[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

本發明公開了一種基于飛秒激光頻率梳的高精度水下聲速測量方法，通過搭建雙邁克爾遜干涉儀，并將飛秒激光器連接銣鐘，光學頻率梳的重復頻率和偏移頻率直接鎖定在銣鐘上，光學頻梳的頻率具有與銣鐘一樣的精確度；將超聲換能器連接至信號源，并由功率放大器驅動；通過位移臺掃描法測量聲脈沖的飛行距離，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，最終實現水下聲速的高精度測量。本發明利用了飛秒激光的優勢，用光梳采集聲脈沖的信息，避免了壓電效應所產生的誤差因素，降低了聲剖儀直接測量水下聲速的誤差。本發明中對飛行距離和飛行時間同時進行測量，使得到的結果在很高的數量級上，大大提升了對聲速測量的精確度。

技術領域

本發明屬于水下聲速測量領域，特別是涉及基于飛秒激光頻率梳的高精度水下聲速測量方法。

背景技術

海水聲速測量對海洋的探測、定位、追蹤都具有重要的意義。目前，海水聲速測量的主要技術是聲吶。聲吶利用水中聲波對水下目標進行探測，廣泛用于魚雷制導、船舶導航、水文測量、海底成像等重要海洋工程應用。水聲探測最早的記錄是在1490年，且最早的測量是在1827年。自此以后，經過長期的發展，海水聲速的測量技術已日趨成熟，為海洋科學技術領域做出來巨大貢獻。

海水聲速主要測量方法主要分為直接法和間接法。海水中聲速主要受溫度、鹽度、壓力等三個參數的影響，這是間接法的基本原理。間接法是基于經驗公式對聲速的測量，國際上精度較高的經驗公式有Del Grosso聲速算法，Wilson聲速算法、Chen-Millero-Li聲速算法等，但是間接法受海水環境影響較大導致精度不高。直接法是測量與聲速有關的物理量，根據路程、時間、速度之間的關系或者波長、波速、頻率之間的關系獲取聲速。常用的方法如相位比較法，通過對比接受波相對于發射波的相位變化，準確率較高，但局限于很多聲波不是正弦波。而目前廣泛使用的基于壓電換能器的直接測量法，實際的發聲起點與聲波接受終點是模糊的，溯源性較差。

發明內容

針對上述現有技術，基于飛秒激光頻率梳的良好性質，由于其在時域上能夠輸出飛秒級脈沖寬度的脈沖光，重復頻率穩定，精度高的特點在測距領域已取得了較多成果。在實際工程計量中對水下聲速高精度測量的需求，將飛秒激光頻率梳引進水下聲速測量中，圍繞飛秒激光頻率梳的特點將此類短脈沖激光當成時間探針，來研究測量留在光脈沖上聲脈沖的信息，進而實現聲速的高精度測量。

為了解決上述技術問題，本發明提出的一種基于飛秒激光頻率梳的高精度水下聲速測量方法，該方法包括：搭建雙邁克爾遜干涉儀，并將飛秒激光器連接銣鐘，飛秒激光頻率梳的重復頻率和偏移頻率直接鎖定在銣鐘上，飛秒激光頻率梳的頻率具有與銣鐘一樣的精確度；將超聲換能器連接至信號源，并由功率放大器驅動；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。