CN112505668A - 激光致声发射相控阵聚焦系统 - Google Patents
激光致声发射相控阵聚焦系统 Download PDFInfo
- Publication number
- CN112505668A CN112505668A CN202011381605.1A CN202011381605A CN112505668A CN 112505668 A CN112505668 A CN 112505668A CN 202011381605 A CN202011381605 A CN 202011381605A CN 112505668 A CN112505668 A CN 112505668A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- laser
- phased array
- acoustic
- transmitting
- emission
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims abstract description 16
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 claims abstract description 15
- 230000005284 excitation Effects 0.000 claims abstract description 12
- 238000004891 communication Methods 0.000 claims abstract description 7
- 230000000694 effects Effects 0.000 claims description 5
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 5
- 230000001427 coherent effect Effects 0.000 claims description 3
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 claims description 3
- 230000001960 triggered effect Effects 0.000 claims description 2
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 10
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 7
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 5
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 5
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 4
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 3
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 3
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 238000004880 explosion Methods 0.000 description 2
- 238000000034 method Methods 0.000 description 2
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 2
- 230000006978 adaptation Effects 0.000 description 1
- 238000003491 array Methods 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 239000012141 concentrate Substances 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000013507 mapping Methods 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 230000005236 sound signal Effects 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
- 238000012876 topography Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
- G01S7/52—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S15/00
- G01S7/523—Details of pulse systems
- G01S7/524—Transmitters
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S15/00—Systems using the reflection or reradiation of acoustic waves, e.g. sonar systems
- G01S15/88—Sonar systems specially adapted for specific applications
Abstract
本发明提供一种激光致声发射相控阵聚焦系统，包括发射时延模块和发射相控阵；所述发射相控阵包括至少两个激光声相控阵单元，所述激光声相控阵单元包括光纤激光器和激光声换能器，所述激发延时器与光纤激光器通信连接；所述发射时延模块，用于将各路控制信号在激光发射控制模块的控制下，分别延时预设时延后送至光纤激光器；所述光纤激光器，用于根据收到的控制信号产生激光；所述激光声换能器，用于根据光纤激光器产生的激光产生激光声信号。本发明可提高激光声的声源级以及声利用率；同时通过改变光纤激光器和相控阵的参数，可提高激光声的距离分辨率和角度分辨率。
Description
技术领域
本发明涉及水下目标探测领域，具体是一种激光致声发射相控阵聚焦系统。
背景技术
在海洋开发利用与打赢信息化战争的军事斗争准备中，传统声呐声源的探测、对抗等能力在多个领域遇到了严峻的挑战。传统声纳所产生声频带比较窄，若需要产生宽频带信号，需要多个不同结构尺寸的声纳组合使用，结构比价复杂。面对水雷蛙人小目标探测识别、舰船水声对抗、海底地形地貌测绘等领域，有时需要宽频带的信号，因此设计制造新型声呐换能器是解决上述问题的关键所在。
本申请的发明人在实现本发明的过程中经过研究发现：激光照射液体介质时，当作用区域的激光能量及功率密度同时超过击穿介质所需的能量击穿阈值和功率击穿阈值时，将引起光击穿，产生水下激光致声信号。激光声作为新型的声呐声源既具有爆炸声源的宽频谱、高声源级和高距离分辨力的优点，又具有传统声呐换能器可重复的优点。具体来讲有以下五个方面优势：一是激光声频谱宽、距离分辨力高；二是主频可调，抗噪声干扰能力强，可适用于多种不同用途的声呐；三是利用可重复的激光脉冲和物理性质稳定的透明液体获得重复性好的激光声信号；四是激光声的相位稳定；五是在水下通信领域，可通过对激光参数的调制实现对激光声信号的调制，利用调制过的激光声信号实现保密快速的水下通信。
发明内容
本发明的目的提供一种激光致声发射相控阵聚焦系统，且具有声束受控偏转和聚焦的特点，可提高激光声的声源级以及声利用率；同时通过改变光纤激光器和相控阵的参数，可提高激光声的距离分辨率和角度分辨率。
一种激光致声发射相控阵聚焦系统，包括发射时延模块和发射相控阵；所述发射相控阵包括至少两个激光声相控阵单元，所述激光声相控阵单元包括光纤激光器和激光声换能器，所述激发延时器与光纤激光器通信连接；
所述发射时延模块，用于将各路控制信号在激光发射控制模块的控制下，分别延时预设时延后送至光纤激光器；
所述光纤激光器，用于根据收到的控制信号产生激光；
所述激光声换能器，用于根据光纤激光器产生的激光产生激光声信号。
进一步的，所述光纤激光器发射的激光，通过所述激光声换能器的扩散聚焦镜头组，将激光光束先展宽再聚焦，击穿液体介质产生激光声信号。
进一步的，所述的发射相控阵由至少两个激光声相控阵单元按一定的形状、尺寸排列而构成，通过控制激光声相控阵单元中的光纤激光器，按照设定好的时延序列激励触发，使得激光声相控阵单元在不同的时刻激励产生激光声信号，在不同相位的激光声相干子波束在空间中叠加干涉，产生的合成波束具有偏转或者聚焦的效果。
进一步的，所述激光声换能器中采用矩形活塞式阵元。
本发明具有如下有益效果：
1、实现激光致声信号的指向性控制
利用光纤激光器的发射信号触发时序控制，达到对不同激光声源阵源激发时序的控制，通过水下声信号的合成技术，形成对激光直射信号的指向性控制；
2、实现激光致声信号的增强效果
利用水下声相控阵合成技术，使激光声信号在空间干涉合成，提高激光声信号在指定方向上的声源级；
3、激光致声相控阵系统机动性高
激光致声相控阵系统利用光纤激光器功耗低、体积小、重量轻、可靠性高，可方便安装在水下平台上，提高各单元通信的机动性；
4、普适性和可用性强
针对不同的水下平台，选取适用的激光器类型和设计，满足不同水下平台间的有效适配。
附图说明
图1是本发明激光致声发射相控阵聚焦系统其中一个实施例的结构示意图；
图2是本发明发射相控阵中激光声相控阵单元的布置示意图；
图3(a)是本发明发射相控阵发射偏转示意图，图3(b)是本发明发射相控阵聚焦示意图；
图4是本发明矩阵声阵面坐标系示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，为本发明激光致声发射相控阵聚焦系统其中一个实施，包括发射时延模块和发射相控阵；所述发射相控阵包括至少两个激光声相控阵单元，所述激光声相控阵单元包括光纤激光器和激光声换能器，所述激发延时器与光纤激光器通信连接。
所述发射时延模块，用于将各路控制信号在激光发射控制模块的控制下，分别延时预设时延后送至光纤激光器；
所述光纤激光器，用于根据收到的控制信号产生激光；
所述激光声换能器，用于根据光纤激光器产生的激光产生激光声信号，具体的，所述光纤激光器发射的激光，通过所述激光声换能器的扩散聚焦镜头组，将激光光束先展宽再聚焦，击穿液体介质产生激光声信号。
所述的发射相控阵结构如图2所示，由至少两个激光声相控阵单元按一定的形状、尺寸排列而构成的，通过控制激光声相控阵单元中的光纤激光器，按照设定好的时延序列激励触发，使得各发射阵元(即激光声相控阵单元)在不同的时刻激励产生激光声信号，在不同相位的激光声相干子波束在空间中叠加干涉，产生的合成波束具有偏转或者聚焦的效果，如图3(a)和图3(b)所示。
多路激光声相控阵单元，通过激光发射控制模块设置，利用激发延时器控制各激光致声发射阵元的工作时序，合成有指向性的激光声信号。
激光声信号发射聚焦的原理是：
置于均匀介质中的单个振源，辐射声场通常可以用速度势函数
来求解：
式中
为场点的空间位置矢量。假设一个活塞式阵元面上各点的振动幅值和相位均相同，那么任意激励v(t)在场点
处产生的速度势函数可由下式得到：
式中，v(t)为激励函数，*代表卷积算子。其中积分：
称为空间冲击响应，表示换能器收到单位冲激信号δ(t)激励后场点
处的响应，可以将其看成一个线性系统在空间一点的冲激响应。
利用空间冲激响应，辐射声场可由下式给出：
上面的卷积模型可以计算任意激励下换能器的辐射声场。由于这种模型采用了线性系统的理论，可以描述任意表面振动速度幅值分布的换能器辐射声场。因此，基于空间冲激响应的辐射声场模型可以描述任意形状、任意大小及任意表面振速幅值分布的换能器或者换能阵列受到任意激励时的声场分布，而且可以描述连续波的声场分布。
假设任意形状、大小的活塞式换能器置于均匀介质中，用单一频率的波形进行激励，使得换能器表面各点的振动幅值和相位都相同，即声源以v(t)振动，辐射声场模型可得连续辐射声场为：
式中：ρ0为介质密度，c0为声波速度，k为波数，u0为振动幅值， R为面元到场点的距离，式中ej(ωt-α)代表是时间的函数。
在激光声换能器中一般采用矩形活塞式阵元，它的辐射声场可以通过上面的公式求得。矩形活塞式阵元被分割成一系列的矩形单元，如图4所示，这些单元相对于点源来说足够大，但是又足够小，采用上述分割之后，矩形阵元的声压幅值分布为各个单元的声压幅值叠加之和：
式中，N为矩形单元的个数，u0激励函数的振动幅值，所有矩形阵元的振动幅值都一样，A为矩形单元的面积。
图4中假设第n个矩形单元的中心坐标为(xn,yn)，定义了一个以(xn,yn)为原点的新的坐标系x0，y0，因此矩形阵元的声压幅值可表示为：
式中
需要进行适当的近似。选择较小的Δw和Δh，使得矩形单元到场点的距离远远大于单元的尺寸，场点位于矩形单元的远场区域。
对于单个微小矩形换能器，如果它的长a和宽b已经足够小，在满足远场条件下，该换能器产生的辐射声场为：
式中，R为场点到单个振源中心的距离，θ1为R与平面yoz的夹角，θ1为R与平面xoz的夹角。
前面计算得到的是单个矩形阵元换能器的辐射声场分布，对于由矩形阵元组成的线性阵列换能器的辐射声场可以对阵列中所有阵元产生的辐射声场进行叠加得到。
上式是声阵列所有阵元同频、同相、同幅振动时产生的合成辐射声场分布。指向性是指超声波定向发射传播的性质，反应了超声换能器在一个方向上集中波束的能力，是超声换能器辐射声场的重要性质。指向性函数实质上表示的是声场中距离声源半径为r处的弧线上某点的声压与最大声压的比值，反映了波束传播的质量。
本发明公开一种激光致声发射相控阵聚焦系统，该系统基于激光聚焦击穿产生点爆炸声源效应，利用旋转抛物面的声学反射特性，对激光声波束进行调整及控制，产生窄波束，通过相控阵技术使单个激光致声源自不移动的情况下，完成高速扫描，并且具有声束受控偏转和聚焦的特点，提高激光声的声源级和声利用率；同时，通过改变光纤激光器和相控阵的参数，可提高激光声的距离分辨率和角度分辨率。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。
Claims (4)
1.一种激光致声发射相控阵聚焦系统，其特征在于：包括发射时延模块和发射相控阵；所述发射相控阵包括至少两个激光声相控阵单元，所述激光声相控阵单元包括光纤激光器和激光声换能器，所述激发延时器与光纤激光器通信连接；
所述发射时延模块，用于将各路控制信号在激光发射控制模块的控制下，分别延时预设时延后送至光纤激光器；
所述光纤激光器，用于根据收到的控制信号产生激光；
所述激光声换能器，用于根据光纤激光器产生的激光产生激光声信号。
2.如权利要求1所述的激光致声发射相控阵聚焦系统，其特征在于：所述光纤激光器发射的激光，通过所述激光声换能器的扩散聚焦镜头组，将激光光束先展宽再聚焦，击穿液体介质产生激光声信号。
3.如权利要求1所述的激光致声发射相控阵聚焦系统，其特征在于：所述的发射相控阵由至少两个激光声相控阵单元按一定的形状、尺寸排列而构成，通过控制激光声相控阵单元中的光纤激光器，按照设定好的时延序列激励触发，使得激光声相控阵单元在不同的时刻激励产生激光声信号，在不同相位的激光声相干子波束在空间中叠加干涉，产生的合成波束具有偏转或者聚焦的效果。
4.如权利要求1所述的激光致声发射相控阵聚焦系统，其特征在于：所述激光声换能器中采用矩形活塞式阵元。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202011381605.1A CN112505668B (zh) | 2020-12-01 | 2020-12-01 | 激光致声发射相控阵聚焦系统 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202011381605.1A CN112505668B (zh) | 2020-12-01 | 2020-12-01 | 激光致声发射相控阵聚焦系统 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN112505668A true CN112505668A (zh) | 2021-03-16 |
| CN112505668B CN112505668B (zh) | 2024-02-13 |
Family
ID=74968828
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202011381605.1A Active CN112505668B (zh) | 2020-12-01 | 2020-12-01 | 激光致声发射相控阵聚焦系统 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN112505668B (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115276829A (zh) * | 2022-08-05 | 2022-11-01 | 天津大学 | 一种基于声学超表面的激光致声换能器系统 |
Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6813218B1 (en) * | 2003-10-06 | 2004-11-02 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy | Buoyant device for bi-directional acousto-optic signal transfer across the air-water interface |
| CN101334381A (zh) * | 2007-06-28 | 2008-12-31 | 硕德（北京）科技有限公司 | 矢量相控阵超声检测参数优化方法 |
| CN104808208A (zh) * | 2015-04-16 | 2015-07-29 | 浙江大学 | 一种基于激光声源探测水下目标方位及尺寸的测量系统及其测量方法 |
| WO2017202362A1 (zh) * | 2016-05-25 | 2017-11-30 | 深圳开立生物医疗科技股份有限公司 | 一种超声成像方法、系统及装置 |
| CN107918132A (zh) * | 2017-11-01 | 2018-04-17 | 北京臻迪科技股份有限公司 | 水下超声相控阵探测系统及水下探测方法 |
| US20190242994A1 (en) * | 2018-02-02 | 2019-08-08 | Teledyne Instruments, Inc. | Acoustic phased array with reduced beam angle |
| CN110367942A (zh) * | 2019-08-23 | 2019-10-25 | 中国科学技术大学 | 光声成像系统及方法 |
| CN110553715A (zh) * | 2019-09-09 | 2019-12-10 | 北京航空航天大学 | 一种基于激光干涉的光纤阵列式声波信号采集装置 |
-
2020
- 2020-12-01 CN CN202011381605.1A patent/CN112505668B/zh active Active
Patent Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6813218B1 (en) * | 2003-10-06 | 2004-11-02 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy | Buoyant device for bi-directional acousto-optic signal transfer across the air-water interface |
| CN101334381A (zh) * | 2007-06-28 | 2008-12-31 | 硕德（北京）科技有限公司 | 矢量相控阵超声检测参数优化方法 |
| CN104808208A (zh) * | 2015-04-16 | 2015-07-29 | 浙江大学 | 一种基于激光声源探测水下目标方位及尺寸的测量系统及其测量方法 |
| WO2017202362A1 (zh) * | 2016-05-25 | 2017-11-30 | 深圳开立生物医疗科技股份有限公司 | 一种超声成像方法、系统及装置 |
| CN107918132A (zh) * | 2017-11-01 | 2018-04-17 | 北京臻迪科技股份有限公司 | 水下超声相控阵探测系统及水下探测方法 |
| US20190242994A1 (en) * | 2018-02-02 | 2019-08-08 | Teledyne Instruments, Inc. | Acoustic phased array with reduced beam angle |
| CN110367942A (zh) * | 2019-08-23 | 2019-10-25 | 中国科学技术大学 | 光声成像系统及方法 |
| CN110553715A (zh) * | 2019-09-09 | 2019-12-10 | 北京航空航天大学 | 一种基于激光干涉的光纤阵列式声波信号采集装置 |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| A.J.A.BRUINSMA 等: "Utrasonic noncontact inspection syetem with optical fiber methods", APPLIED OPTICS, vol. 27, no. 22, pages 4690 - 4695 * |
| 刘晨 等: "超声数字式相控阵换能器动态聚焦系统研制", 应用科技, vol. 19, no. 6, pages 14 - 18 * |
| 王雨虹;王江安;吴荣华;: "收发一体激光致声换能器声特性分析", 哈尔滨工程大学学报, no. 11, pages 1306 - 1310 * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115276829A (zh) * | 2022-08-05 | 2022-11-01 | 天津大学 | 一种基于声学超表面的激光致声换能器系统 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN112505668B (zh) | 2024-02-13 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CA2753248C (en) | Parametric seismic source | |
| US8213262B2 (en) | Transducer array arrangement and operation for sodar applications | |
| US20230333230A1 (en) | Sonar system with adjusted beam | |
| RU2271551C2 (ru) | Способ обнаружения подводных объектов и устройство для его осуществления | |
| CN112505668B (zh) | 激光致声发射相控阵聚焦系统 | |
| Liu et al. | High-resolution two-dimensional imaging using MIMO sonar with limited physical size | |
| Hirama et al. | Adaptive ultrasonic array imaging system through an inhomogeneous layer | |
| CN103971672A (zh) | 控制指向性的水下激光声源及其控制方法 | |
| Dungan et al. | Orientation effects on linear time-reversing array retrofocusing in shallow water | |
| US9523770B1 (en) | Multiple frequency parametric sonar | |
| Blackmon et al. | A remote optical system for port and harbor defense | |
| RU2689998C1 (ru) | Многочастотный гидролокатор бокового обзора | |
| US3891961A (en) | Sonar countermeasure | |
| CN111025272A (zh) | 具备隧道效应抑制能力的平面声学基阵超宽覆盖波束发射方法 | |
| Bjørnø | Finite-amplitude waves | |
| CN115276829B (zh) | 一种基于声学超表面的激光致声换能器系统 | |
| Sabra et al. | Broadband performance of a moving time reversing array | |
| CA2810932C (en) | Defocusing beamformer method and system for a towed sonar array | |
| US20240004063A1 (en) | Acoustical applications of modulation beamforming technology | |
| RU178896U1 (ru) | Устройство для акустической гидролокации | |
| RU2518023C1 (ru) | Способ профилирования донных отложений | |
| Blondel et al. | The parametric side-scan sonar instrument and synthetic aperture sonar processing | |
| US5473578A (en) | Sonar and calibration utilizing non-linear acoustic reradiation | |
| Xionghou et al. | An MIMO sonar array for high-resolution 3D forward-looking imaging | |
| Meng et al. | Research on Searching rate Optimization Method of HPA Active Sonar |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |