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利用激光声实现水下信息传递、目标获取的新方法 　　引 言 　　激光与液体介质相互作用， 当激光的功率密度超过了液体的击穿阈值时， 在击穿区域产生等离子体，等离子体通过逆轫致等方式吸收激光能量，向液体中辐射声波，即激光声信号。 作为一种新的水下声源激发方式，它具有产生方式机动灵活、声源级高等诸多优点。 目前，国内外学者都在开展光激光声在不同领域的应用研究。 其中 ，Blackmon提出了激光声通信中的信号调制、解调方法；宗思光构建了激光声通信系统， 进行了激光声通信的实验验证，利用激光声实现了对水下目标的探测；刘涛设计了利用激光声进行水下探测的设备；沈中华等人对激光声进行物质表面检测进行了深入研究，Sayal对脉冲激光波形和激光声信号的关系进行了研究。 以上研究结果表明：利用激光声实现水下信息传递、目标获取具有一定的可行性。 但该方案仍然存在两个主要问题：(1) 激光声衰减速度较快， 限制了其作用距离；(2) 激光声信号发散角很大， 不能满足现代通信必威体育官网网址性的要求。 因此，如何通过技术方式来克服以上问题对激光声发展带来的不利影响， 是一个十分重要的课题。 　　文中利用设计的激光声换能器(以下简称换能器)，构建了实验系统，对在换能器内部和自由场中产生的激光声信号在时频域特性、传输特性、指向性等方面进行了比较， 体现了换能器在改善激光声信号特性上的优势， 研究结果可以为开展激光声的水下应用提供一定的参考。 　　1 换能器结构 　　换能器结构如图 1 所示。 L 是激光聚焦系统，激光经过 L 后再由透光窗口会聚到 O 点， 击穿水介质，产生激光声信号。TP 是声的硬面反射抛物面，SH是半球面，O 点是半球面 SH 的球心、 激光聚焦点和抛物面 TP 焦点三点的重合点。产生的激光声信号有两种传输路径。 第一种是经 TP 反射后向外辐射，称为一次反射波，其典型路径如 OP-PZ。 第二种是经过 SH 反射后，再经过 TP 反射，称为二次反射波，其典型路径为 ON-NO-OQ-QH。 根据声的硬面(反射面的特性阻抗远远大于换能器内水介质的特性阻抗)反射理论和抛物面性质，抛物面的任意反射声线(如 PZ 和 QH)与旋转抛物面的轴 OX 平行 ，即 CMAN∥OX。 下面证明在 ZH 面上的声波是平面波。在换能器内建立 xy 坐标系，设 O 点坐标为(p/2，0)，P 点坐标为(x，y)，Z 点坐标为(l，y)。 在 xy 平面内的抛物面方程可以写成：【1-2】 　　 　　把公式(1)代入(2)，整理得 OP+PZ=p/2+l，由于 l与 p 是常数，并且 P 是抛物面上的任意一点，所以一次反射波到达 ZH 面的距离相等， 又由于在 O 点开始的声波相位相同， 所以在 ZH 面处所有的一次反射波的相位相同。 同理，可证明所有的二次反射波到ZH 面的路程相等，在 ZH 面上的相位相同。 所以，在ZH 面上声波是平面波。 这样，经过换能器的作用后 ，激光声信号的波阵面由球面变成了平面， 下面将进行实验研究这一变化对激光声信号的影响。【图1】 　　2 实验设计 　　激光声实验测量系统如图 2 所示。 实验采用调Q Nd：YAG 激光器 ，输出激光波长 1 064 nm，脉冲宽度 8 ns，激光器输出单脉冲能量为 3 mJ 可调。激光分别在自由场和激光声换能器内部水中聚焦击穿。 对产生的激光声信号通过无指向性的水听器进行接收，水听器线性频带宽度为 2~600 kHz，灵敏度级为-216 dB( 参考值为 1 V/μPa)， 水听器与激光击穿点相距 1 m， 其 接 收 到 的 激 光 声 信 号 通 过 电 缆 送 入Agilent7104A 型示波器进行采集，采样频率为 4 GHz。最后由计算机实现对信号的存储。【图2】 　　 　　3 实验结果分析 　　 　　3.1 时域比较 　　如图 3 是水听器接收到的激光声信号时域波形图。 可以看出，在自由场和换能器内产生的激光声信号差异较明显。 首先，在自由场产生的激光声信号有两个峰值，即图 3(b)中标号 1,2 所示，两者分别是等离子体声波和空泡溃灭声波。 而在换能器内部产生的激光声信号有有四个峰值，如图 3(a)标号 1,2,3,4所示，其中，1、3 分别是等离子体声波和空泡溃灭声波在换能器内的一次反射波。 1 和 2，3 和 4 在时间上相距 33 μs， 水中声速为 1 500 m/s， 可以计算出 1和 3，2 和 4 声程差为 4.95cm，经测量半球 SH 的半径为 2.5 cm，这样一、二次反射波的声程差为 5 cm，因此可知，2、4 分别是等离子体声波和空泡溃灭声波的二次反射波。 同 1，3 相比，2、4 在幅度上较小，主要由以下两个原因造成：(1) 二次反射波比一次反射波多经过一次反射，