CN111189528B - 一种基于飞秒激光频率梳的高精度水下声速测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于飞秒激光频率梳的高精度水下声速测量方法，通过搭建双迈克尔逊干涉仪，并将飞秒激光器连接铷钟，光学频率梳的重复频率和偏移频率直接锁定在铷钟上，光学频梳的频率具有与铷钟一样的精确度；将超声换能器连接至信号源，并由功率放大器驱动；通过位移台扫描法测量声脉冲的飞行距离，利用飞秒激光频率梳所具备的短脉冲，通过干涉法测量声脉冲的飞行时间，最终实现水下声速的高精度测量。本发明利用了飞秒激光的优势，用光梳采集声脉冲的信息，避免了压电效应所产生的误差因素，降低了声剖仪直接测量水下声速的误差。本发明中对飞行距离和飞行时间同时进行测量，使得到的结果在很高的数量级上，大大提升了对声速测量的精确度。

Description

一种基于飞秒激光频率梳的高精度水下声速测量方法

技术领域

本发明属于水下声速测量领域，特别是涉及基于飞秒激光频率梳的高精度水下声速测量方法。

背景技术

海水声速测量对海洋的探测、定位、追踪都具有重要的意义。目前，海水声速测量的主要技术是声呐。声呐利用水中声波对水下目标进行探测，广泛用于鱼雷制导、船舶导航、水文测量、海底成像等重要海洋工程应用。水声探测最早的记录是在1490年，且最早的测量是在1827年。自此以后，经过长期的发展，海水声速的测量技术已日趋成熟，为海洋科学技术领域做出来巨大贡献。

海水声速主要测量方法主要分为直接法和间接法。海水中声速主要受温度、盐度、压力等三个参数的影响，这是间接法的基本原理。间接法是基于经验公式对声速的测量，国际上精度较高的经验公式有Del Grosso声速算法，Wilson声速算法、Chen-Millero-Li声速算法等，但是间接法受海水环境影响较大导致精度不高。直接法是测量与声速有关的物理量，根据路程、时间、速度之间的关系或者波长、波速、频率之间的关系获取声速。常用的方法如相位比较法，通过对比接受波相对于发射波的相位变化，准确率较高，但局限于很多声波不是正弦波。而目前广泛使用的基于压电换能器的直接测量法，实际的发声起点与声波接受终点是模糊的，溯源性较差。

发明内容

针对上述现有技术，基于飞秒激光频率梳的良好性质，由于其在时域上能够输出飞秒级脉冲宽度的脉冲光，重复频率稳定，精度高的特点在测距领域已取得了较多成果。在实际工程计量中对水下声速高精度测量的需求，将飞秒激光频率梳引进水下声速测量中，围绕飞秒激光频率梳的特点将此类短脉冲激光当成时间探针，来研究测量留在光脉冲上声脉冲的信息，进而实现声速的高精度测量。

为了解决上述技术问题，本发明提出的一种基于飞秒激光频率梳的高精度水下声速测量方法，该方法包括：搭建双迈克尔逊干涉仪，并将飞秒激光器连接铷钟，飞秒激光频率梳的重复频率和偏移频率直接锁定在铷钟上，飞秒激光频率梳的频率具有与铷钟一样的精确度；将超声换能器连接至信号源，并由功率放大器驱动；通过位移台扫描法测量声脉冲的飞行距离s，利用飞秒激光频率梳所具备的短脉冲，通过干涉法测量声脉冲的飞行时间t；利用公式

实现水下声速的高精度测量。

进一步讲，本方明中搭建的双迈克尔逊干涉仪，包括第一干涉仪和第二干涉仪；所述第一干涉仪包括第二分光镜，第一位移台，第一反射镜，第十二反射镜、第六反射镜和第八反射镜；所述第二分光镜和第一反射镜分别设置在水域两侧，所述第二分光镜和第一反射镜组成了第一测量臂，且所述第一测量臂的光路垂直于声脉冲飞行的方向，所述第一位移台位于水域的一侧，且所述第一位移台的移动方向与所述第一测量臂的光路平行，第六反射镜固定在所述第一位移台上，第一测量臂与由第二分光镜和不通过水域且固定在第一位移台上的第六反射镜组成的第一参考臂等臂，即光程差相等，沿第一测量臂和第一参考臂的两路光合束后经第八反射镜反射进入第一光电探测器，通过示波器得到干涉信号；所述第二干涉仪包括第四分光镜，第二位移台，第二反射镜，第十三反射镜、第七反射镜和第九反射镜；所述第四分光镜和第二反射镜分别设置在水域两侧，由所述第四分光镜和第二反射镜组成了第二测量臂，且所述第二测量臂的光路垂直于声脉冲飞行的方向，其中所述第二位移台设置在水域的另一侧，且所述第二位移台的移动方向与所述第二测量臂的光路平行，所述第七反射镜固定在第二位移台上，第二测量臂与由第四分光镜和不通过水域且固定在第二位移台上的第七反射镜组成的第二参考臂等臂，即光程差相等，沿第二测量臂和第二参考臂的两路光合束后经第九反射镜反射进入第二光电探测器，通过示波器得到干涉信号。

本发明中，通过位移台扫描法测量声脉冲飞行距离s，过程如下：

所述第一反射镜和第二反射镜分别与固定在持续移动的第三位移台上的第三反射镜构成干涉光路；当第一反射镜到第一分光镜与第三反射镜到第一分光镜光程差相等时为第一干涉光路；当第二反射镜到第三分光镜与第三反射镜到第三分光镜光程差相等时为第二干涉光路；经第一分光镜反射的反射光透过第三分光镜，反射到固定在第三位移台上的第三反射镜反射回第一分光镜，然后分别与经第一反射镜和第二反射镜分别反射回第一分光镜和第三分光镜的反射光，在第一分光镜合束后，由第十反射镜反射进入第三光电探测器；第五分光镜、第十四反射镜、第五反射镜和固定在持续移动的第三位移台上的第四反射镜构成测距干涉仪；所述第十四反射镜和第四反射镜构成第三测量臂，第五反射镜构成第三参考臂；固体激光器发出的连续光经过第五分光镜分为垂直的两束光，透射光经固定在第三位移台上的第四反射镜反射回第五分光镜，然后与经第五分光镜反射到第五反射镜产生的返回第五分光镜的反射光合束后，由第十一反射镜反射进入第四光电探测器；调节第三位移台的移动速度，在示波器上读出第三光电探测器和第四光电探测器信息，进而求得声脉冲的飞行距离s。

本发明中，通过干涉法测量声脉冲的飞行时间t，过程如下：

当第一测量臂与第一参考臂等光程时，由超声换能器发出的超声波通过第一测量臂时，第一测量臂的光程差改变，第一干涉仪产生干涉信号；第一分光镜将飞秒激光器发出的光脉冲分为垂直的两束光，第一透射光通过第二分光镜，透射光经过水域再经第一反射镜返回第二分光镜，与经第二分光镜反射到第十二反射镜产生的反射光，反射至固定在第一位移台上的第六反射镜反射回第二分光镜的反射光合束，经第八反射镜反射进入第一光电探测器，并连接到示波器读取数据；当第二测量臂与第二参考臂等光程时，由超声换能器发出的超声波通过第二测量臂时，第二测量臂的光程差改变，第二干涉仪产生干涉信号；经第一分光镜反射的反射光经过第三分光镜反射到第四分光镜；经第四分光镜的透射光经过水域再经第二反射镜返回第四分光镜，与经第四分光镜反射到第十三反射镜产生的反射光，反射至固定在第二位移台上的第七反射镜反射回第二分光镜的反射光合束，经第九反射镜反射进入第二光电探测器，并连接到示波器读取数据；通过计算第一干涉仪和第二干涉仪产生的干涉信号的时间差，进而求得声脉冲的飞行时间t。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明所采用的基于飞秒激光频率梳声光效应的干涉法，利用了飞秒激光的优势，将声脉冲的信息用光梳采集到，避免了压电效应所产生的误差因素，降低了声剖仪直接测量水下声速的误差。本发明中对飞行距离和飞行时间同时进行测量，使得到的结果在很高的数量级上，大大提升了对声速测量的精确度。同时构建更具有溯源性的测量方法，为服务于国家海洋探测工程提供新的思路，为国家的海洋事业做出贡献。

附图说明

图1是本发明所搭建的双迈克尔逊干涉仪的光路系统示意图；

图2是本发明中两测量臂受声调制后的干涉包络；

图3是固体激光器的干涉条纹。

图中：1-第一分光镜，2-第二分光镜，3-第一反射镜，4-第一位移台，5-第三分光镜，6-第四分光镜，7-第二反射镜，8-第二位移台，9-第三位移台，10-第三反射镜，11-第五分光镜，12-第四反射镜，13-第五反射镜，14-超声换能器，15-第十二反射镜，16-第六反射镜，17-第八反射镜，18-第十三反射镜，19-第七反射镜，20-第九反射镜，21-第十反射镜，22-第十四反射镜，23-第十一反射镜，24-第一光电探测器，25-第二光电探测器，26-第三光电探测器，27-第四光电探测器，28-飞秒激光器，29-铷钟，30-固体激光器，31-信号源，32-功率放大器，33-示波器。

具体实施方式

本发明中提出了一种利用飞秒激光频率梳所具备的短脉冲，重复频率稳定和测量精度高的特点，通过位移台扫描法测量飞行距离s和干涉法测量飞行时间t的方法，利用公式

实现水下声速的高精度测量，拓宽飞秒激光频率梳的应用范围。

本发明通过搭建的双迈克尔逊干涉仪测量声脉冲的飞行时间，旨在降低光强损失，使两干涉仪的信号不互相干扰，最大限度地提高了信噪比。超声波在水中传播时，由于水发生了弹性应变，其折射率也会随着时间周期性改变。声光作用区域，光束被超声波作用使光强改变的同时，光梳齿的间距也被超声波周期性调制。

本发明中搭建的双迈克尔逊干涉仪包括第一干涉仪和第二干涉仪。如图1所示，所述第一干涉仪包括第二分光镜2，第一位移台4，第一反射镜3，第十二反射镜15、第六反射镜16和第八反射镜17；所述第二分光镜2和第一反射镜3分别设置在水域两侧，所述第二分光镜2和第一反射镜3组成了第一测量臂，且所述第一测量臂的光路垂直于声脉冲飞行的方向，所述第一位移台4位于水域的一侧，且所述第一位移台4的移动方向与所述第一测量臂的光路平行，第六反射镜16固定在所述第一位移台4上，第一测量臂与由第二分光镜2和不通过水域且固定在第一位移台4上的第六反射镜16组成的第一参考臂等臂，即光程差相等，沿第一测量臂和第一参考臂的两路光合束后经第八反射镜17反射进入第一光电探测器24，通过示波器33得到干涉信号；所述第二干涉仪包括第四分光镜6，第二位移台8，第二反射镜7，第十三反射镜18、第七反射镜19和第九反射镜20；所述第四分光镜6和第二反射镜7分别设置在水域两侧，由所述第四分光镜6和第二反射镜7组成了第二测量臂，且所述第二测量臂的光路垂直于声脉冲飞行的方向，其中所述第二位移台8设置在水域的另一侧，且所述第二位移台8的移动方向与所述第二测量臂的光路平行，所述第七反射镜19固定在第二位移台8上，第二测量臂与由第四分光镜6和不通过水域且固定在第二位移台8上的第七反射镜19组成的第二参考臂等臂，即光程差相等，沿第二测量臂和第二参考臂的两路光合束后经第九反射镜20反射进入第二光电探测器25，通过示波器33得到干涉信号。如图2所示，分别为示波器三个通道所采得的信息。通道1CH1为通过功率放大器驱动超声换能器发出的五个周期正弦波的声脉冲信号。通道2CH2为声脉冲通过第一干涉仪所产生的干涉包络信号。通道3CH3为声脉冲通过第二干涉仪所产生的干涉包络信号。根据干涉原理，此时测量臂的光程差呈周期性改变，测量臂和参考臂的光梳齿周期性的交错产生等臂干涉现象。其中分别为声信号和两束光干涉包络。

本发明利用连续光的周期稳定性的优势，利用其测定飞行距离的准确性，建立测距干涉仪，如图1所示，由第五分光镜11、第十四反射镜22、第五反射镜13和固定在持续移动的第三位移台9上的第四反射镜12构成测距干涉仪。根据激光干涉仪的基本原理，利用光电探测器监测两光束之间的干涉情况，随着光程的改变，探测器能在每一次光程改变时找到相长性和相消性的变化信号。如图3所示，为固体激光器30发出的连续光，通过改变光程差所产生的干涉包络信号。连续光干涉包络信号两端的纺锤体状包络，为双迈克尔逊干涉仪产生，通过计算两纺锤体状包络峰值间的连续光干涉条纹数测得声脉冲的飞行距离s。

如图1所示，将飞秒激光器28连接铷钟29，飞秒激光频率梳的重复频率和偏移频率直接锁定在铷钟29上，使得重复频率锁至频率基准，飞秒激光频率梳的频率具有与铷钟29一样的精确度；将超声换能器14连接至信号源31，并由功率放大器32驱动。

利用本发明中所搭建的双迈克尔逊干涉仪，通过位移台扫描法测量声脉冲飞行距离s，过程如下：

(1)所述第一反射镜3和第二反射镜7分别与固定在持续移动的第三位移台9上的第三反射镜10构成干涉光路；当第一反射镜3到第一分光镜1与第三反射镜10到第一分光镜1光程差相等时为第一干涉光路；当第二反射镜7到第三分光镜5与第三反射镜10到第三分光镜5光程差相等时为第二干涉光路；经第一分光镜1反射的反射光透过第三分光镜5，反射到固定在第三位移台9上的第三反射镜10反射回第一分光镜1，然后分别与经第一反射镜3和第二反射镜7分别反射回第一分光镜1和第三分光镜5的反射光，在第一分光镜1合束后，由第十反射镜21反射进入第三光电探测器26；

(2)第五分光镜11、第十四反射镜22、第五反射镜13和固定在持续移动的第三位移台9上的第四反射镜12构成测距干涉仪；所述第十四反射镜22和第四反射镜12构成第三测量臂，第五反射镜13构成第三参考臂；固体激光器30发出的连续光经过第五分光镜11分为垂直的两束光，透射光经固定在第三位移台9上的第四反射镜12反射回第五分光镜11，然后与经第五分光镜11反射到第五反射镜13产生的返回第五分光镜11的反射光合束后，由第十一反射镜23反射进入第四光电探测器27；

(3)调节第三位移台9的移动速度，在示波器33上读出第三光电探测器26和第四光电探测器27信息，进而求得声脉冲的飞行距离s。

本发明中，通过干涉法测量声脉冲的飞行时间t，过程如下：

(1)当第一测量臂与第一参考臂等光程时，由超声换能器14发出的超声波通过第一测量臂时，第一测量臂的光程差改变，第一干涉仪产生干涉信号；第一分光镜1将飞秒激光器28发出的光脉冲分为垂直的两束光，第一透射光通过第二分光镜2，透射光经过水域再经第一反射镜3返回第二分光镜2，与经第二分光镜2反射到第十二反射镜15产生的反射光，反射至固定在第一位移台4上的第六反射镜16反射回第二分光镜2的反射光合束，经第八反射镜17反射进入第一光电探测器24，并连接到示波器33读取数据。

(2)当第二测量臂与第二参考臂等光程时，由超声换能器14发出的超声波通过第二测量臂时，第二测量臂的光程差改变，第二干涉仪产生干涉信号；经第一分光镜1反射的反射光经过第三分光镜5反射到第四分光镜6；经第四分光镜6的透射光经过水域再经第二反射镜7返回第四分光镜6，与经第四分光镜6反射到第十三反射镜18产生的反射光，反射至固定在第二位移台8上的第七反射镜19反射回第二分光镜2的反射光合束，经第九反射镜20反射进入第二光电探测器25，并连接到示波器33读取数据。

(3)通过计算第一干涉仪和第二干涉仪产生的干涉信号的时间差，进而求得声脉冲的飞行时间t。

总之，在第一光电探测器24和第二光电探测器25中得到的光脉冲经声脉冲调制的干涉信号，经过互相关处理，求得声脉冲飞行时间t。第三光电探测器26和第四光电探测器27中得到的两路测量臂与第三位移台9的参考臂产生的干涉信号，通过锁定两干涉信号的峰值，计算两峰值之间的连续光的干涉条纹数目，从而求得飞行距离s。最后根据公式

计算出声脉冲的水下速度。

尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (1)

1.一种基于飞秒激光频率梳的高精度水下声速测量方法，其特征在于，该方法包括：

搭建双迈克尔逊干涉仪，并将飞秒激光器(28)连接铷钟(29)，飞秒激光频率梳的重复频率和偏移频率直接锁定在铷钟(29)上，飞秒激光频率梳的频率具有与铷钟(29)一样的精确度；将超声换能器(14)连接至信号源(31)，并由功率放大器(32)驱动；

通过位移台扫描法测量声脉冲的飞行距离s，利用飞秒激光频率梳所具备的短脉冲，通过干涉法测量声脉冲的飞行时间t；

利用公式

实现水下声速的高精度测量；

搭建的双迈克尔逊干涉仪包括第一干涉仪和第二干涉仪；

所述第一干涉仪包括第二分光镜(2)，第一位移台(4)，第一反射镜(3)，第十二反射镜(15)、第六反射镜(16)和第八反射镜(17)；所述第二分光镜(2)和第一反射镜(3)分别设置在水域两侧，所述第二分光镜(2)和第一反射镜(3)组成了第一测量臂，且所述第一测量臂的光路垂直于声脉冲飞行的方向，所述第一位移台(4)位于水域的一侧，且所述第一位移台(4)的移动方向与所述第一测量臂的光路平行，第六反射镜(16)固定在所述第一位移台(4)上，第一测量臂与由第二分光镜(2)和不通过水域且固定在第一位移台(4)上的第六反射镜(16)组成的第一参考臂等臂，即光程差相等，沿第一测量臂和第一参考臂的两路光合束后经第八反射镜(17)反射进入第一光电探测器(24)，通过示波器(33)得到干涉信号；

所述第二干涉仪包括第四分光镜(6)，第二位移台(8)，第二反射镜(7)，第十三反射镜(18)、第七反射镜(19)和第九反射镜(20)；所述第四分光镜(6)和第二反射镜(7)分别设置在水域两侧，由所述第四分光镜(6)和第二反射镜(7)组成了第二测量臂，且所述第二测量臂的光路垂直于声脉冲飞行的方向，所述第二位移台(8)设置在水域的另一侧，且所述第二位移台(8)的移动方向与所述第二测量臂的光路平行，所述第七反射镜(19)固定在第二位移台(8)上，第二测量臂与由第四分光镜(6)和不通过水域且固定在第二位移台(8)上的第七反射镜(19)组成的第二参考臂等臂，即光程差相等，沿第二测量臂和第二参考臂的两路光合束后经第九反射镜(20)反射进入第二光电探测器(25)，通过示波器(33)得到干涉信号；

通过位移台扫描法测量声脉冲飞行距离s，过程如下：

所述第一反射镜(3)和第二反射镜(7)分别与固定在持续移动的第三位移台(9)上的第三反射镜(10)构成干涉光路；当第一反射镜(3)到第一分光镜(1)与第三反射镜(10)到第一分光镜(1)光程差相等时为第一干涉光路；当第二反射镜(7)到第三分光镜(5)与第三反射镜(10)到第三分光镜(5)光程差相等时为第二干涉光路；经第一分光镜(1)反射的反射光透过第三分光镜(5)，反射到固定在第三位移台(9)上的第三反射镜(10)反射回第一分光镜(1)，然后分别与经第一反射镜(3)和第二反射镜(7)分别反射回第一分光镜(1)和第三分光镜(5)的反射光，在第一分光镜(1)合束后，由第十反射镜(21)反射进入第三光电探测器(26)；

第五分光镜(11)、第十四反射镜(22)、第五反射镜(13)和固定在持续移动的第三位移台(9)上的第四反射镜(12)构成测距干涉仪；所述第十四反射镜(22)和第四反射镜(12)构成第三测量臂，第五反射镜(13)构成第三参考臂；固体激光器(30)发出的连续光经过第五分光镜(11)分为垂直的两束光，透射光经固定在第三位移台(9)上的第四反射镜(12)反射回第五分光镜(11)，然后与经第五分光镜(11)反射到第五反射镜(13)产生的返回第五分光镜(11)的反射光合束后，由第十一反射镜(23)反射进入第四光电探测器(27)；

调节第三位移台(9)的移动速度，在示波器(33)上读出第三光电探测器(26)和第四光电探测器(27)信息，进而求得声脉冲的飞行距离s；

通过干涉法测量声脉冲的飞行时间t，过程如下：

当第一测量臂与第一参考臂等光程时，由超声换能器(14)发出的超声波通过第一测量臂时，第一测量臂的光程差改变，第一干涉仪产生干涉信号；第一分光镜(1)将飞秒激光器(28)发出的光脉冲分为垂直的两束光，第一透射光通过第二分光镜(2)，透射光经过水域再经第一反射镜(3)返回第二分光镜(2)，与经第二分光镜(2)反射到第十二反射镜(15)产生的反射光，反射至固定在第一位移台(4)上的第六反射镜(16)反射回第二分光镜(2)的反射光合束，经第八反射镜(17)反射进入第一光电探测器(24)，并连接到示波器(33)读取数据；

当第二测量臂与第二参考臂等光程时，由超声换能器(14)发出的超声波通过第二测量臂时，第二测量臂的光程差改变，第二干涉仪产生干涉信号；经第一分光镜(1)反射的反射光经过第三分光镜(5)反射到第四分光镜(6)；经第四分光镜(6)的透射光经过水域再经第二反射镜(7)返回第四分光镜(6)，与经第四分光镜(6)反射到第十三反射镜(18)产生的反射光，反射至固定在第二位移台(8)上的第七反射镜(19)反射回第二分光镜(2)的反射光合束，经第九反射镜(20)反射进入第二光电探测器(25)，并连接到示波器(33)读取数据；

通过计算第一干涉仪和第二干涉仪产生的干涉信号的时间差，进而求得声脉冲的飞行时间t。

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