[發(fā)明專(zhuān)利]一種基于聲光效應(yīng)的水下單波束回波精密探測(cè)方法及系統(tǒng)

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201810166705.9
• 申請(qǐng)日: 2018-02-28
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN108490422A
• 公開(kāi)（公告）日: 2018-09-04
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 翟京生;薛彬;陳陽(yáng);張凱
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 天津大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G01S7/539
• 分類(lèi)號(hào): G01S7/539;G01S15/89
• 代理公司: 天津市北洋有限責(zé)任專(zhuān)利代理事務(wù)所 12201
• 代理人: 李林娟

本發(fā)明公開(kāi)了一種基于聲光效應(yīng)的水下單波束回波精密探測(cè)方法及系統(tǒng)，包括：構(gòu)建依次由光發(fā)射器、準(zhǔn)直透鏡、超聲換能器、光闌、凸透鏡和光電接收器組成的單波束回波光學(xué)探測(cè)裝置；設(shè)置光發(fā)射器工作在穩(wěn)強(qiáng)模式，將光發(fā)射器的輸出光線進(jìn)行準(zhǔn)直，激光穿過(guò)超聲回波作用區(qū)域；出射口放置小孔光闌，僅讓中心直射光通過(guò)；選擇焦距合適的凸透鏡，調(diào)節(jié)凸透鏡的位置使得透鏡中心與光線中心在同一條直線上；將光電接收器置于凸透鏡的焦點(diǎn)位置；記錄光電接收器的信號(hào)波形；根據(jù)光電信號(hào)波形反演聲場(chǎng)信息，即保證入射光不變，通過(guò)探測(cè)出射零級(jí)光強(qiáng)發(fā)生的變化即可以得到光線作用區(qū)域聲場(chǎng)的頻率、強(qiáng)度和相位等信息。本發(fā)明充分解析聲回波信息，開(kāi)發(fā)更詳盡海洋地形測(cè)量。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及水下聲場(chǎng)探測(cè)領(lǐng)域，尤其涉及一種利用聲光效應(yīng)進(jìn)行聲波的光學(xué)解析，從而實(shí)現(xiàn)單波束回波的高精度探測(cè)，改良現(xiàn)有的單波束海底地形探測(cè)手段的方法。

背景技術(shù)

海底地形測(cè)量包括：水深測(cè)量、海上定位測(cè)量、海洋底質(zhì)探測(cè)和海底地形圖繪制等，是海洋測(cè)繪中極為重要的組成部分，其中水深測(cè)量是海底測(cè)量的核心內(nèi)容。從原始的竹竿、重繩測(cè)量水深，到后來(lái)的布魯可型測(cè)深器、錫格斯測(cè)深器、開(kāi)爾文測(cè)深器，再到近現(xiàn)代較為先進(jìn)的回聲測(cè)深設(shè)備，海洋測(cè)深手段一直不斷發(fā)展和進(jìn)步，在海底板塊運(yùn)動(dòng)、沉積物遷移變化、漁業(yè)養(yǎng)殖、潛水器安全航行、環(huán)境監(jiān)測(cè)等海洋科學(xué)研究、海洋軍事、海洋資源開(kāi)發(fā)和海洋工程中發(fā)揮著重要的作用。

現(xiàn)代常用的回聲測(cè)深設(shè)備主要有：?jiǎn)尾ㄊ晠葴y(cè)深儀等。單波束測(cè)深儀每次垂直向海底發(fā)射一個(gè)波束，通過(guò)測(cè)量超聲換能器和海底之間聲波的傳播時(shí)間，結(jié)合海水聲速計(jì)算水深值。

發(fā)明人在實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有技術(shù)中至少存在以下缺點(diǎn)和不足：

單波束測(cè)深儀的發(fā)明實(shí)現(xiàn)了水深測(cè)量從人工到自動(dòng)的變革，其測(cè)深精度依賴(lài)于水下聲速和回波時(shí)間探測(cè)的精確測(cè)量。

但是傳統(tǒng)的聲回波探測(cè)是利用超聲換能器進(jìn)行聲電轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換時(shí)間較長(zhǎng)，并且依賴(lài)于機(jī)械振動(dòng)，分辨能力受限。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提供了一種基于聲光效應(yīng)的水下單波束回波精密探測(cè)方法及系統(tǒng)，本發(fā)明利用自主設(shè)計(jì)的單波束回波光學(xué)探測(cè)裝置，在獲取高精度回波時(shí)間的同時(shí)，獲得聲強(qiáng)和相位信息，在利用現(xiàn)有單波束裝置的基礎(chǔ)上，充分解析聲回波信息，開(kāi)發(fā)更詳盡海洋地形測(cè)量，詳見(jiàn)下文描述：

一種基于聲光效應(yīng)的水下單波束回波精密探測(cè)方法，所述方法包括以下步驟：

構(gòu)建依次由光發(fā)射器、準(zhǔn)直透鏡、超聲換能器、光闌、凸透鏡和光電接收器組成的單波束回波光學(xué)探測(cè)裝置；

設(shè)置光發(fā)射器工作在穩(wěn)強(qiáng)模式，將光發(fā)射器的輸出光線進(jìn)行準(zhǔn)直，激光穿過(guò)超聲回波作用區(qū)域；

出射口放置小孔光闌，僅讓中心直射光通過(guò)；選擇焦距合適的凸透鏡，調(diào)節(jié)凸透鏡的位置使得透鏡中心與光線中心在同一條直線上；

將光電接收器置于凸透鏡的焦點(diǎn)位置；記錄光電接收器的信號(hào)波形；根據(jù)光電信號(hào)波形反演聲場(chǎng)信息，即保證入射光I不變，通過(guò)探測(cè)出射零級(jí)光強(qiáng)I₀發(fā)生的變化即可以得到光線作用區(qū)域聲場(chǎng)的頻率、強(qiáng)度和相位等信息。

所述光發(fā)射器為光波長(zhǎng)為633nm的He-Ne激光器，其發(fā)出一束功率為1.3mW，波長(zhǎng)為633nm的紅光，經(jīng)過(guò)放大倍數(shù)為2X的準(zhǔn)直透鏡后，光束直徑變?yōu)?mm，穿過(guò)超聲回波作用區(qū)域。

所述探測(cè)方法還包括：

超聲回波場(chǎng)設(shè)置在一個(gè)透明水箱中，在水箱邊上與激光束高度相同位置放置一個(gè)頻率為1MHz超聲換能器；

超聲換能器發(fā)出1MHz的超聲脈沖，脈沖寬度為50us，脈沖間隔為1ms，脈沖聲場(chǎng)傳輸方向與激光光束垂直，超聲脈沖到達(dá)水箱壁后會(huì)發(fā)生聲反射，聲回波返回時(shí)經(jīng)過(guò)激光束區(qū)域。

所述出射口放置小孔光闌，僅讓中心直射光通過(guò)具體為：