雷射聲納探測技術研究

2020-12-08 騰訊網

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在進行海洋地下資源的開發時，了解水下具體的三維結構對水下工程的施工具有巨大幫助。傳統的二維聲納已經遠不能滿足人們對三維立體模型的構建，需要一個解析度更高、能夠清晰地看清地下水結構模型及目標的技術，從而為工程施工提供更多細節描述。雷射聲納技術是應用空中平臺垂直發射的光波傳輸到空氣和水的交接面上，進而測量水表面的振動速度，從而可以獲取水下聲場振動頻率的方法。由於水表面的振動會導致雷射傳輸路徑產生差異，進而會使雷射光束傳輸的長度發生改變變為都卜勒頻移。在進行雷射聲納技術時，需要獲取水表面的法向分量，進而可以進一步獲取水下聲場的具體信息，實現水下水利工程的雷射聲納探測。

一、雷射聲源特性

雷射在液體中會進行雷射的傳播，在工程技術應用時，將形成的光聲源與液體周圍的介質完全耦合，通過不斷地移動雷射光束，實現使光聲源在液體自動快速移動，同時該光束不會在水下形成湍流；雷射在水下是從液體外部打入液體內部，聲波在傳播過程中是非接觸形式的，在對雷射儀器進行操作時，其速度大小受人為的影響較小；然後隨著雷射電壓的不斷增加，傳統聲納技術會在表面前方形成一個巨大的空化氣泡，影響高強聲波的發射，整個雷射的聲功率主要與雷射的整體的能量有關。同時，雷射聲納聲源的聲譜很寬，變化區間較大，從幾十赫茲到幾千赫茲之間進行變換，這樣能夠更加清晰地分辨目標的所在地；雷射聲源的聲脈衝較窄，即便距離較遠也能夠識別出目標的位置。

二、雷射聲納探測技術的發展

在20世紀60年代初，H.Yeh就對聲納技術進行了研究，其對雷射束進行都卜勒頻移分量分析，獲得懸浮粒子在此時的速度大小分布，進而推算出了在該處粒子的最小可測量速度縱向速度大小是0.007m/s，該種方法為雷射聲納技術發展奠定了裡程碑，其可以獲得液體速度變化引起的該處粒子的聲場信息。

但是如果需要準確掌握該聲場信息，就需要對所測量粒子的體積進行詳細測量，並選擇一個最佳的觀測角度，以保證在測量過程中因為外界影響而讓懸浮粒子與待測液體速度產生很大的差異。1988年，M.S.Lee等人利用雷射光譜都卜勒技術測試了箱型表面流體的振動情況，其利用光電倍增管測試箱體表面的水位變化情況，利用幅度調度的方法調製其單模連續的雷射的反射信號、在對信號進行後續的處理，以方便獲得水下結構引起水下聲信號的變化的緣由，通過試驗獲得該聲波的線性頻率在15～25Hz之內變化，所述裝置能夠測量1m外的聲壓等級。

在實際的工程應用中，會存在風雨等外界因素影響，水面本身會產生一定波動導致整個聲場的頻率產生一定幅度變化，但是在試驗過程中，對出現的探測距離變化及振動頻率增加的實際情況並沒有給出具體的處理措施，因此該系統對於幅度調製原理實現系統的具體應用還存在一定的局限性，在下一步的聲納探測技術中，可以採取更為理想的不受外界影響的聲納探測技術。隨後Joseph F.Vignola在試驗過程中，藉助於粒子聲納技術對表面振動的探測信號進行轉換，並對試驗的可行性驗證了試驗的可行性，包括搭載系統及系統後期數據處理分析等，提出了考慮水下工程聲信號探測方法的考慮基點、後向散射以及高強度光束照射影響的假設，在試驗過程中採用的是差分探測裝置，具體如圖1所示，由於差分探測裝置系統的複雜性，在近距離信號探測過程中應用較為廣泛。

圖1差分外側探測裝置

三、雷射聲納探測技術的應用

利用雷射聲納探測技術對水下聲波進行探測時，需要將換能裝置置於水中，這樣可以大大減少水錶目標資料庫的建立及水下數據信息的獲取。在對海洋進行聲波探測時，首先需要對水下目標進行探測，利用強雷射與水質的相互作用，將熱膨脹原理形成光源，發射出超聲波，通過發射出的廣播不斷向周圍進行傳播，當遇到海底的礁石或者其他障礙物時會形成雷射發射，將聲波的部分能量進行折回。在雷射聲納中，目標信號將會直接檢測水聽器的水下回波信號，也可以直接通過水聽器對水下的聲波信號進行探測，同時也可以採取光學測量手段對水下的微波進行測量。

四、結語

對雷射聲納技術的發展以及實際的應用展開了描述。利用雷射聲納技術的特點應用於實際的水下工程，為其目標探測提供了一種切實可行的方法。

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