光光强信号，光电接收器6可以为APD(高增益雪崩光电探测器)，带宽在20MHz以上。由于凸透镜5的变换作用，在凸透镜5的焦平面上，每一点光线均是来自于同方向入射光线的集合，不同点位置即代表不同方向的光线，将光电接收器6置于凸透镜5的焦点处，可以进一步滤除其他方向光信号，降低噪声干扰。
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。
其中，介质应变引起介质折射率变化，当应变较小时，折射率作为y(声传播方向)和t的函数，可写作：
n(y,t)＝n0+Nsin(ωst-ksy)
式中，n0为无超声波时的介质折射率，N为声波引起介质折射率变化的幅值，kS为超声波的波矢，ωS为超声波的角频率。
设光束与声波传输轴垂直入射并通过厚度为L的介质，则光波进入介质前和光波从介质中出射后前后两点的相位差为：
式中，k0为入射光在真空中的波矢的大小，右边第一项为不存在超声波时光波在介质前后两点的相位差，第二项为超声波引起的附加相位差(相位调制)，
第m级衍射光可表示为：
式中Jm(α)为(第一类)m阶贝塞尔函数，b为光束直径，ω为入射光的角频率，C为一常数，θ为衍射角。各m级衍射光强符合贝塞尔函数曲线分布。而入射光强与出射各级衍射光强符合：
I＝I0+∑Im
式中I为入射光强，I0为出射零级光强，即直射光强，Im为第m级衍射光强。
由上式可知，由于Im会随着声波的频率、强度发生变化，所以只要保证入射光I不变，通过探测出射零级光强I0发生的变化即可以得到光线作用区域声场的频率、强度和相位等信息。
记录光电接收器6接收到的信号波形，经过理论计算反演声波强度和相位信息。
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需要，利用自主设计的单波束回波光学探测装置，在获取高精度回波时间的同时能够获得声强和相位信息。
实施例3
下面结合具体的图3，对实施例1和2中的方案进行可行性验证，详见下文描述：
图3展示的是上述实验装置中光电接收器6捕捉到的一段回波信号波形图。该信号为一段脉冲波形，脉冲内部存在有1MHz频率的正弦波。分析可知这是由于脉冲超声回波作用时，0级光与超声声场相互作用出现了明显的幅度变化；并且通过变化的光强幅度清晰地捕捉声场的疏密变化。
脉冲信号内部正弦波峰值时间反映了更为精细的回波时间，其变化幅度反映了回波声场的强度，即声场越强，其变化幅度越高。上述分析光强变化能够精确地反映声场的疏密变化，这几乎是超声换能器3无法做到的，利用该种手段还可以得到声场的相位信息，即利用光实现了声场的精细化反演。
实施例4
下面结合图4，对实施例1和2中的方案进行进一步地应用，本发明实施例提供了一种单波束的回波探测系统，详见下文描述：
参见图4，该单波束的回波探测系统包括：光发射装置8、光接收装置9以及单波束声发射换能器装置10。
单波束声发射换能器装置10向海底发射声波，光发射装置8(利用固定装置将光发射器和准直透镜等光学器件固定在相应位置以形成能够发出强度稳定、大功率激光束的系统)发出一束激光，光接收装置9(包括限制光斑接收的光阑、具有会聚作用的凸透镜和将光波信号转换为数字信号的光电接收器等器件均被固定装置固定在同一水平高度上)实时接收激光强度信号，当单波束声回波11到达光束区域时便会发生声光效应，使激光光强发生改变，根据激光光强的变化便能够精细化反演声回波的时间、强度信息。
其中，单波束声发射换能器装置10包括：产生脉冲信号的信号发生器、放大信号的功率放大器和超声探头。
其中，本发明实施例对上述固定装置的结构、形状不做限制，只要起到固定作用的装置均可。
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单波束回波精密探测方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
构建依次由光发射器、准直透镜、超声换能器、光阑、凸透镜和光电接收器组成的单波束回波光学探测装置；
设置光发射器工作在稳强模式，将光发射器的输出光线进行准直，激光穿过超声回波作用区域；
出射口放置小孔光阑，仅让中心直射光通过；选择焦距合适的凸透镜，调节凸透镜的位置使得透镜中心与光线中心在同一条直线上；
将光电接收器置于凸透镜的焦点位置；记录光电接收器的信号波形；根据光电信号波形反演声场信息，即保证入射光I不变，通过探测出射零级光强I0发生的变化即可以得到光线作用区域声场的频率、强度和相位等信息。
2.根据权利要求1所述的一种基于声光效应的水下单波束回波精密探测方法，其特征在于，
所述光发射器为光波长为633nm的He-Ne激光器，其发出一束功率为1.3mW，波长为633nm的红光，经过放大倍数为2X的准直透镜后，光束直径变为3mm，穿过超声回波作用区域。
3.根据权利要求1所述的一种基于声光效应的水下单波束回波精密探测方法，其特征在于，所述探测方法还包括：
超声回波场设置在一个透明水箱中，在水箱边上与激光束高度相同位置放置一个频率为1MHz超声换能器；
超声换能器发出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，超声脉冲到达水箱壁后会发生声反射，声回波返回时经过激光束区域。
4.根据权利要求1所述的一种基于声光效应的水下单波束回波精密探测方法，其特征在于，所述出射口放置小孔光阑，仅让中心直射光通过具体为：
在激光出射位置放置一个小孔直径为0.5mm的小孔光阑，其轴心与光束中心对齐，从而仅允许中间零级光通过，滤掉其他方向衍射光，降低其对零级光探测的干扰。
5.一种单波束的回波探测系统，其特征在于，所述回波探测系统用于实施权利要求1-4中任一权利要求所述的回波探测方法，
所述回波探测装置包括：光发射装置、光接收装置以及单波束声发射换能器装置，
所述单波束声发射换能器装置向海底发射声波，光发射装置发出一束激光，光接收装置实时接收激光强度信号，当单波束声回波到达光束区域时便会发生声光效应，使激光光强发生改变，根据激光光强的变化便能够精细化反演声回波的时间、强度信息。
6.根据权利要求5所述的一种单波束的回波探测系统，其特征在于，
所述单波束声发射换能器装置包括：产生脉冲信号的信号发生器、放大信号的功率放大器和超声探头。
7.根据权利要求5所述的一种单波束的回波探测系统，其特征在于，
所述光发射装置，用于利用固定装置将内部的光发射器和准直透镜固定在相应位置以形成能够发出强度稳定、大功率的激光束。
8.根据权利要求5所述的一种单波束的回波探测系统，其特征在于，
所述光接收装置包括：限制光斑接收的光阑、具有会聚作用的凸透镜和将光波信号转换为数字信号的光电接收器；
所述光阑、凸透镜、以及光电接收器均被固定装置固定在同一水平高度上。
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