利用激光技术探测水下目标的基本想法

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。

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。其工作原理是由空中平台垂直发射一束相干激光到空气——水界面上测量水表面的振动频率，进而获得水下声场振动频率的技术。由于空气、水的声特性阻抗失配严重，压力释放表面（水表面）将随入射声场而振动，振动频率等于入射声

场的频率。水表面的振动导致激

光束传输的路径长度不同于水面

静止时传输的长度，进而这种振

动所导致的激光束传输长度的改

变具体反映为光束的多普勒频

移。因此，通过获取水表面法向

分量的速度信息就可进一步获取

水下声场信息，实现水声探测。

来自水下目标的声信号辐

射到达水与空气界面时，必然会引起水表面的相应振动，使空中射向该水面处的光束发生变化，从而进入到光接收装置的光通量发生相应的变化。如果将光通量的变化转换成电信号的变化，将声能转化为电信号，便可以确定水下目标的信息。进而可以探测水下目标。

本项目的研究将分激光窃听技术研究和激光窃听技术在水声信号检测技术应用两部分进行。前期对激光窃听技术进行理论分析和试验研究，在激光窃听技

术对固体表面振动信号能够有效探测后，我们将利用已有技术并以此为基础对水中声源声信号进行探测研究，对采用单点激光进行水声探测的方法进行深入的理论与仿真分析；后期在已有的单点激光测量系统基础上设计短阵列激光探测系统，结合空气中和水池试验进行

验证。

三．国、内外研究现状和发展动态

对利用激光探测水下目标方法的研究最早可追溯到二十世纪六十年代，H.Yeh等根据随液体同步流动的悬浮粒子对入射激光的反射或散射特性，推算出最小可测量的液体纵向流速为0.007cm/s10^-4 rad。R. I. Whitman等早在1969年就比较了利用相干法测量声波引起的表面振动位移及相位的四种方法，为后期基于相位调制原理实现高灵敏度声场探测提供了参考。

二十世纪七十年代中后期，K.J.Taylor 通过检测空气中悬浮粒子的速度成功获得了麦克风声压级，实现了空气中的声信号的测量。

直至上世纪八十年代末，人们对水下声信号的探测仍然停留在采用水下探头的方法。

实现激光水声探测的激光多普勒系统可分为零差和外差两种工作方式，该观点由S. Hanish 于1983年提出。此外，他还从理论上描述了探测系统实际实现时需要考虑的直接关系到系统灵敏度等性能的因素，如信噪比、探测极限、噪声限制等，为该技术的后期发展提供了理论框架。

1988年，美国的M.S.Lee和B.S.Etal首次提出了激光在水面受水表面波动的强度调制的理论，并且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，成功地检测到了引起水面振动的水下声信号。自此，激光探测与水声探测相结合的探测方法作为一种新兴的探测技术，越来越受到国内外人士的普遍关注。

1993年Richard H. Belansky等提出利用相干激光干涉法测量镜面运动产生的多普勒频移信号，即采用单模He—Ne激光器和迈克耳逊干涉仪对镜面运动进行频域分析提取频移分量，此外，对实验装置的噪声也进行了全面比较和分析。所设计的实验装置最小可测量能量反射率为10-7的信号，测量值与理论值误差在

1％以内，但没有确定多普勒频移的方向。最后将声波信号加载到该实验系统中作为信号源，经过频谱分析即可直接获得声波信号的频率，这一实验的报道奠定了目前激光探声水声技术的发展基础，描述

了一种新的探测方法。

近年来，随着激光技术的迅猛发展，激光水声探测技术也取得了很大的进步。自二十世纪九十年代以来，一些激光水下探测系统，如美国的Magic Lantern、SM2000,加拿大的LUCIE等，越来越广泛地应用于军事和民用领域。进入本世纪，激光水声技术主要着眼于动态测试环境对信号的影响以及如何对回波光信号进行补偿方面的研究，以使通过几方面的研究达到更高的系统灵敏度。对基于该技术发展而来的上、下行通信的可行性也展开了初步的研究。

随着红外、窄线宽激光技术、相干检测技术和元器件特性的Et趋提高，激光水声探测技术也会朝着高精度、高灵敏度和高速高效探测性能的方向发展。

四．创新点与项目特色

●本项目利用激光技术对目标进行探测，不仅可实现远程激光窃听还可将其应

用于水声探测，从而实现远程、快速、大范围水下目标探测。

●光学测量作为一种重要的非接触是测量技术，具有结构简单、精度高、灵敏

度高、稳定性好、测量范围大、易于实现以及不扰动被测物体等诸多特点。

●本项目以现有的激光系统为平台，以光学测量为手段，通过探测水下目标在

水面引起的波动，结合应用声纳阵列信号处理等水声信号处理技术，可以对水下目标声信号探测，与目前广泛应用的陶瓷换能器声纳技术相比，这种将激光探测与声纳探测相结合的激光声纳探测技术无需在水下设置探头，减少了对信息交换场所的限制，避免了对探测环境的破坏。

●本项目将激光窃听技术应用于水声探测，是一个由浅至深，由简单至复杂，

由特殊至一搬的研究过程，研究难度逐层递进，本项目具有较强的实用性能。