利用激光声实现水下信息传递、目标获取的新方法

　　引 言

　　激光与液体介质相互作用， 当激光的功率密度超过了液体的击穿阈值时， 在击穿区域产生等离子体，等离子体通过逆轫致等方式吸收激光能量，向液体中辐射声波，即激光声信号。 作为一种新的水下声源激发方式，它具有产生方式机动灵活、声源级高等诸多优点。 目前，国内外学者都在开展光激光声在不同领域的应用研究。 其中 ，Blackmon提出了激光声通信中的信号调制、解调方法；宗思光构建了激光声通信系统， 进行了激光声通信的实验验证，利用激光声实现了对水下目标的探测；刘涛设计了利用激光声进行水下探测的设备；沈中华等人对激光声进行物质表面检测进行了深入研究，Sayal对脉冲激光波形和激光声信号的关系进行了研究。 以上研究结果表明：利用激光声实现水下信息传递、目标获取具有一定的可行性。 但该方案仍然存在两个主要问题：(1) 激光声衰减速度较快， 限制了其作用距离；(2) 激光声信号发散角很大， 不能满足现代通信保密性的要求。 因此，如何通过技术方式来克服以上问题对激光声发展带来的不利影响， 是一个十分重要的课题。

　　文中利用设计的激光声换能器(以下简称换能器)，构建了实验系统，对在换能器内部和自由场中产生的激光声信号在时频域特性、传输特性、指向性等方面进行了比较， 体现了换能器在改善激光声信号特性上的优势， 研究结果可以为开展激光声的水下应用提供一定的参考。

　　1 换能器结构

　　换能器结构如图 1 所示。 L 是激光聚焦系统，激光经过 L 后再由透光窗口会聚到 O 点， 击穿水介质，产生激光声信号。TP 是声的硬面反射抛物面，SH是半球面，O 点是半球面 SH 的球心、 激光聚焦点和抛物面 TP 焦点三点的重合点。产生的激光声信号有两种传输路径。 第一种是经 TP 反射后向外辐射，称为一次反射波，其典型路径如 OP-PZ。 第二种是经过 SH 反射后，再经过 TP 反射，称为二次反射波，其典型路径为 ON-NO-OQ-QH。 根据声的硬面(反射面的特性阻抗远远大于换能器内水介质的特性阻抗)反射理论和抛物面性质，抛物面的任意反射声线(如 PZ 和 QH)与旋转抛物面的轴 OX 平行 ，即 CM∥AN∥OX。 下面证明在 ZH 面上的声波是平面波。在换能器内建立 xy 坐标系，设 O 点坐标为(p/2，0)，P 点坐标为(x，y)，Z 点坐标为(l，y)。 在 xy 平面内的抛物面方程可以写成：【1-2】

　　
　　把公式(1)代入(2)，整理得 OP+PZ=p/2+l，由于 l与 p 是常数，并且 P 是抛物面上的任意一点，所以一次反射波到达 ZH 面的距离相等， 又由于在 O 点开始的声波相位相同， 所以在 ZH 面处所有的一次反射波的相位相同。 同理，可证明所有的二次反射波到ZH 面的路程相等，在 ZH 面上的相位相同。 所以，在ZH 面上声波是平面波。 这样，经过换能器的作用后 ，激光声信号的波阵面由球面变成了平面， 下面将进行实验研究这一变化对激光声信号的影响。【图1】

　　2 实验设计

　　激光声实验测量系统如图 2 所示。 实验采用调Q Nd：YAG 激光器 ，输出激光波长 1 064 nm，脉冲宽度 8 ns，激光器输出单脉冲能量为 3 mJ 可调。激光分别在自由场和激光声换能器内部水中聚焦击穿。 对产生的激光声信号通过无指向性的水听器进行接收，水听器线性频带宽度为 2~600 kHz，灵敏度级为-216 dB( 参考值为 1 V/μPa)， 水听器与激光击穿点相距 1 m， 其 接 收 到 的 激 光 声 信 号 通 过 电 缆 送 入Agilent7104A 型示波器进行采集，采样频率为 4 GHz。最后由计算机实现对信号的存储。【图2】

　　
　　3 实验结果分析
　　
　　3.1 时域比较

　　如图 3 是水听器接收到的激光声信号时域波形图。 可以看出，在自由场和换能器内产生的激光声信号差异较明显。 首先，在自由场产生的激光声信号有两个峰值，即图 3(b)中标号 1,2 所示，两者分别是等离子体声波和空泡溃灭声波。 而在换能器内部产生的激光声信号有有四个峰值，如图 3(a)标号 1,2,3,4所示，其中，1、3 分别是等离子体声波和空泡溃灭声波在换能器内的一次反射波。 1 和 2，3 和 4 在时间上相距 33 μs， 水中声速为 1 500 m/s， 可以计算出 1和 3，2 和 4 声程差为 4.95cm，经测量半球 SH 的半径为 2.5 cm，这样一、二次反射波的声程差为 5 cm，因此可知，2、4 分别是等离子体声波和空泡溃灭声波的二次反射波。 同 1，3 相比，2、4 在幅度上较小，主要由以下两个原因造成：(1) 二次反射波比一次反射波多经过一次反射， 反射引起的损失大；(2) 声波在半球面 SH 反射时会在球心 O 点会聚， 压力变化剧烈，可能会引起空化的发生，从而使二次反射波的能量衰减严重。 图 3(a)中激光声信号幅度要明显强于图 3(b)。 这是由于换能器产生的激光声信号发散角度小，声能更集中，同时衰减速度慢。【图3】

　　3.2 频域比较

　　图 4 是对图 3 中激光声信号进行快速傅里叶变化得到的频谱图。 从图中可知两者频谱存在一定的差异性。 通过计算得知图 4(a)中，激光声信号0~60 kHz，60~500 kHz 所占能量比例分别为 36%和 64%，图 4(b)中相同频段内的能量比例则分别为 23%和 72%。【图4】

　　
　　SH 的半径为 2.5 cm， 当声线与光轴夹角即图 1中 XON 在 0°左右时，声波会在 SH 和 TP 之间反射，如果声波的波长大于半球 SH 的半径，那么，声波会在半球 SH 边缘发生衍射，进而向外传播。 如果声波波长小于半球 SH 的半径，那么在半球 SH 处发生衍射的概率降低，这样，声波会在 SH 和 TP 处多次反射，能量也随之耗尽。 由此可知，半球 SH 起到了滤波的作用，滤除了部分声波波长小于 2.5cm 的声波。 又因为水下声速为 1 500 m/s，声波波长小于 2.5 cm 时，对应的频率高于 60kHz。 因此，在换能器内部产生的激光声信号 60 kHz 以上频段内的能量比例降低。

　　3.3 指向性比较

　　自由场产生的激光声信号是以球面波的形式对外传播， 这样理论上在不同角度接收到的激光声信号幅度相同。 因此可知自由场激光声信号的指向性可以表示为：【3】

　　
　　式中：p(L，θ)是距离激光声源 L 处，测点-声源连线与声源-激光器连线之间的夹角为 θ 时，水听器测量得到的激光声信号峰值幅度；p(L，0)是距离激光声源 L 处，测点、激光声源、激光器在同一直线时，水听器测量得到的激光声信号峰值幅度。

　　对于换能器内部产生的激光声信号， 理想情况下是以平面波的形式对外传播， 波阵面形状与换能器出射面相同，换能器出射面半径为 0.2 m，测点与激光声源相距 L， 可以得知在换能器内产生的激光声信号指向性可以表示为：【4】

　　
　　实验测量得到的激光声信号指向性如图 5 所示，图中水听器与激光声源相距 1 m，理论上换能器产生的激光声信号发散角为 12.1°，实际测量该值为13.2°。 两者基本相符 ， 其差异性是因为有部分声波在换能器内部经过多次(大于 2 次)反射，从换能器出射时传播方向未能和图 1 中 OX 轴平行， 引起了发散角的扩大。 在自由场产生的激光声信号基本为全方向辐射，在不同角度上信号幅度变化很小。 由实验结果可知， 在换能器内部产生的激光声信号发射角度小，指向性更强。【图5】

　　
　　3.4 传输性比较

　　声信号在水下传输时， 造成声波能量在传播中损失的主要原因有： 首先是由于波阵面在传播过程中的不断扩大， 使得在单位时间内单位面积上能量的减小，称为扩展损耗。 其次，实际的还是并非理想介质， 在传播过程中将吸收声能而转换成其它能量(如热能等)，这种损失称为衰减损耗。

　　对于自由场产生的激光声信号， 在假定其波阵面是理想球面， 由于扩展损耗造成的声压变化可以表示为：【5】

　　
　　式中：pl为在 l 米处的激光声信号幅度，p1为 1 m 处激光声信号幅度。对于在换能器内部产生的激光声信号， 假定其波阵面是理想平面时， 在声波传输过程中波阵面没有发生扩展，因此扩展损耗为 0，这样激光声信号在传播过程中声压不受扩展损耗影响。

　　对于吸收损耗， 根据经典切变粘滞吸收和热传导吸收理论, 得到声波经典吸收的斯托克斯一克希霍夫公式,吸收系数 δ 可以表示为：【6】

　　
　　式中：f 为声波频率；ηs为介质的切变粘滞系数；cv为介质定容比热；cp为介质定压比热容；κ 为介质热传导系数；ρ 和 v 分别为介质密度和介质中的声速；Aη和 Ax分别表示切变粘滞和热传导两部分。 对于纯水经计算 Aη艿6.54×10-15s2/m，Ax艿0.5×10-17s2/m。 可以看出，吸收损耗影响很小。

　　图 6 给出了激光声信号的传输特性。 其中理论计算忽略了吸收损耗造成的声压变化。 可以看出，理论值和测量值基本相符。 对于自由场产生的激光声信号，随着传输距离的增加，水介质吸收对声压变化的影响逐渐变大， 因此理论值和测量值的差异性提高。 换能器产生的激光声信号，其声压理论值和测量值的差异主要是由于声波从换能器出射后， 具有一定的发散角度， 这样其波阵面在传输过程中发生扩展，再加上水介质的吸收作用，造成了声压的衰减。【图6】

　　
　　4 结 论
　　
　　通过研究表明， 利用换能器产生的激光声信号特性有所改善，具体表现为：(1) 提高了信号强度，其峰值声压是自由场产生的信号的 3 倍；(2) 信号能量向 低 频 段 集 中 ，60 kHz 内 能 量 比 例 由 23%提 高 到42%；(3) 降低了信号发散角 ，在 1 m 距离上 ，其发散角为 13.2°，自由场信号为全角度辐射；(4) 提高了信号传输特性，减缓了信号的衰减速度。 通过对换能器参数(焦点位置、抛物面曲率、反射半球面半径等)的改进，能够更好的提高激光声信号的指向性，可以使激光声压缩到更小的角度范围内， 这将是今后的研究方向。 研究成果可以为开展激光声的水下应用提供理论参考和技术支持。