專利名稱：相干激光遙感探測水下聲信號的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光遙感，特別是一種相干激光遙感探測水下聲信號的方法和裝置，實現(xiàn)遠(yuǎn)距離、非接觸地探測水下聲信號，可以用作水下儀器對水上平臺的無線、無中繼設(shè)備的遠(yuǎn)距離通信的接收端。
背景技術(shù)：
由于水氣的特性阻抗不同，大部分水下聲波在界面處被反射，穿透到水面上的聲波損耗非常大，為了探測水下聲信號，必須將接收換能器浸入水中，再將探測到的聲信號以電纜或無線電方式傳送給水上平臺，這種存在濕端中繼的探測方式限制了水上平臺探測水下聲信號的機(jī)動性。
為了克服這一難題，當(dāng)前采用一種激光遙感探測水下聲信號的方法——非相干激光遙感探測水下聲信號方法[1，2]。請參見文獻(xiàn)1.桑國明，田作喜，何錦林，崔桂華，激光竊聽技術(shù)在水聲信號檢測中的應(yīng)用研究，艦船電子工程，1999年第6期和2.伊厚會，孫金祚，利用激光探測水下聲場的理論研究，煙臺大學(xué)學(xué)報，Vol.16 No.4 Oct.2003。
該方法的原理如圖1所示，激光器01將激光以固定角度入射水表面03，水下發(fā)聲器04發(fā)出的聲信號導(dǎo)致的水表面波動會對激光反射光進(jìn)行方位調(diào)制。對于固定位置的激光接收探測器02而言，反射光的方位變化就會形成探測器面上激光的強(qiáng)度調(diào)制，從而將聲波的調(diào)制信息傳遞到激光接收探測器02上，這樣，利用激光的強(qiáng)度調(diào)制信息可以探測水下聲信號。
該方法是測量激光受水表面的幅度調(diào)制，光源采用普通激光器即可，實現(xiàn)難度較低。但是，該方法存在以下缺點(1)探測靈敏度與激光入射角的余弦值cos(θ)成正比，當(dāng)激光入射角很小時，探測靈敏度大大降低。而對于遠(yuǎn)距離探測水下聲信號，難以實現(xiàn)大角度測量，因此，該方法無法實現(xiàn)遠(yuǎn)距離的探測。
(2)發(fā)射和接收機(jī)的角度必須嚴(yán)格匹配，光路調(diào)節(jié)難度大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是要彌補(bǔ)上述現(xiàn)有的非相干激光遙感探測水下聲信號方法的不足，提供一種相干激光遙感探測水下聲信號方法及裝置，以實現(xiàn)遠(yuǎn)距離探測水下聲信號，而且該裝置應(yīng)具有探測靈敏度高、測量距離遠(yuǎn)、光路靈活、結(jié)構(gòu)可靠、調(diào)節(jié)容易的優(yōu)點。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種相干激光遙感探測水下聲信號的方法，特征在于該方法是將單頻激光器輸出的單頻激光分為探測光和參考光，探測光經(jīng)過光外差調(diào)制后發(fā)射到待測水面；水下儀器發(fā)出的聲波使待測水表面形成受迫振動，該受迫振動的振動頻率和幅度分別和水下儀器發(fā)出的聲波的頻率和強(qiáng)度一致；所述的探測光在待測水面形成的反射光的頻率受待測水面的振動速度調(diào)制，反射光和參考光相干，經(jīng)過光電探測器接收，電外差解調(diào)器解調(diào)出待測水表面的振動速度，進(jìn)而獲得水下聲波的波形，實現(xiàn)對水下聲信號的探測。
實現(xiàn)上述方法的相干激光遙感探測水下聲信號的裝置，包括激光器、光分束器、光移頻器、光環(huán)形器、望遠(yuǎn)鏡、光合束器、光電探測器、電外差解調(diào)器、外差信號驅(qū)動放大器，其位置關(guān)系是激光器發(fā)射的激光經(jīng)過光分束器分為探測光和參考光，探測光進(jìn)入光移頻器；電外差解調(diào)器輸出外差電信號，經(jīng)過外差信號驅(qū)動放大器放大后驅(qū)動光移頻器，使通過光移頻器的探測光產(chǎn)生和外差信號相同頻率的頻移；移頻后的探測光進(jìn)入光環(huán)形器的第一端口，從第二端口輸出，再經(jīng)過望遠(yuǎn)鏡發(fā)射到待測水面；水面的反射光再由該望遠(yuǎn)鏡接收，從光環(huán)形器的第二端口進(jìn)入光環(huán)形器，從第三端口輸出，反射光與參考光在光合束器中合束，由光電探測器探測相干光信號，并將其轉(zhuǎn)化為電信號，經(jīng)過電外差解調(diào)器解調(diào)出水下聲信號的波形。
所述的激光器為單頻光纖激光器。
所述的光移頻器為聲光移頻器。
所述的光分束器和光合束器均為光纖結(jié)構(gòu)。
所述的光電探測器為PIN光電二極管。
所述的各光學(xué)器件均采用光纖接口，之間的光路均由單模光纖構(gòu)成，望遠(yuǎn)鏡的孔徑和焦距比值大于單模光纖數(shù)值孔徑的2倍。
激光器發(fā)射的激光經(jīng)過光分束器分為探測光和參考光，因為探測光發(fā)射和接收都要經(jīng)過望遠(yuǎn)鏡的耦合損失和目標(biāo)的反射損失，會有較大的衰減，因此，分出的探測光應(yīng)大于參考光。
探測光進(jìn)入光移頻器，電外差解調(diào)器輸出外差電信號，經(jīng)過外差信號驅(qū)動放大器放大后驅(qū)動光移頻器，使得通過光移頻器的探測光產(chǎn)生和外差信號相同頻率的頻移，外差信號的頻率大小應(yīng)參考所測量水下聲信號引起的水面振動速度，確保振動速度引起的光頻移小于外差信號的頻率。
移頻后的探測光進(jìn)入光環(huán)形器的第一端口，從第二端口輸出，再經(jīng)過望遠(yuǎn)鏡發(fā)射到水面；水下儀器發(fā)出的聲波使水表面形成受迫振動，振動頻率和幅度分別和水下聲波的頻率和強(qiáng)度一致，水面振動導(dǎo)致探測光在水面的反射光產(chǎn)生多普勒頻移，頻移量Δf0和水面振動速度V有如下關(guān)系Δf=2V·cosθλ]]>式中θ是運動方向和觀察方向的夾角，λ是激光波長。
探測光的水面反射光由同一個望遠(yuǎn)鏡接收，進(jìn)入光環(huán)形器的第二端口，從第三端口輸出，望遠(yuǎn)鏡的孔徑和焦距比值最好大于單模光纖數(shù)值孔徑的2倍，以確保單模光纖發(fā)射的光都能通過望遠(yuǎn)鏡。
反射光與參考光在光合束器合束，由光電探測器探測相干光信號，并將其轉(zhuǎn)化為電信號，該電信號是以外差信號頻率為基頻的調(diào)頻信號，調(diào)制頻率的大小是水面振動引起的多普勒頻移量，經(jīng)過電外差解調(diào)器解調(diào)出調(diào)制頻率，即可獲得水下聲信號的波形。
本發(fā)明的技術(shù)效果如下1、本發(fā)明裝置的激光發(fā)射和接收為零夾角，即使遠(yuǎn)距離測量，也不會出現(xiàn)因夾角變小導(dǎo)致的探測靈敏度下降。
2、本發(fā)明裝置收發(fā)共用一個望遠(yuǎn)鏡，測量光路調(diào)節(jié)簡單。
3、本發(fā)明裝置采用全光纖結(jié)構(gòu)，內(nèi)部光路靈活，結(jié)構(gòu)可靠。


圖1為現(xiàn)有非相干激光遙感探測水下聲信號方法工作原理示意圖，其中01為激光器，02為激光接收探測器，03為水表面，04為水下發(fā)聲器。
圖2是本發(fā)明相干激光遙感探測水下聲信號的裝置實施例的結(jié)構(gòu)示意圖，其中1為光纖激光器，2為光分束器，3為聲光移頻器，4為光纖環(huán)形器，5為望遠(yuǎn)鏡，6為光合束器，7為光電探測器，8為電外差解調(diào)器，9為外差信號驅(qū)動放大器，10為光纖環(huán)形器第一端口，11為光纖環(huán)形器第二端口，12為光纖環(huán)形器第三端口，13為水表面，14為水下發(fā)聲器。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
先請參閱圖2，圖2是本發(fā)明相干激光遙感探測水下聲信號的裝置實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。由圖可見，本發(fā)明相干激光遙感探測水下聲信號的裝置的構(gòu)成包括激光器1、光分束器2、光移頻器3、光環(huán)形器4、望遠(yuǎn)鏡5、光合束器6、光電探測器7、電外差解調(diào)器8、外差信號驅(qū)動放大器9。其位置關(guān)系是激光器1發(fā)射的激光經(jīng)過光分束器2分為探測光和參考光，探測光進(jìn)入光移頻器3；電外差解調(diào)器8輸出外差電信號，經(jīng)過外差信號驅(qū)動放大器9放大后驅(qū)動光移頻器3，使得通過光移頻器3的探測光產(chǎn)生和外差信號相同頻率的頻移；移頻后的探測光進(jìn)入光環(huán)形器4的第一端口10，從第二端口11輸出，再經(jīng)過望遠(yuǎn)鏡5發(fā)射到水面13；水下發(fā)聲器14發(fā)出的聲波，導(dǎo)致水面產(chǎn)生和水下聲波一致的振動，水面的振動速度對水面的反射光形成頻率調(diào)制；調(diào)頻的反射光再由該望遠(yuǎn)鏡5接收，進(jìn)入光環(huán)形器4的第二端口11，從第三端口12輸出，反射光與參考光在光合束器6合束，由光電探測器7探測相干光信號，并將其轉(zhuǎn)化為電信號，經(jīng)過電外差解調(diào)器8解調(diào)出水下聲信號的波形。
本實施例所述的激光器1為單頻光纖激光器，激光波長為1550nm，線寬＜8kHz，功率100mW連續(xù)輸出。
所述的光移頻器3為聲光移頻器，光波長為1550nm，頻移量為55MHz。
所述的光分束器2和光合束器6均為光纖結(jié)構(gòu)，光分束器分光比99∶1＝探測光∶參考光，光合束器合束比99∶1＝探測光∶參考光。
所述的光環(huán)形器4和望遠(yuǎn)鏡5的組合，實現(xiàn)了單望遠(yuǎn)鏡5同時收發(fā)光信號，發(fā)射和接收光軸零夾角，光環(huán)形器4的第二端口11的輸出光纖端面位于望遠(yuǎn)鏡5的焦平面處，望遠(yuǎn)鏡5的焦距100mm，口徑30mm。
所述的光電探測器7為PIN光電二極管，為具有前置放大功能的InGaAs G9806系列。
所述的各光學(xué)器件均采用光纖接口，之間的光路均由1550nm的單模光纖構(gòu)成，光纖接口均為FC/APC。
經(jīng)試用表明，本發(fā)明相干激光遙感探測水下聲信號的裝置，消除了現(xiàn)有非相干激光遙感探測水下聲信號方法存在的作用距離近和光路調(diào)節(jié)難度大的缺點，實現(xiàn)了遠(yuǎn)距離探測水下聲信號，并且具有靈敏度高、光路靈活、結(jié)構(gòu)可靠、調(diào)節(jié)容易的優(yōu)點。
權(quán)利要求
1.一種相干激光遙感探測水下聲信號的方法，特征在于該方法是將單頻激光分為探測光和參考光，探測光經(jīng)過光外差調(diào)制后發(fā)射到待測水面；水下儀器發(fā)出的聲波使待測水表面形成受迫振動，該受迫振動的振動頻率和幅度分別和水下儀器發(fā)出的聲波的頻率和強(qiáng)度一致；所述的探測光在待測水面形成的反射光的頻率受待測水面的振動速度調(diào)制，該反射光和參考光相干，經(jīng)過光電探測器接收，電外差解調(diào)器解調(diào)出待測水表面的振動速度，進(jìn)而獲得水下聲波的波形，實現(xiàn)對水下聲信號的探測。
2.實現(xiàn)權(quán)利要求1所述的方法的探測水下聲信號的裝置，其特征在于該裝置包括激光器(1)、光分束器(2)、光移頻器(3)、光環(huán)形器(4)、望遠(yuǎn)鏡(5)、光合束器(6)、光電探測器(7)、電外差解調(diào)器(8)、外差信號驅(qū)動放大器(9)，其位置關(guān)系是激光器(1)發(fā)射的激光經(jīng)過光分束器(2)分為探測光和參考光，探測光進(jìn)入光移頻器(3)；電外差解調(diào)器(8)輸出外差電信號，經(jīng)過外差信號驅(qū)動放大器(9)放大后驅(qū)動光移頻器(3)，使通過光移頻器(3)的探測光產(chǎn)生和外差信號相同頻率的頻移；移頻后的探測光進(jìn)入光環(huán)形器(4)的第一端口(10)，從第二端口(11)輸出，再經(jīng)過望遠(yuǎn)鏡(5)發(fā)射到水面，水面的反射光再由該望遠(yuǎn)鏡(5)接收，進(jìn)入光環(huán)形器(4)的第二端口(11)，從其第三端口(12)輸出，反射光與參考光在光合束器(6)中合束，由光電探測器(7)探測相干光信號，并將其轉(zhuǎn)化為電信號，經(jīng)過電外差解調(diào)器(8)解調(diào)出水下聲信號的波形。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的探測水下聲信號的裝置，其特征在于所述的激光器(1)為單頻光纖激光器。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的探測水下聲信號的裝置，其特征在于所述的光移頻器(3)為聲光移頻器。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的探測水下聲信號的裝置，其特征在于所述的光分束器(2)和光合束器(6)均為光纖結(jié)構(gòu)。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的探測水下聲信號的裝置，其特征在于所述的光電探測器(7)為PIN光電二極管。
7.根據(jù)權(quán)利要求2至6所述的探測水下聲信號的裝置，其特征在于所述的各光學(xué)器件均采用光纖接口，之間的光路均由單模光纖構(gòu)成，所述的望遠(yuǎn)鏡(5)的孔徑和焦距比值大于所述的單模光纖數(shù)值孔徑的2倍。
全文摘要
一種相干激光遙感探測水下聲信號的方法和裝置，該方法是將單頻激光分為探測光和參考光，探測光經(jīng)過光外差后發(fā)射到水面；水下儀器發(fā)出的聲波使水表面形成受迫振動，振動頻率和幅度分別和水下聲波的頻率和強(qiáng)度一致；探測光在水面的反射光的頻率受水表面的受迫振動振動速度調(diào)制，反射光和參考光相干，由光電探測器探測，經(jīng)電外差解調(diào)器解調(diào)出水表面的振動速度，進(jìn)而獲得水下聲波的波形，實現(xiàn)對水下聲信號的探測。本發(fā)明具有靈敏度高、距離測量遠(yuǎn)、光路靈活、結(jié)構(gòu)可靠、調(diào)節(jié)容易的優(yōu)點。
文檔編號G01S17/88GK101082671SQ20071004277
公開日2007年12月5日 申請日期2007年6月27日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月27日
發(fā)明者陳衛(wèi)標(biāo), 尚建華, 賀巖 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所