海空声－光信息链接技术研究

周悦，徐文，沈永行，刘伟

(1.浙江大学信息与电子工程学系，浙江杭州310027;2.浙江大学光电信息工程学系，浙江杭州310027)

0 引言

生活在一个不受线缆束缚的自由通信时代，电磁波充当信使在空气中将信息即时传递。然而海洋对电磁波基本上是“不透明”的，声波是目前能在海洋中远距离传播的主要波动形式［1］。因此要想在海洋中同样建立起无线信息通路，就需要寻求声波的帮助。于是，诞生了声纳系统，它们就像陆地上的雷达与天线，在水下利用声波，或发射、或捕捉着信息。空气与水这两种介质在物理特性上即声阻抗上存在着较大的差异，使得海面成为了一个称为绝对软的边界，将水中声波的大部分能量困在海面之下。它就像一个巨大的信息屏障，把空气与水间的信息通路阻断。1943年，为了对付德国潜艇，加拿大飞机投下了世界上第一枚声纳浮标，通过浮标水面下的声纳装置与水面上的无线电装置建立了水面上下的信息桥梁［2］。20世纪40年代末，美国通过吊放电缆将声纳探头悬垂入水中，实现了同样的作用。然而包括近年来发展起来自主潜航器在内的一系列技术手段，都需要依赖物理浸没在水中的水声换能器，来实现声信号与电信号的相互转换。这种物理浸没，在很多应用场合是我们不想要的或者是不可行的［3］。本文中所讲述的海空声－光信息链接技术，如图1所示，利用激光打破海面信息屏障，可以机动灵活地实现海面上下的信息互递。

图1 海空声－光信息链接技术应用场景

1 激光致声原理

根据激光脉冲能量大小和相互作用区内能量密度及其时空分布的不同，可以把激光致声的机制归结为热膨胀、汽化和介电击穿这3种［4］。当光脉冲能量较小，相互作用区内能量密度较低，水表面温度达不到沸点时，声波是由水的不均匀加热所引起的热弹性压力产生的，此时声激发的主要机制是热膨胀。在热膨胀过程中，水的物理性质并未发生重大改变。如果吸收的能量超过水表面加热到沸点所需的热量时，声波的激发除热膨胀机制外，还有起主导作用的汽化机制;汽化过程中水的沸腾和水蒸气的膨胀爆裂，形成水的表面喷出，水中声脉冲就是对水表面喷出的反作用。与热膨胀机制不同，汽化过程中，水已经改变了它的状态。当激光能量密度更高时，水表面或水中某一深度处会发生光击穿，这时水或水中物质被电场电离，形成等离子体，它继续吸收光的能量，最终由等离子体“爆炸”即水的光学击穿在水中产生冲击波。如果等离子体在水表面形成如图2所示，那么将在水中和空气中同时产生很强的冲击波，水中的冲击波的速度和波前很快衰减为通常的声压波，这就是介电击穿机制。在介电击穿中，被击穿的那部分水，已经变成了性质完全不同的等离子体［2］。

图2 水表面的介电击穿现象

2 光－声转换效率理论及实验数据分析

2.1 光－声转换效率理论值

文献5定义光－声转换效率为:并推导出线性光－声转换效率理论值计算公式:

式中，系数k0=(cβ2α)/(4ρ0c)仅取决于液体参数。对于室温的水，k0≈10－3cm2/J。由式2知，线性光声转换效率正比于εL。然而，通过增加εL来提高转换效率会发生光声转换机制跃迁到蒸发机制的问题，所以式2只适用于εL＜εev≈1.5 J/cm2(εev为蒸发机制激光能量阈值)。在线性光声转换区，最大的光声转换效率也仅仅能是百分之零点几这个数量级。

2.2 光－声转换效率测量

由式1可导出等效光－声转换效率定义式η=Eac/El=Pac/Pl。其实验设置如图3所示。

水听器的接收灵敏度为M(V/Pa)，水听器开路电压输出为v(V)，水听器声学中心处声压p(Pa)［6］:

图3 光－声转换效率测量实验设置

依文献7设定激光声源的辐射模式为偶极子模式:

传播损失按球面波衰减进行计算:

这样就可以得到由水听器开路输出电压推算激光声源的声源级表达式:

激光声源的声源级也可以表示为声功率的函数［8］:

式中，指向性指数DIT可以表示为:

对于偶极子声源，DIT=10lg3。由式6、7可以得到由水听器开路输出电压计算激光声源声功率的表达式:

这样激光声源的光－声转换效率就可以表示为:

采集到的激光声源激发的声压数据频谱如图4所示。实验几何设置r=0.2m，θ=0°，各主要频点的频谱幅值v、水听器的接收灵敏度M及相应频点的声源声功率如表1所示。

图4 激光声源声压信号的频谱

3 结束语

未来，预计海空声－光信息链接技术可以广泛地应用于机动灵活的空载平台。空中平台运用激光形成的主动声纳与水下的潜器、应答器和海底信息采集系统等进行信息交互，完成海空通信、导航、定位、海洋开发与探测等任务。空载平台原生支持的宽带无线通信技术、高速隐身特性，将使其成为海空声－光信息链接中的重要信息节点并促使水声技术的应用迈向一个新台阶。

表1 主要频点水听器输出值及相应的声源声功率

［1］张仁和.水声物理、信号处理与海洋环境紧密结合是水声技术发展的趋势［J］.应用声学，2006，25(6):325－327.

［1］李荣福，崔桂华，田作喜，等.激光声遥感技术［M］.北京:国防工业出版社，2003:4－9.

［1］Antonellia Lynn，Blackmon Fletcher.Experimental demonstration of remote，passive acousto-optic sensing［J］.Journal of the Acoustical Society of America，2004，116(6)，3 393－3 403.

［1］宋思光，王江安.空中对水下平台激光声通信技术的探讨［J］.电光与控制，2009，16(10):75－79.

［1］Ostrovskaya G V.Efficiency of optical-to-acoustic energy conversion upon the interaction of a pulsed laser radiation with a liquid:I Calculation of the efficiency upon acoustooptic interaction［J］.Technical Physics，2002，47(10):1 299－1 305.

［1］郑士杰，袁文俊，缪荣兴，等.水声计量测试技术［M］.哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社，1995:6－9.

［1］Lyamshev L M.Lasers in acoustics［J］.Sov Phys Usperkhi，1987，30(3)，252－279.

［1］Urick R J.Principles of Underwater Sound［M］.New York:McGraw-Hill，1983:71－76.