[發明專利]一種基于飛秒激光頻率梳的高精度水下聲速測量方法

有效

• 申請號: 202010023535.6
• 申請日: 2020-01-09
• 公開（公告）號: CN111189528B
• 公開（公告）日: 2022-04-08
• 發明（設計）人: 薛彬;劉超
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G01H5/00
• 分類號: G01H5/00;G01H9/00
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 李麗萍

1.一種基于飛秒激光頻率梳的高精度水下聲速測量方法，其特征在于，該方法包括：

搭建雙邁克爾遜干涉儀，并將飛秒激光器(28)連接銣鐘(29)，飛秒激光頻率梳的重復頻率和偏移頻率直接鎖定在銣鐘(29)上，飛秒激光頻率梳的頻率具有與銣鐘(29)一樣的精確度；將超聲換能器(14)連接至信號源(31)，并由功率放大器(32)驅動；

通過位移臺掃描法測量聲脈沖的飛行距離s，利用飛秒激光頻率梳所具備的短脈沖，通過干涉法測量聲脈沖的飛行時間t；

利用公式實現水下聲速的高精度測量；

搭建的雙邁克爾遜干涉儀包括第一干涉儀和第二干涉儀；

所述第一干涉儀包括第二分光鏡(2)，第一位移臺(4)，第一反射鏡(3)，第十二反射鏡(15)、第六反射鏡(16)和第八反射鏡(17)；所述第二分光鏡(2)和第一反射鏡(3)分別設置在水域兩側，所述第二分光鏡(2)和第一反射鏡(3)組成了第一測量臂，且所述第一測量臂的光路垂直于聲脈沖飛行的方向，所述第一位移臺(4)位于水域的一側，且所述第一位移臺(4)的移動方向與所述第一測量臂的光路平行，第六反射鏡(16)固定在所述第一位移臺(4)上，第一測量臂與由第二分光鏡(2)和不通過水域且固定在第一位移臺(4)上的第六反射鏡(16)組成的第一參考臂等臂，即光程差相等，沿第一測量臂和第一參考臂的兩路光合束后經第八反射鏡(17)反射進入第一光電探測器(24)，通過示波器(33)得到干涉信號；

所述第二干涉儀包括第四分光鏡(6)，第二位移臺(8)，第二反射鏡(7)，第十三反射鏡(18)、第七反射鏡(19)和第九反射鏡(20)；所述第四分光鏡(6)和第二反射鏡(7)分別設置在水域兩側，由所述第四分光鏡(6)和第二反射鏡(7)組成了第二測量臂，且所述第二測量臂的光路垂直于聲脈沖飛行的方向，所述第二位移臺(8)設置在水域的另一側，且所述第二位移臺(8)的移動方向與所述第二測量臂的光路平行，所述第七反射鏡(19)固定在第二位移臺(8)上，第二測量臂與由第四分光鏡(6)和不通過水域且固定在第二位移臺(8)上的第七反射鏡(19)組成的第二參考臂等臂，即光程差相等，沿第二測量臂和第二參考臂的兩路光合束后經第九反射鏡(20)反射進入第二光電探測器(25)，通過示波器(33)得到干涉信號；

通過位移臺掃描法測量聲脈沖飛行距離s，過程如下：

所述第一反射鏡(3)和第二反射鏡(7)分別與固定在持續移動的第三位移臺(9)上的第三反射鏡(10)構成干涉光路；當第一反射鏡(3)到第一分光鏡(1)與第三反射鏡(10)到第一分光鏡(1)光程差相等時為第一干涉光路；當第二反射鏡(7)到第三分光鏡(5)與第三反射鏡(10)到第三分光鏡(5)光程差相等時為第二干涉光路；經第一分光鏡(1)反射的反射光透過第三分光鏡(5)，反射到固定在第三位移臺(9)上的第三反射鏡(10)反射回第一分光鏡(1)，然后分別與經第一反射鏡(3)和第二反射鏡(7)分別反射回第一分光鏡(1)和第三分光鏡(5)的反射光，在第一分光鏡(1)合束后，由第十反射鏡(21)反射進入第三光電探測器(26)；

第五分光鏡(11)、第十四反射鏡(22)、第五反射鏡(13)和固定在持續移動的第三位移臺(9)上的第四反射鏡(12)構成測距干涉儀；所述第十四反射鏡(22)和第四反射鏡(12)構成第三測量臂，第五反射鏡(13)構成第三參考臂；固體激光器(30)發出的連續光經過第五分光鏡(11)分為垂直的兩束光，透射光經固定在第三位移臺(9)上的第四反射鏡(12)反射回第五分光鏡(11)，然后與經第五分光鏡(11)反射到第五反射鏡(13)產生的返回第五分光鏡(11)的反射光合束后，由第十一反射鏡(23)反射進入第四光電探測器(27)；

調節第三位移臺(9)的移動速度，在示波器(33)上讀出第三光電探測器(26)和第四光電探測器(27)信息，進而求得聲脈沖的飛行距離s；

通過干涉法測量聲脈沖的飛行時間t，過程如下：

當第一測量臂與第一參考臂等光程時，由超聲換能器(14)發出的超聲波通過第一測量臂時，第一測量臂的光程差改變，第一干涉儀產生干涉信號；第一分光鏡(1)將飛秒激光器(28)發出的光脈沖分為垂直的兩束光，第一透射光通過第二分光鏡(2)，透射光經過水域再經第一反射鏡(3)返回第二分光鏡(2)，與經第二分光鏡(2)反射到第十二反射鏡(15)產生的反射光，反射至固定在第一位移臺(4)上的第六反射鏡(16)反射回第二分光鏡(2)的反射光合束，經第八反射鏡(17)反射進入第一光電探測器(24)，并連接到示波器(33)讀取數據；

當第二測量臂與第二參考臂等光程時，由超聲換能器(14)發出的超聲波通過第二測量臂時，第二測量臂的光程差改變，第二干涉儀產生干涉信號；經第一分光鏡(1)反射的反射光經過第三分光鏡(5)反射到第四分光鏡(6)；經第四分光鏡(6)的透射光經過水域再經第二反射鏡(7)返回第四分光鏡(6)，與經第四分光鏡(6)反射到第十三反射鏡(18)產生的反射光，反射至固定在第二位移臺(8)上的第七反射鏡(19)反射回第二分光鏡(2)的反射光合束，經第九反射鏡(20)反射進入第二光電探測器(25)，并連接到示波器(33)讀取數據；

通過計算第一干涉儀和第二干涉儀產生的干涉信號的時間差，進而求得聲脈沖的飛行時間t。