激光多普勒振动计用于水下声光通信
激光_声联合探测中水表面声波检测方法进展
第3期第35卷第3期2016年6月海洋技术学报JOURNAL OF OCEAN TECHNOLOGYVol.35，No.3Jun ，2016收稿日期：２０１５－０９－２４基金项目：山东省自然科学基金资助项目（ＺＲ２０１３ＤＭ０１３，ＺＲ２０１２ＤＬ１４）；国家自然科学基金资助项目（６１２０１０９７，６１４０５１０６）；山东省攀登计划资助项目作者简介：陈世哲（１９７５－），男，博士，研究员，主要从事光电信息检测技术、海洋浮标监测技术等方面的研究。
Ｅ－ｍａｉｌ：ｃｈｅｎｓｈｉｚｈｅ１９７５＠１６３．ｃｏｍdoi:10.3969/j.issn.1003-2029.2016.03.001随着我国“建设海洋强国”、“一带一路”战略的实施，海洋在我国经济发展、安全防御、能源开发等多个领域的作用越来越重要。
激光—声联合探测技术是海洋环境下空基—水下通信、水下目标探测及海洋监测等领域的新兴技术，对我国新型高端海洋装备制造、深远海探测与安保等多个领域具有重要作用[1-2]。
激光—声联合探测技术是指由空基设备发射一束激光到空气—水界面上，通过检测水下声源引起的水表面的振动波形特征，进而获得水下声场特征信息的技术[3]。
与传统的船载声纳技术相比，激光—声联合探测技术无需将探测器置于水中，减少了对信息交换场所的限制，可实现大区域水下目标快速探测[4]。
同时，鉴于激光—声联合探测技术可实现空中设备与水下目标之间的实时、宽带远距离通信等方面的优势，一直是研究的热点。
本文系统阐述了激光—声联合探测技术，并综合国内外的相关成果对其中的核心共性关键技术之一———水表面波检测，进行系统分析，给出其发展趋势，为我国在该领域的发展提供有效参考。
１激光—声联合探测技术概述早在1960年左右，美国海军利用蓝绿激光在清澈大洋中传播距离远的特性，曾对蓝绿激光探潜技术进行过大量的研究，不过在近岸的混浊海水中，其衰减仍然比较严重，探测深度大大减小，这极大地限制了其应用范围[5]。
激光测量仪器在水下测量中的应用与前景
激光测量仪器在水下测量中的应用与前景激光测量技术是一种精确、高效的测量方法，近年来在水下测量领域得到了广泛应用。
激光测量仪器通过发射激光束并接收其反射信号，测量目标物体的位置、形状、尺寸和表面状态等相关参数。
本文将分析激光测量仪器在水下测量中的应用与前景。
首先，激光测量仪器在水下测量中的应用已经涵盖了多个领域。
首先，水下地形的测量是激光测量技术的主要应用之一。
通过激光的高分辨率和精确测量能力，可以获取水下地形的三维模型，为海洋地质调查、沉船探测和海洋工程建设提供了重要数据。
其次，激光测量仪器在水下工程中的应用也十分广泛。
例如，在海底管道敷设、海洋资源开发和海底考古等项目中，激光测量技术可以用于测量目标物体的尺寸、位置和距离，提供精确的测量数据，以确保工程的安全和可靠性。
此外，激光测量仪器还可以用于水下机器人的导航和定位，实现自主探测和避障功能。
其次，激光测量仪器在水下测量中的应用具有较高的准确性和精度。
激光测量技术能够实现亚毫米级别的测量精度，在水下环境中具备出色的性能。
激光测量仪器利用激光束与测量目标物体发生反射与散射，通过接收激光的时间、角度和强度等信息，可以测量目标物体的距离、形状和位置。
由于光的传播速度很快，激光测量可以实时获取数据，提供实时监测和测量分析功能。
此外，激光测量仪器还具有非接触性和无损性测量的特点，不会对目标物体产生损伤，适用于各种复杂的水下环境。
再次，激光测量仪器在水下测量中的应用具有广阔的前景。
随着科技的进步和技术的不断升级，激光测量技术在水下测量领域的应用将进一步拓展。
首先，随着测量仪器的小型化和智能化，激光测量仪器将更加方便携带和操作，适用于各种水下环境的测量需求。
其次，激光测量仪器的测量精度和对复杂环境的适应能力将不断提高，可以满足更高精度测量的需求。
此外，随着激光测量技术的与其他技术的结合，例如激光雷达和相机等，将开辟出更广泛的应用领域，提供更多维度和信息的水下测量数据。
声场的直接测量
声场的直接测量潘孙强;陈哲敏;张建锋【摘要】为准确测量声场分布,研究了基于激光测振仪的声场直接测量技术.基于声音在空气中传播时会引起空气折射率周期性变化的原理,利用激光测振仪测量了激光通过声场时激光光程受空气折射率的调制发生周期性变化产生的振动速度.由于声场在激光方向上的投影即为激光测振仪测得的振动速度,测量了声场在不同投影方向上的振动速度,再由Radon逆变换重构声场复振幅分布,从而实现了对声场的直接测量.文中实验测量了2 kHz声场引起的振动速度振幅分布和相位分布,进而重构得到声压振幅分布和瞬时声压分布.测量得到空间分辨率为2 cm,声压振幅最大为0.026 Pa,对应的声压级为62.3 dB.实验结果表明,基于激光测振仪的声场分布直接测量方法是可行的,该方法解决了现有麦克风阵列接触式测量声场存在的问题.【期刊名称】《光学精密工程》【年(卷),期】2015(023)011【总页数】6页(P3077-3082)【关键词】激光测振仪;声场分布;声场测量;投影;Radon变换【作者】潘孙强;陈哲敏;张建锋【作者单位】浙江省计量科学研究院,浙江杭州310018;浙江省计量科学研究院,浙江杭州310018;浙江省计量科学研究院,浙江杭州310018【正文语种】中文【中图分类】TN247;O422.21 引言声场的准确测量是开展声学研究的必要前提。
声场测量可分为单点测量和场测量。
通常单点测量采用单个麦克风，而场测量则需要采用麦克风阵列。
由于麦克风数量有限，麦克风阵列声场测量的空间分辨率较低，要提高空间分辨率必须增加麦克风的数量，而麦克风属于接触式测量，数量过多则会影响声场分布，导致测量误差。
近年来，随着光学方法在振动速度测量等领域的普及［1-3］，基于光学的声场测量技术也得到了快速发展［4-5］。
该方法属于非接触式测量，测量精度较高。
Pitts等人采用CCD探测脉冲激光通过水下超声声场时的激光光强分布，计算出激光通过声场后的相位变化，进而计算出声场分布［6］。
水下激光通信技术的特点及发展现状
214研究与探索Research and Exploration ·探讨与创新中国设备工程 2018.02 (下)海洋面积占地球表面积的71%，海洋中蕴含着远未为人类所知的油气、矿产和生物基因等资源，而近年来，随着陆地资源的日益枯竭和人类未来发展空间需求的增长，各国更加重视海洋科学方面的研究工作，海洋探测、海底资源开发已成为海洋科学研究的热点。
未来谁能够拥有和控制更为广阔的海洋，谁就掌握了未来发展中更多的资源和生存空间，因此，进入深海、勘探深海和开发深海是实现中国伟大复兴梦的必由之路。
载人潜水器（HOV）、遥控潜水器（ROV）等水下移动式运载平台的普遍使用，将科学家及探测设备运抵至深海海底现场进行原位的探测取样研究，大大提高了水下探测的效率。
介于水下移动式运载平台为搭载设备及作业工具预留的电气接口有限，海底探测设备的探测数据不能实时反馈到运载平台当中，这就导致只能在海底探测设备回收至支撑船舶后才能进行数据处理。
水下激光通信设备为科学家提供了一种可以实时获取海底地质、水文、热液喷口硫化物等探测数据的作业模式，实现数据的原位分析判断，提供有针对性的采样依据，提高潜次作业效率。
1 水下激光通信技术的特点传统的水下声学通信受传播能量损失大、环境噪声影响大、受水体折射与发射的多径效应等方面的严重影响，使得声学通信质量差、通信效率低下。
而水下激光通信技术在近距离水下信息传输方面，表现克服了水声通信的诸多局限性，性能表现优越，使得水下激光通信技术的应用领域越来越广泛。
在海水中，采用波长范围在470～525nm 之间的蓝绿激光，可以最为有效的降低海水对光波的吸收，有效提高激光的传播效率。
激光投射到自容式水下传感器外置的光敏传感器，光敏传感器感受不同频率的激光，水下激光通信技术的特点及发展现状沈鹏，杨磊，陈云赛*（国家深海基地管理中心，山东 即墨 266237）摘要：本文在深海勘探的背景基础上，简要阐述了水下激光通信技术的优缺点，在此基础上概述了近几年水下激光通信技术的国内外科研方向、发展情况。
激光致声探测水下目标分析
激光致声探测水下目标分析曹博文;龚杭;汲壮;严一民【摘要】针对激光热膨胀致声，研究声波的接收信号及特性。
分析了微音器接收端声波信号的产生原因是水底反射波和水面反射波，但是由于受实验条件限制没能分辨出这两种声波信号区别，对这一问题有待继续探究。
结合实验现象，利用M atlab分析微音器接收声波信号的时间差与水深相互关系，并得出一组声波传播时间与距离和声波速度在两种介质的折射关系表达式。
通过仿真可以在理论上对探测水深进行计算。
%When a beam of strong laser is projected on the surface of water ,sound wave will be generated ,which will be reflected by the target under water .Thus the sound wave carries information of the target ,which can be used to detection .This paper describes the characters of sound wave generated by thermoelastic mechanism and analyses the two parts of the signals coming from the bottom of water and water surface .However ,due to the equipment’s defects ,the experiment does not succeed into distinguishing them .With the outcome of theexperi ment ,Matlab is also used to imitate the internal link of water ’s depth and the time audio monitoring receiver .Additionally ,this paper offers equations which can lead to the exact depth of water in this experiment ,with which ,Matlab can give a theoretical result .【期刊名称】《实验技术与管理》【年(卷),期】2014(000)006【总页数】4页(P73-75,80)【关键词】探测水深;激光热膨胀致声;声波;微音器【作者】曹博文;龚杭;汲壮;严一民【作者单位】电子科技大学物理电子学院，四川成都 610054;电子科技大学物理电子学院，四川成都 610054;电子科技大学物理电子学院，四川成都 610054;电子科技大学物理电子学院，四川成都 610054【正文语种】中文【中图分类】TN249;P229.1当前世界各国普遍使用吊放声呐的方法来对水下目标进行遥感，这种方式不但失去了机动性和灵活性，而且还破坏了对被测目标探测的连续性，甚至有失掉目标的危险。
激光多普勒测振计信号采集和处理系统设计
激光多普勒测振计信号采集和处理系统设计王晶晶;尚建华;贺岩;罗远【摘要】为实现激光-水声浅海地形遥感探测中, 激光多普勒测振计的数据采集和处理, 解决数据采集处理中采样率低、人机界面操作不便、在线处理不及时、采样通道数目少等问题, 设计了一种可视化的信号采集和处理系统.借助VC十十编程技术, 对PCI5616数据采集卡进行了二次开发, 实现了激光多普勒测振计输出信号的采集、实时显示、保存以及在线处理. 实验表明, 该信号采集处理系统能满足实际水面测量的工作需求, 有效实现了激光多普勒测振计输出信号的实时采集与处理, 并具有操作灵活、实时性强、集成度高等特点.%A visual data acquisition and processing system is presented to satisfy the signal processing specifica -tion of the laser Doppler vibrometer ( LDV) working for the optic-acoustic remote sensing of the shallow terrain and to resolve the questions of low sampling rate , inconvenient man-machine interface and the less number of channels forsampling.VC ++is employed in the post-development of PCI5616 to achieve real-time display, acquisition, storage,and real-time data-processing of the signals.With good processing capacity, flexible operation, good real-timeperformance and high integration, this data acquisition and processing system realizes the real -time acquisition andprocessing of the output signals of LDV and meets the demand of topographic mapping under the hydrodynamic watersurface.【期刊名称】《电子科技》【年(卷),期】2016(029)001【总页数】4页(P9-12)【关键词】激光多普勒测振计;信号采集;在线处理;PCI5616数据采集卡;消息机制【作者】王晶晶;尚建华;贺岩;罗远【作者单位】东华大学信息科学与技术学院,上海 201620;东华大学信息科学与技术学院,上海 201620;中国科学院上海光学精密机械研究所空间激光信息技术研究中心,上海 201800;中国科学院上海光学精密机械研究所空间激光信息技术研究中心,上海 201800【正文语种】中文【中图分类】TN247;TP732Abstract A visual data acquisition and processing system is presented to satisfy the signal processing specification of the laser Doppler vibrometer (LDV) working for the optic-acoustic remote sensing of the shallow terrain and to resolve the questions of low sampling rate,inconvenient man-machine interface and the less number of channels for sampling.VC++ is employed in the post-development of PCI5616 to achieve real-time display,acquisition,storage,and real-time data-processing of the signals.With good processing capacity,flexible operation,good real-time performance and high integration,this data acquisition and processing system realizes the real-time acquisition and processing of the output signals of LDV and meets the demand of topographic mapping under the hydrodynamic water surface.Keywords laser Doppler vibrometer;data acquisition;real-timeprocess;PCI5616;messages mechanism由于浅海大部分区域的水深均在百米以内,且浑浊度普遍较高,传统的海洋遥感系统通常以母船或者拖曳体为载体,并采用声波探测技术实施测量,其机动性和灵活性有限,因而难以完成大范围、快速、高效的动态环境测量。
利用激光技术探测水下目标的基本想法
激光窃听技术在水声信号检测中的研究一．研究目的如何进行有效的水下声信号检测与处理一直以来都是各国研究的重点，当前使用的水下声信号检测与处理设备大多利用布放水中的水声换能器来进行检测，再利用后续信号处理电路进行处理，对于大范围的舰载/机载扫描检测多有不便。
迄今为止,已经投入使用或正在研制的很多水中目标探测设备的接收换能器往往都置于水中，换能器置于水中,就大大限制了水下目标探测设备的数据获取速率及探测的机动性。
我们都知道声波在水中的传播是最好的,而激光在空气中能很好地传播,如果我们在空中利用激光来检测水中声波,使两种物理场在水面处结合起来,就会形成较强的技术优势。
激光窃听器技术给了我们最初的启示，利用激光窃听技术实现对水中声源声信号探测使我们研究的方向。
激光水声探测技术可远距离、非接触地在空中平台上测量水表面的振动速度,进而获得水下声场振动频率,从而得到水下目标的声信号。
它在未来的海洋探测中具有巨大的应用前景。
二．研究内容现在国外已经成功研究出了激光窃听技术，其主要利用激光照射到目标玻璃、墙壁以及天花板等介质，所产生的反射及散射光经接收后进行相关处理，便可还原所窃听目标的声信息。
激光窃听，就是利用激光具有极好的相干性、方向性等特性，用一束极细的红外激光（红外激光不易被发现），射到被窃听房间的物体表面时，只要该物体自身具有极微弱的振动，它就会对被反射的激光产生出足以能进行探测的变化。
若用一束激光对准窗玻璃进行照射，其中的一部分将会穿过玻璃而另一部分则会被反射回来。
如果这时的玻璃因受到室内人讲话声波的作用而有微小的振动，那末被反射的激光也必定会受到这种振动的调制。
只要将其接收并进行解调，就可以得到与室内人说话声音相同的波形，从而窃听到室内的讲话内容。
这就是激光窃听器的工作原理。
将光学测量与水下声波探测技术结合起来，设计一个利用激光对声信号进行探测的系统，通过检测经水面位移幅度调制后的单模连续激光的反射光信号，检测引起水面振动的水下声信号。
水下光通信技术介绍
水下光通信技术介绍随着海洋资源的开发和海底科学研究的深入，水下光通信技术的发展成为了不可避免的趋势。
水下光通信是利用光传输信息的一种通信技术，具有高速、大带宽、低能耗等优点，同时也面临着诸多挑战。
本文将对水下光通信技术的原理、应用和挑战进行介绍。
原理水下光通信的原理是利用光的传输来传递信息，其传输基本原理与光纤通信类似。
在海水中，光波会随着深度的增加而衰减。
因此，水下光通信中需要使用高功率的激光器，使光波能够在海水中长时间传输。
其主要组成部分包括激光器、光学透镜、探测器和调制器等。
数据信息通过调制器将数字信号转化为光信号，然后通过激光器发射出去，接收器将光信号转化为数字信号。
水下光通信需要抵抗水流等因素对光信号的干扰，因此，需要通过隔离、过滤等方式对光信号进行处理。
应用水下光通信技术在海洋工程、海洋研究、海底勘探和海洋生态监测等领域具有重要的应用价值。
首先，水下光通信可以实现海洋科学研究和海底资源开发的高速传输，使得海洋工程得以高效运作。
其次，水下光通信技术可以实现海洋环境远程监测和海洋生态保护，保障海洋生态的健康发展。
此外，水下光通信技术也可以被应用于海底油气管道、海底光缆、海底电力系统等领域，实现快速、高效、可靠的信息传输，为海洋资源开发提供技术支持。
挑战尽管水下光通信技术具有巨大的应用前景，但是其在实践应用过程中仍然面临着一些挑战。
其中，较大的损耗和衰减是水下光通信技术的主要挑战之一。
由于水的浑浊程度、水中悬浮物的质量、温度和盐度等因素的影响，光在水中会发生多次反射、折射和散射。
这些因素会对光的传输产生干扰，从而降低了水下光通信的传输速率和传输距离。
此外，在水下光通信的设计和制造过程中，还需要考虑防水、耐压和耐腐蚀等因素，这需要应用高品质的材料和先进的技术。
这些挑战都需要通过技术创新和优化来解决。
结论水下光通信技术是一种迅速发展的新型通信技术，具有巨大的应用前景。
通过高效传输信息实现海洋工程、海洋研究和海底资源开发等多种工作的高效运作，同时也需要克服诸多挑战，如应对水流干扰、降低损耗和衰减等问题。
声学仪器在水下声学通信中的应用考核试卷
B.倾斜仪
C.磁罗盘
D.水下电视
8.声学仪器在水下声学通信中的主要挑战之一是什么？（）
A.信号干扰
B.信号失真
C.信号衰减
D.信号延迟
9.以下哪个不是声波在水下传播过程中的主要损失原因？（）
A.吸收
B.散射
C.反射
D.色散
10.在水下声学通信中，以下哪种技术可以减少多径效应的影响？（）
C.通信距离
D.天气条件
16.在水下声学通信中，以下哪种方法可以增强信号的穿透能力？（）
A.降低发射频率
B.增加发射功率
C.使用编码技术
D.使用声波导引
17.以下哪个设备主要用于声学仪器在水下声学通信中的信号调制？（）
A.发射换能器
B.接收换能器
C.调制器
D.解调器
18.在水下声学通信中，以下哪种现象可能导致信号失真？（）
A.水的温度
B.水的盐度
C.水的深度
D.水的浊度
5.以下哪种声学仪器常用于水下声源定位？（）
A.水听器
B.声纳
C.回声测深仪
D.声波测距仪
6.在水下声学通信中，以下哪个频率范围的声波衰减最小？（）
A. 1kHz以下
B. 1kHz至5kHz
C. 5kHz至10kHz
D. 10kHz以上
7.以下哪种声学仪器主要用于水下目标检测？（）
A.增益控制
B.动态范围压缩
C.调制解调
D.分集技术
11.以下哪个设备不是声学仪器在水下声学通信中的组成部分？（）
A.发射换能器
B.接收换能器
C.信号处理器
D.光学传感器
12.声学仪器在水下声学通信中，以下哪种方法可以提高信号的接收质量？（）
激光致声下行水下声通信的研究
摘要摘要激光致声作为产生水下声波的新方式，具有如频谱分布宽、距离分辨率高、海洋抗干扰能力强等诸多优点。
针对水下声通信特点，本文利用海气信道建立空海水声通信实验模型，将无线光通信与水声通信相结合，依据激光致声机理，研究激光脉冲能量与转换声能量关系，分析水下致声信号谱特征和传输特性，通过激光致声体制的光跳频通信技术，探讨一种以激光声实现空中-水下目标间的信息传输方法。
主要研究的内容如下：从理论上分析了激光致声的三种转换机制，给出不同机制下激光声的数学模型，同时分析了激光声的强度、频谱及指向性，并对激光致声原理及应用技术进行描述。
对大气信道不同波长激光传输特性，水声信道信号传输特性和影响信号传输的诸多因素进行分析，为系统设计和实验提供参考依据。
采用波长1.06µm的Nd:YAG调Q型脉冲激光器、高灵敏度压电水听器建立下行空海水声通信系统室内测试平台，对激光调制、光声信号转换、声信号解调等关键技术进行研究。
对采集的水声信号进行波形时域和频域分析，针对激光声时域特点，提出用于激光声通信平台的基频可调ASK通信帧结构及激光跳频通信方法，完成了用于验证系统的各部分软硬件设计，实现激光致声水下声信号传输实验。
实验测试结果显示，利用激光致声实现的空中-水下目标间的通信方式波形稳定性和通信实时性较好，可满足数字信息的实时有效传送。
空海信道下的激光声通信具有较强的技术优势，是海洋通信的一种新途径。
关键词：水声通信；激光致声；基频可调；激光跳频；下行传输。
ABSTRACTABSTRACTAs a new way of creating the underwater acoustic,laser acoustic has many advantages such as broad spectrum distribution,high range resolution,strong ocean anti-jamming capability.According to the characteristics of underwater acoustic communication,air-sea chanel based underwater acoustic communication experimental model,which combinins the wireless optical communication and the underwater acoustic communication,is established in this paper.Based on the mechanism of laser acoustic,the relationship between the laser pulse energy and the converted acoustic energy is been researched,and the spectrum characteristics and transmission characteristics of underwater acoustic signal is been analyzed.By the laser frequency hopping communication technology based on laser acoustic system,the paper realizes a information transmission method between the air and underwater targets.The major work has been done as follows:The paper theoretically analyses the three kinds of laser acoustic transformation mechanism,gives mathematical model of the laser acoustic under different mechanisms, meanwhile analyses the laser acoustic intensity,spectrum and directivity.Besides,the principle and application of laser acoustic technology is described.Transmission characteristics of different wavelength laser in atmospheric channel and the relationship between transmission attenuation and frequency of acoustic signal in underwater channel is analyzed,which provides reference basis for system design and experiment.The downlink air-sea underwater acoustic communication system indoor test platform is developed by using1.06µm Q switched Nd:YAG pulse laser and high sensitivity of piezoelectric hydrophone.The platform is used for study of those key technologies such as laser modulation technology,photoacoustic signal and acoustic signal demodulation. Considerd the waveform analysis of acquired underwater signal in time domain and frequency domain,and according to the characteristics of laser acoustic in time domain, the fundamental frequency tunable of ASK communication frame structure and the laser frequency hopping communication method is proposed for laser acoustic communications platform.Its hardware and software design of each part which is used to validate the system is completed,the experiment of laser acoustic underwater acoustic signal transmission is realized.The experimental result shows that the implementation of air-sea communication method based on laser acoustic mechanism has advantages of well waveform stability and communication real-time,can meet the real-time and effective transmission of digital ser acoustic communication in the air-sea channel has strong technological advantages,is a new way of sea communication.Keywor ds:underwater acoustic communication;laser acoustic;fundamental frequency tunable;laser frequency hopping;downlink transmission.目录摘要 (I)ABSTRACT (II)第一章绪论 (1)§1.1研究背景 (1)§1.2水下通信的研究现状 (1)§1.2.1传统水声通信的研究现状 (1)§1.2.2激光致声的研究现状 (2)§1.3论文的选题意义及创新点 (3)§1.4论文结构 (4)第二章激光致声理论基础 (6)§2.1激光致声基本类型 (6)§2.1.1热膨胀机制 (6)§2.1.2汽化机制 (7)§2.1.3光击穿机制 (7)§2.2激光致声数学理论 (7)§2.2.1热膨胀机制 (7)§2.2.2汽化机制 (9)§2.2.3光击穿机制 (10)§2.3激光-声转换效率 (10)§2.4海水中的激光声 (11)§2.4.1激光声的强度 (11)§2.4.2激光声的频谱 (11)§2.4.3激光声的指向性 (12)§2.5本章小结 (12)第三章大气光信道及海洋声信道 (13)§3.1大气光信道信号传输特性 (13)§3.1.1大气的光吸收 (13)§3.1.2大气的光散射 (14)§3.1.3大气湍流对激光的影响 (16)§3.1.4其它自然因素对激光传输影响 (16)§3.2海洋中信号传输特性 (17)§3.2.1海水中的声速 (17)§3.2.2海水中的声吸收 (18)§3.2.3海面对声波传输的影响 (19)§3.2.4海底对声波传输的影响 (20)§3.3海洋声信道特性 (21)§3.3.1海洋中的噪声 (21)§3.3.2多途效应 (21)§3.3.3多普勒效应 (22)§3.4本章小结 (23)第四章激光致声通信实验系统设计 (24)§4.1系统主要器件简介 (24)§4.2激光致声下行通信系统的硬件组成 (27)§4.2.1水下声信号采集及信号恢复电路 (27)§4.2.2数字调制电路设计 (30)§4.2.3数字解码电路设计 (31)§4.3激光致声通信系统软件设计 (31)§4.3.1基频可调ASK编码 (32)§4.3.2数字调制电路软件设计 (33)§4.3.3数字解码电路软件设计 (34)§4.4本章小结 (35)第五章系统测试与分析 (36)§5.1激光发射与水声接收电路测试 (36)§5.1.1激光器的脉冲能量测试 (36)§5.1.2光声信号特性测试 (36)§5.1.3数字整形电路测试 (39)§5.1.4数字调制电路测试 (40)§5.1.5数字解码电路测试 (41)§5.2数据传输测试 (42)§5.2.1下行信号传输测试 (42)§5.2.2系统传输误码性能测试 (44)§5.3本章小节 (46)第六章总结与展望 (47)参考文献 (48)致谢 (51)作者在攻读硕士期间的主要研究成果 (52)第一章绪论第一章绪论§1.1研究背景随着信息化社会的到来，社会各领域无论民用还是军用都对通信技术有着越来越高的要求。
水下激光通信系统实现
Harbin Engineering University
在军事方面，特别是在海上战争过程中，水下潜艇、水面舰 艇、监测传感器之间的声音、图像、综合数据等信息的无线交换 速率更为重要，而传统的水声通信技术虽然具有传输距离远、性 能可靠等优点，但是水声通信技术存在着传输速率低、带宽窄、 延时较长、功耗和体积大等缺陷，即使在近距离范围内，也难以 达到Mbps的传输速率。因此，发展高效的近距离水下信息传输 技术已成为海洋监测急需解决的问题。
Harbin Engineering University
水下激光通信的发展方向
近十年来，随着水下光学或声学成像探测技术的快速发展， 以及无线传感器网络系统、自主式水下机器人(AUV)等技术的日 益普及，为获取连续、系统、高时空分辨率、大时空尺度的海洋 要素观测资料提供了一种全新的水下探测方法。但是，这些观测 技术的应用需要高数据传输速率的无线通信技术的支持，以实现 观测数据的传输及控制指令的交换。
Harbin Engineering University
参考文献
【1】 电子科技大学；何永江.硕士.【水下机器 人通信系统设计与实现】 2013 【2】 中国海洋大学； 王文朋.硕士.【水下激光 系统分析】 2014
LXY
Harbin Engineering University
海洋油气开发机器人
Harbin Engineering University
光通信起源最早可追溯到19世纪70年代,当时 Alexander Graham Bell提出采用可见光为媒介进 行通信,但是当时既不能产生一个有用的光载波,也 不能将光从一个地方传到另外一个地方。 因此直到1960年激光器的发明,光通信才有了突 破性的发展，但研究领域基本上集中在光纤通信和 不可见光无线通信领域。
美海军开发激光产生的水声技术
美海军开发激光产生的水声技术
佚名
【期刊名称】《舰船知识》
【年(卷),期】2009(000)011
【摘要】美海军研究实验室正在开发一种新型水声技术，利用激光产生远距离水下声源，以实现水下通信、导航、声学成像等。
通过集中足够强的激光光束电离少量的水能使光能转化为声能，并使水吸收激光的能量与热量。
该过程能产生少量蒸汽爆炸，制造出约220分贝的声学脉冲。
【总页数】1页(P15)
【正文语种】中文
【中图分类】TN24
【相关文献】
1.激光窃听技术在水声信号检测中的应用研究
2.基于干涉解调技术的光纤激光器水声传感系统
3.神光-Ⅲ激光装置时标激光和任意反射面速度干涉仪探针光源产生技术
4.国外激光技术开发基本模式的初探及对我国激光技术开发的几点…
5.美国海军研究实验室开发新型水声技术
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水下多声源激光相干探测信号的解调技术研究
水下多声源激光相干探测信号的解调技术研究水下目标探测在海洋防务和海洋工程领域备受关注。
实现水下声场的探测是突破水下目标识别、定位、跟踪等难题的基础。
目前用于水下目标探测的方法众多,其中“激光-声”联合探测属于一种前沿基础研究方法,作者所在实验室从2008年开始便致力于“激光-声”联合探测水下声目标的研究,并取得了一系列的阶段性成果。
但是关于探测信号频谱混叠情况下的多声源准确探测一直是技术瓶颈。
因为当水下存在多个声源,且各声源频率接近时,激光相干探测信号的频谱将混叠在一起,无法直观的判断出声源的个数,也无法利用传统的方法直接获取水下各声源发声频率。
本文的研究目的就是解调出水下多个频率接近的声源发声频率。
围绕这一主题,本文主要从以下几个方面展开研究:建立了水下多声源频率解调的理论模型,并进行了仿真验证。
分析水下目标辐射噪声的特性、噪声在水介质中传播时的衰减特性以及噪声传至水表面形成水表面声波的原理。
着重探讨水下存在多个声源,且探测信号频谱混叠在一起时的频率解调方法,提出一种基于Hilbert变换的水下多声源频率解调方法,推导出水下多声源探测信号经处理后的具体数学表达式,并仿真验证解调方法的正确性和可行性。
研究实测水下多源声信号频率提取的频率解调实现。
根据理论模型的推导和实际探测实验的分析,以MATLAB为平台,研究实测信号的解调算法实现。
结合五点三次平滑滤波方法对探测信号进行预处理,使得自然水表面波动引起的频带对信号解调的影响降到最低。
借助小波包分解与重构的方法将有用信号频带从干涉信号中剥离出来。
通过对信号Hilbert变换及模值计算和平滑滤波等处理使得原来混叠在一起的多个频带得以分离,最后通过频带中心值搜索计算获取水下多个声源的发声频率。
设计并在光学暗室下搭建一套水下多声源解调系统。
根据本课题探测信号的特征,结合实际探测技术要求,设计一套水下多声源解调系统,根据实际探测需求对一些关键器件进行分析和选择。
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万 方数据
７０４
中
国
激
光
镜片结构，对光学器件的表面质量和光路校准要求 很高。随着光纤通信的发展，一系列光纤器件逐渐 成熟，采用光纤结构大大降低了对光学表面质量和 光路校准的要求，简化了光学结构，进而提高了系统
行混频，探测器输出差频△如，经过高通滤波消除
Ｒｅｓｐｏｎｓｅ（１５５０ ｎｍ）／（Ａ／Ｗ）
Ｂａｎｄ
蛎吼０
来分析，数据如图４（ｂ）所示，图中长时间尺度、单方 向的相位变化是由水面起伏引起的，短时间尺度的 高频相位变化是由声波引起的，综合的结果是相位
ｗｉｄｔｈ／ｇＨｚ
ｒａｔｅ／ＭＨｚ
Ａ／Ｄ
Ｓａｍｐｌｅ
Ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ／Ｂｉｔ
¨№＜ ＞＜印ｍ＜吼。如¨
Ｆｉｇ．５ Ｔｉｍｅ ｓｅｒｉｅｓ ｗａｖｅｆｏｒｍ ｏｆ ｗａｔｅｒ ｓｕｒｆａｃｅ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｖｅｌｏｃｉｔｙ
ｆｉｂｅｒ
式中口为运动方向和观察方向的夹角，Ａ为激光波 长。可以通过相干检测的方法测量多普勒频移，从 而获得物体振动速度。
相干检测从方式上分为零差检测和外差检测，
零差检测是将频率厂ｓ的激光多普勒信号与频率，，
的本振激光进行混频，平衡探测器消除直流漂移，输
出差频ａｆＤ，鉴频后获得多普勒频移，原理图如图１ 所示。
ｐｒｅｓｓ
ｓｏｕｒｃｅ．Ｆｏｒ ｔｈｅ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｂａｎｄ ｏｆ ３．５ ｋＨｚ ａｎｄ ７ ｋＨｚ ｕｓｅｄ ｉｎ ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ ｌｅｖｅｌ ｏｆ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｒｅａｃｈｅｄ １４６．２ ｄＢ ａｎｄ １５０．８ ｄＢ ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｌａｓｅｒ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ；ｌａｓｅｒ Ｄｏｐｐｌｅｒ
摘要介绍了激光多普勒振动计（ＬＤＶ）用于水下声光通信的应用背景，阐述了激光多普勒振动计的工作原理和两 种相干检测方式。采用零差的相干探测方式，设计并实现了一套光纤结构的激光多普勒振动计。为了证明系统能 够应用于水下声光通信，进行了对水下声源发出的声波频率和强度的探测实验。通过对实验数据的分析得出：第 一，系统能够检测出水下声源发出的声波频率，对７ ｋＨｚ附近的１０个声波频率的测量标准偏差小于８ Ｈｚ；第二，系 统探测信号强度与水下声源发声的声压级成指数关系，对于水下目标通信所用的３．５ ｋＨｚ和７ ｋＨｚ声波频段的最小 探测能力分别达到１４６．２ ｄＢ和１５０．８ ｄＢ声压级。 关键词激光技术；激光多普勒振动计；声光通信；零差探测 中图分类号
Ｆｉｇ．３
图３激光多普勒振动计的组成
Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｌａｓｅｒ Ｄｏｐｐｌｅｒ ｖｉｂｒｏｍｅｔｅｒ
ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ｛ｘ
图２外差检测原理图
Ｆｉｇ．２ Ｔｈｅｏｒｙ ｏｆ ｈｅｔｅｒｏｄｙｎｅ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ
由于选用激光通信波长，因此除发射／接收透镜
外，光学部分全部采用光纤通信领域使用的成熟器
第３４卷第５期 ２００７年５月
中
国
激
光
Ｖ０１．３４，Ｎｏ．５
ＣＨＩＮＥＳＥ ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＬＡＳＥＲＳ
Ｍａｙ，２００７
文章编号：０２５８—７０２５（２００７）０５—０７０３—０４
激光多普勒振动计用于水下声光通信
贺 岩１，王文奎１，夏文兵１，臧华国１，崔雪梅１，陈卫标１，马 力２
（１中国科学院上海光学精密机械研究所，上海２０１８００；２中国科学院声学研究所，北京１０００８０）
引起的水面振动，从而获取水下目标发出的信息。 激光多普勒振动计是一种非接触式振动测量仪器， 它具有非接触测量、精度高、测点小、动态响应快等 优点，在航空航天、机械等众多领域有着重要的应用 价值。传统的激光多普勒振动计主要以Ｈｅ－Ｎｅ和 ＣＯ。气体激光器为光源［４￣６］，系统采用的干涉仪为
台通信的传统方法需要将水上平台的传感器侵入水
件，光路由带ＦＣ／ＡＰＣ型接头的光纤跳线构成，安 外差检测是将频率工的激光多普勒信号与经 过声光调制器（ＡＯＭ）的频率＾＋＾的本振激光进
装灵活，光学结构简单可靠。系统的主要器件技术 指标如表１所示。
万 方数据
５期
贺
岩等：激光多普勒振动计用于水下声光通信
７０５
表１系统主要部件的性能指标
Ｔａｂｌｅ １ Ｄｅｖｉｃｅ Ｆｉｂｅｒ ｌａｓｅｒ Ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎｓ ｏｆ
ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，ｔｈｅ ｓｍａｌｌｅｓｔ ｓｏｕｎｄ
ｖｉｂｒｏｍｅｔｅｒ；ａｃｏｕｓｔｏ—ｏｐｔｉｃ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ；ｈｏｍｏｄｙｎｅ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ
１
引
言
法实现水下目标对水上平台的上行通信，在水气交 接面利用激光多普勒振动计（ＬＤＶ）检测水下声波
水下目标的无线通信主要使用声波作为通信手 段，由于水气交界面的限制，实现水下目标和水上平
ｓｏｕｒｃｅ
ａｃｏｕｓｔｏ—ｏｐｔｉｃ
ａｒｅ
ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，ｗｉｔｈ ｔｈｉｓ ｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅ
ｏｆ
ａｃｏｕｓｔｉｃ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ａｎｄ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｏｆ ｄａｔａ，ｔＷＯ ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎｓ
ａｒｅ
ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ
ｄｅｔｅｃｔｅｄ．Ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ
，１ Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｏｐｔｉｃｓ ａｎｄ Ｆｉｎｅ
＼
２
Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ，ｎＰ Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ
Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｓｈａｎｇｈａｉ １０００８０，Ｃｈｉｎａ
２０１８００，Ｃｈｉｎａ、
１
Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ
Ａｃｏｕｓｔｉｃｓ，ｎＰ Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ
ｐｏｒｔｌ庶Ｄ（
Ｄｏｐｐｌｅｒ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｏｕｔｐｕｔ
ｃｉｒｃｕｌａｔｏｒ
、ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ ｂｌ ｏｆｆｉｂｅｒ
嘲１ｅｎｓ
、ｅｎｄｆａｃｅ
图１零差检测原理图
Ｆｉｇ．１ Ｔｈｅｏｒｙ ｏｆ
ｈｏｍｏｄｙｎｅ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ
ＩｎＧａＡｓ ｄｅｔｅｃｔｏｒ
ｆｉｂｅｒ ｆｉｌｔｅｒ
ｓｉｇｎａｌ｛ｓ
ｍｅｔｈｏｄｓ．Ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｗａｙ ｏｆ ｈｏｍｏｄｙｎｅ ｃｏｈｅｒｅｎｔ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ，ａ ｆｉｂｅｒ ｌａｓｅｒ Ｄｏｐｐｌｅｒ ｖｉｂｒｏｍｅｔｅｒ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ａｎｄ
ｃａｎ
ｃｏｍｐｌｅｔｅｄ．Ｔｏ ｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ
ｂｅ ｕｓｅｄ ｉｎ ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ ｓｏｕｎｄ ｉｓ
发生器，发生的声波引起水表面的振动，激光振动计 将激光聚焦到水表面，探测水表面振动导致的相位 变化。实验目的是证明激光多普勒方法对水下声源 的发声频率和强度测量的一致性，从而验证激光多 普勒振动计应用于水下声光通信的可行性。
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ＡＩ苗１９９
图５水面振动速度的时间序列波形 。
０ｕｔｐｕｔ Ｌｉｎｅ
ｐｏｗｅｒ／ｒｏＷ
ｗｉｄｔｈ／ｋＨｚ ｌｏｓｓ／ｄＢ５Leabharlann Ｆｉｂｅｒ ｉｓｏｌａｔｏｒ
Ｉｎｓｅｒｔｉｏｎ
运动从左到右完成速度由慢到快再到慢的变化过 程，时间约为１８０ ｍｓ，水面起伏的频率近似２．８
Ｈｚ，
Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ／ｄＢ
Ｆｉｂｅｒ ｃｉｒｃｕｌａｔｏｒ Ｉｎｓｅｒｔｉｏｎ
ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ
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ｇｏｔｔｅｎ：ｆｉｒｓｔ，ｔｈｅ
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ｄｅｔｅｃｔ ｔｈｅ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｏｆ ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ
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ｓｏｕｒｃｅ，ｔｈｅ ｓｔａｎｄａｒｄ ｄｅｖｉａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｅｃｏｎｄ，ｔｈｅ ｓｉｇｎａｌ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｏｆ
３系统设计
系统采取零差工作模式，旨在验证水下声光通
信的可行性，系统结构如图３所示。主要模块包括 单纵模光纤激光器、三端光纤环形器、望远镜、光纤 滤波器和光电探测器。激光器采用分布反馈光纤激 光器，激光波长为１５５０ ｎｍ，线宽小于１０ ｋＨｚ，输出 功率为１００ ｍＷ。输出激光进入光纤环形器的１端 口，光纤隔离器隔离度大于３２ ｄＢ，有效阻止光纤接 口的反射光回到激光器而对激光器造成损伤。由２ 端口出射的激光，在出射光纤端面分为反射光和透 射光，端面反射光作为相干检测的参考光，透射光经 成像透镜聚焦到被测水表面，水表面随声波频率作 受迫振动，水表面反射光的相位随水表的振动而产
朝着一个方向变化，可以说明，水面起伏的瞬时速度 大于声波引起的水表面振动速度，因此测量到的水
４
实验结果
按照图３的实验装置，在水槽水面下吊装声波
面运动方向是一致的，没有运动方向的混叠。图５为 该段数据频率解调并滤波后的波形，频率为７
ｋＨｚ。
为了检测测量频率和水下声源频率的一致性， 进行了激光多普勒振动计测量振动频率与声源原始 频率的比较实验。声波发生器产生频率范围为６．５
系统采用零差工作方式，没有采用通常的偏振 检测方法来获得正交分量的相干信号，从而鉴别运
Ｖａｌｕｅ
ｓｙｓｔｅｍ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ
Ｐａｒａｍｅｔｅｒ
动方向，而是依靠水槽中水面的自由起伏产生的运 动速度，达到外差的效果。图４（ａ）是当水下声波频 率为７ ｋＨｚ时。水面运动的相干检测波形。水面的
Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ／ｎｍ
ｍｅａｓｕｒｉｎｇ
ａｃｏｕｓｔｉｃ ｆｒｅｑｕｅｎｃｉｅｓ
ａｎ
ｔｈｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｏｆ ７
ｐｒｅｓｓ
ｋＨｚ ｉｓ ｌｅｓｓ ｔｈａｎ ８ Ｈｚ；
ｓｙｓｔｅｍ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｉｓ
ｅｘｐｏｎｅｎｔｉａｌ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｏｆ ａｃｏｕｓｔｉｃ