[發(fā)明專利]相干激光遙感探測水下聲信號的方法和裝置

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200710042777.4
• 申請日: 2007-06-27
• 公開（公告）號: CN101082671A
• 公開（公告）日: 2007-12-05
• 發(fā)明（設計）人: 陳衛(wèi)標;尚建華;賀巖
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學院上海光學精密機械研究所
• 主分類號: G01S17/06
• 分類號: G01S17/06;G01S17/88
• 代理公司: 上海新天專利代理有限公司
• 代理人: 張澤純

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及激光遙感，特別是一種相干激光遙感探測水下聲信號的方法和裝置，實現(xiàn)遠距離、非接觸地探測水下聲信號，可以用作水下儀器對水上平臺的無線、無中繼設備的遠距離通信的接收端。

背景技術(shù)

由于水氣的特性阻抗不同，大部分水下聲波在界面處被反射，穿透到水面上的聲波損耗非常大，為了探測水下聲信號，必須將接收換能器浸入水中，再將探測到的聲信號以電纜或無線電方式傳送給水上平臺，這種存在濕端中繼的探測方式限制了水上平臺探測水下聲信號的機動性。為了克服這一難題，當前采用一種激光遙感探測水下聲信號的方法——非相干激光遙感探測水下聲信號方法^[1，2]。請參見文獻：1.桑國明，田作喜，何錦林，崔桂華，激光竊聽技術(shù)在水聲信號檢測中的應用研究，艦船電子工程，1999年第6期和2.伊厚會，孫金祚，利用激光探測水下聲場的理論研究，煙臺大學學報，Vol.16No.4Oct.2003。

該方法的原理如圖1所示，激光器01將激光以固定角度入射水表面03，水下發(fā)聲器04發(fā)出的聲信號導致的水表面波動會對激光反射光進行方位調(diào)制。對于固定位置的激光接收探測器02而言，反射光的方位變化就會形成探測器面上激光的強度調(diào)制，從而將聲波的調(diào)制信息傳遞到激光接收探測器02上，這樣，利用激光的強度調(diào)制信息可以探測水下聲信號。

該方法是測量激光受水表面的幅度調(diào)制，光源采用普通激光器即可，實現(xiàn)難度較低。但是，該方法存在以下缺點：

(1)探測靈敏度與激光入射角的余弦值cos(θ)成正比，當激光入射角很小時，探測靈敏度大大降低。而對于遠距離探測水下聲信號，難以實現(xiàn)大角度測量，因此，該方法無法實現(xiàn)遠距離的探測。

(2)發(fā)射和接收機的角度必須嚴格匹配，光路調(diào)節(jié)難度大。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的就是要彌補上述現(xiàn)有的非相干激光遙感探測水下聲信號方法的不足，提供一種相干激光遙感探測水下聲信號方法及裝置，以實現(xiàn)遠距離探測水下聲信號，而且該裝置應具有探測靈敏度高、測量距離遠、光路靈活、結(jié)構(gòu)可靠、調(diào)節(jié)容易的優(yōu)點。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下：

一種相干激光遙感探測水下聲信號的方法，特征在于該方法是將單頻激光器輸出的單頻激光分為探測光和參考光，探測光經(jīng)過光外差調(diào)制后發(fā)射到待測水面；水下儀器發(fā)出的聲波使待測水表面形成受迫振動，該受迫振動的振動頻率和幅度分別和水下儀器發(fā)出的聲波的頻率和強度一致；所述的探測光在待測水面形成的反射光的頻率受待測水面的振動速度調(diào)制，反射光和參考光相干，經(jīng)過光電探測器接收，電外差解調(diào)器解調(diào)出待測水表面的振動速度，進而獲得水下聲波的波形，實現(xiàn)對水下聲信號的探測。

實現(xiàn)上述方法的相干激光遙感探測水下聲信號的裝置，包括激光器、光分束器、光移頻器、光環(huán)形器、望遠鏡、光合束器、光電探測器、電外差解調(diào)器、外差信號驅(qū)動放大器，其位置關(guān)系是：激光器發(fā)射的激光經(jīng)過光分束器分為探測光和參考光，探測光進入光移頻器；電外差解調(diào)器輸出外差電信號，經(jīng)過外差信號驅(qū)動放大器放大后驅(qū)動光移頻器，使通過光移頻器的探測光產(chǎn)生和外差信號相同頻率的頻移；移頻后的探測光進入光環(huán)形器的第一端口，從第二端口輸出，再經(jīng)過望遠鏡發(fā)射到待測水面；水面的反射光再由該望遠鏡接收，從光環(huán)形器的第二端口進入光環(huán)形器，從第三端口輸出，反射光與參考光在光合束器中合束，由光電探測器探測相干光信號，并將其轉(zhuǎn)化為電信號，經(jīng)過電外差解調(diào)器解調(diào)出水下聲信號的波形。

所述的激光器為單頻光纖激光器。

所述的光移頻器為聲光移頻器。

所述的光分束器和光合束器均為光纖結(jié)構(gòu)。

所述的光電探測器為PIN光電二極管。

所述的各光學器件均采用光纖接口，之間的光路均由單模光纖構(gòu)成，望遠鏡的孔徑和焦距比值大于單模光纖數(shù)值孔徑的2倍。

激光器發(fā)射的激光經(jīng)過光分束器分為探測光和參考光，因為探測光發(fā)射和接收都要經(jīng)過望遠鏡的耦合損失和目標的反射損失，會有較大的衰減，因此，分出的探測光應大于參考光。

探測光進入光移頻器，電外差解調(diào)器輸出外差電信號，經(jīng)過外差信號驅(qū)動放大器放大后驅(qū)動光移頻器，使得通過光移頻器的探測光產(chǎn)生和外差信號相同頻率的頻移，外差信號的頻率大小應參考所測量水下聲信號引起的水面振動速度，確保振動速度引起的光頻移小于外差信號的頻率。