水下声信号激光检测与处理技术

鞠闯

（中国船舶重工集团公司第七二六研究所，上海 201108）

水下声信号激光检测与处理技术既可以用于水下通信又可以用于检测水下通信的激光声信号，以往水下声信号激光检测与处理主要使用水声换能器，该设备布置在对应区域的海水表面即可对一定范围内的水下声信号进行检测，而后对水下声信号进行处理即可获取水下通信的内容。目前则采用激光声源对水下声信号进行传播、检测和接收，而后通过激光致声技术完成水下高质量通信或者进行水下声信号监督，相比传统水声换能器来说该技术具有激光检测和处理速度快、不易受水体环境干扰等优点。

一、水下声信号激光检测与处理技术发展现状

（一）国外水下声信号激光检测与处理技术现状

水下声信号激光检测与处理技术既可以用于军事领域中的水下声信号检测，又可以用于民事领域中的水下通信，因此国外在水下声信号激光检测与处理技术研究方面已经有很长时间的历史。近年来，日本水下声信号激光传播技术采用LD 光源在清水中的信息传输速率达到了1.45Gbit/s，且误码率只有9.1×10-4；美国水下声信号激光传播技术同样采用LD 光源在模拟海水中的信息传输速率达到了3Gbit/s，且误码率只有2.073×10-4；沙特基于国内外水下声信号激光检测与处理技术的研究对不同波长、距离、水体对水下声信号激光传播技术的信息传输速率和误码率进行了分析和总结，进一步明确了其中的变化规律[1]。

（二）国内水下声信号激光检测与处理技术现状

我国认识到了水下声信号激光检测与处理技术在军事和民事领域中的关键作用，于是紧跟国外脚步对水下声信号激光检测与处理技术进行了研究。浙大研究人员使用激光声源在32-QAM OFDM 调制模式下的信息传输速率达到了4.883Gbit/s，且误码率只有3.2×10-3；台湾大学研究人员采用LD 光源在海水中的信息传输速率达到了7.2Gbit/s，且信号传输距离大于6.8m；国防科学技术大学研究人员使用蓝绿激光声源在海水中进行通信，验证了全光纤水声通信激光生源的可行性[2]。

二、水下声信号常见的激光检测与处理技术

（一）水下激光通信系统

水下激光通信系统由接收机和发射机两部分组成，接收机由收集光学系统、检测器、信号处理三个模块组成，发射机由信号处理、激光声源、调制器、发射光学系统组成，发射机由信道与接收机相互连接。

（二）PPM 调制解调技术

PPM 调制解调技术指的是由N 组二进制数映射成的2n 个时隙组成的单个脉冲信号，其光辐射功率比较低，当n 大于16 时PPM 调制解调技术的功率利用率比OOK 调制解调技术高，因此功率衰减偏大的通信环境比较适合使用PPM 调制解调技术[3]。

（三）分集接收技术

分集接收技术指的是多个复合光学接收天线拼接而成的分级阵列式光学接收天线，该技术要求高聚光比、接收到的光斑均匀性好、接收视场角大才能提高信噪比和动态接收范围。

（四）收发系统对准技术

收发系统对准技术是一种点对点接收的激光通信技术，该技术增加了接收器天线的有效接收面积，提高了水下激光通信的可靠性和稳定性，但是这种激光通信接收器仍然以浮标形式存在，其隐蔽性、体积、能耗等方面的优势的不容替代的。

（五）激光致声技术

激光致声技术通过热膨胀机制、汽化机制、光击穿机制、电致伸缩机制、光化学反应机制将激光信号转换为电信号进行检测和处理，从而完成水下激光通信。

三、水下声信号激光致声技术理论阐述

（一）热膨胀机制

热膨胀机制指的是当激光入水之后由于光强较低导致受激液体分子发生无辐射的弛豫过程，而后液体媒质吸收光能被瞬时加热膨胀，最终向周围介质中辐射脉冲声波。

（二）光声脉冲特性

当液体媒质对激光的吸收系数很小时，在液体媒质中激发的光声源为柱面声源，激发的声波为柱面声波；若把激光束聚焦到液体中，可形成球面光声源，激发的声波为球面声波；若平面光声脉冲光束直径远大于液层厚度，则在液面附近形成一面声源。

（三）汽化机制理论

汽化机制指的是当被激光加热的液体媒质温度升高到一定程度之后，液态物质向气态物质转变，当气态物质能量密度接近汽化热时液体表明发生汽化，而增加激光声源强度会导致气态物质的能量密度直接大于液体汽化热，最终液体表面发生剧烈汽化沸腾现象，此时可以在沸腾的液体中激发声脉冲。

（四）表面微扰现象

水面与空气的临界面在水下声场发生变化时会产生表面微扰现象，此时水面会产生表明横向微波。表面微扰现象中产生的横向微波包括色散波、非色散波、表面张立波、重力波、中频波等，其传播速度在10cm/s～100cm/s。

（五）幅度调制理论

幅度调制理论指的是接收机的有效面积是有限的，如果从水面发射过来的光束进入接收机，则其中部分光束会丢失。而偏离部分的光束可以通过声波的幅度、声波数、声波频率等参数进行计算，最终得到的结果即接收机上产生的恒定光通量的交流部分值。

四、水下声信号全光纤激光致声技术系统实验

（一）水声计量测试

水声计量测试主要使用激光信号源、功率放大器、标准水听器、测量水听器、滤波器、数字信号采集器、计算机及其外部设备等装置，分别对水下声信号进行连续声压测量、脉冲声压测量，脉冲声压测量过程中需要对脉冲宽度和周期进行选择。

（二）实验装置选择

水下声信号全光纤激光致声技术系统实验主要使用激光器、控制电路、电光强度调制器、直流偏执电源、信号源、光电转换器、示波器、掺铒光纤放大器、采集卡、滤波器、数据处理器系统、水听器、模拟海水等装置。

（三）实验结果与分析

小容器中采集卡20ms 可以收到声脉冲信号，探测到信号的半峰值幅度为600mV、峰值声压级为130dB，声源谱级为105dB。大容器中采集卡500ns收到声脉冲信号，探测到信号的半峰值幅度为400mV、峰值声压级为125dB，声源谱级为106dB。

（四）实验结果与理论对比

实验结果与理论对比可知光脉冲等效脉宽的长度与声脉冲的持续时间成正比、与光声脉冲的频率成反比，根据激光致声技术理论所得的频谱分析结果可知实验结构比较准确。

（五）全光纤激光致声技术的可行性分析

全光纤激光致声技术可以获得声源谱级为105～106dB 的光声脉冲，而且其频率为10～20kHz 之间，因此完全可以基于全光纤激光致声技术进行水下声信号通信，确定编码和解码方式之后通过发射机和接收机即可进行水下声信号的激光检测与处理。

五、水下声信号激光致声技术铒镱共掺光纤放大器实验

（一）铒镱共掺放大理论

水下声信号激光致声技术铒镱共掺光纤放大器的原理是抑制铒离子簇的形成，这样铒离子簇的形成之后铒镱共掺光纤的能级发生变化，而能级跃迁到上一级别之后即可增加铒镱共掺光纤接收器的有效截面积和吸收带宽。

（二）铒镱共掺放大器脉冲激光放大特性实验

铒镱共掺放大器脉冲激光放大特性实验共使用激光器驱动、示波器、激光器、光电转换器、信号源、声光调制器、光衰减器、耦合器、驱动、光隔离器、掺饵光放大器、铒镱共掺光纤放大器、光隔离器等装置。

（三）激光致声技术实验

激光致声技术实验共需要使用激光器、驱动电路、驱动、信号源、声光调制器、隔离器、两级掺铒光纤放大器、采集卡、数据处理系统、铒镱共掺光纤放大器、滤波器、水听器、隔离和聚焦系统、示波器、光电转换器和液体介质。

六、共振声池设计与高功率光纤激光致声技术研究

（一）共振声池设计

1.共振声池理论

共振声池即在常规的非共振声池上加上一个亥姆霍兹共振器便构成亥姆霍兹共振声池，使其具备声放大功能和共振增强特性，这样即可让共振声池具备声滤波和避开低频噪声的作用。

2.共振声池放大性能实验

共振声池放大性能实验共需要信号发生器、功率放大器、滤波器、数据采集和处理系统、水池、水听器、亥姆霍兹共振器、声源等装置，即可得到不同频率下水池和共振腔中的声信号实验结果。

（二）高功率光纤激光致声技术实验

1.光击穿机制理论

当高功率激光作用于液体中时，若作用的激光能量密度超过液体的击穿阈值，则激光与液体作用激发声波的机制为光击穿机制。激光诱导液态物质产生击穿的物理过程是伴随着声、光、热、机械效应等一系列现象的复杂的物理过程。

2.光击穿机制实验

光击穿机制实验共需要驱动电路、光纤激光器、光头、聚焦透镜、透声样品池、水听器、滤波器、采集卡、信号处理系统等装置，实验最终可以得到脉冲激光的平均功率、脉冲重复频率、单个脉冲激光的能量、峰值功率密度等参数结果，根据纯水光击穿阈值即可判断高功率光纤激光致声技术在水下声信号激光检测与处理中是否可行。

七、结论

综上所述，水下声信号激光检测与处理技术在水下通讯方面具有广泛应用前景，而高功率光纤激光致声技术可以实现近距离隐蔽水下通讯，该技术无论在民事还是军事领域都比较重要，但是该技术必须采用光声转换效率和生源级比较高的全光纤激光生源才能完成水下通讯，因此高功率光纤激光致声技术原理虽然比较可行，但是该技术想要实现大规模应用还需要一定的时间和成本。