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第
卷
第
期
中
国
激
光
年
月
CHINESEJOURNALOFLASERS
Jul
y
基于频域能量检测器的脉冲激光声信号检测
王 伟
,
杨 依 光
,
张 卫 红
,
李 绪 锦
,
徐 德 刚
青岛海洋科学与技术试点国家实验室
山东 青岛
天津大学精密仪器与光电子工程学院
天津
摘要
结合实测的激光致声信号时频域特性
提出了一种基于频域能量检测器的新型 水下 脉冲激 光声 信号检 测方
法
并分析了不同频率激光声信号的衰减特性
针对远 距离 条 件下 高频 信 号衰 减严 重 的问 题
在 频域 能量 检 测器
的前端添加了预补偿滤波器
蒙特卡罗仿真结果表明
带预补偿滤波器的频域能量 检测 器可以 有效 提高远 距离 下
激光声信号的检测性能
关键词
激光声
信号检测
频域能量检测
水声通信
中图分类号
文献标识码
doi
:
.
/
CJL.
PulsedGLaserGSoundGSi
g
nalDetectionBasedon
Fre
q
uenc
y
GDomainEner
gy
Detector
PilotNationalLaborator
yf
orMarineScienceandTechnolo
gy
Qin
g
dao
Shandon
g
China
Tian
j
inUniversit
y
schoolo
f
PrecisionInstruments& O
p
toGElectronicsEn
g
ineerin
g
Tian
j
in
China
Abstract
Ke
y
words
OCIScodes
收稿日期
修回日期
录用日期
EGmail
引
言
近年来
海洋的战略地位愈发重要
水下目标的
快速探测
精确识别 以 及空中对 水 下目标的 通 信是
现代国防与海洋工程领域的研究热点之一
激光在
海上应用中已经发 挥了重要 作 用
如采用机 载 激光
雷达
借助蓝绿激光的穿透窗口
实现海上遥感
水
深测量
地形勘探等
由于激光在海水中会产生
强烈衰减
机 载 激 光 雷 达 探 测 很 难 覆 盖 整 个 海 深
激光声
探测通信技术利用激光直接或者间接产生
宽带
窄脉冲
高强 度的声波
在水下利 用 声波传递
信息
其结合激光 与声波的 优 点在水下 遥 感
通信
探测等领域都有巨大的应用潜力
激光 致声的研究 范畴属于光 声领域
光声效应
的发现最早可以追溯到
世纪
年代
随着激光
技术的发展
光 声 的 相 关 研 究 开 始 蓬 勃 发 展
世
纪
年 代
美 国 科 学 家
和 苏 联 科 学 家
分别发现强激光脉冲可以在 浓缩的液体
介质中通过光声效应激发出声 波
年
美国
研究所在提交的激光相关的专利中已经包含了关于
如何用强激光光束 聚焦
在焦点区 域 作为脉冲 激 光
声源的 方 法
在 实 验 上 达 到 了
的 声 压 级
随着技术的不断发 展
各国科学 家 开始利用 激 光声
信号进行通信探测
展开了实验研究
其中较有代表
中
国
激
光
性的是俄罗斯声学研究所的
教授
其首先
在黑海验证了利用激光声信号在浅海对远程海底目
标进行传感的可行 性
随后利用 高 强度光脉 冲 在海
洋表面产生的声波来实现对水下深海设备的远程控
制
此外
教授在空中利用两台独立的激
光设备成功实现非接触式的水下目标探测
虽然激光声探测通信已经应用于海洋探测装备
技术领域
但是仍然需要继续探索光致声的机理
并
突破现有的探测技术
为此
国内外的研究学者展开
了研究
高功率脉 冲激光聚 焦 击穿透明 液 体时
会
产生冲击波
冲击波衰 减 后变为声 波
根据声波 形
成的原理可以将其分为激光等离子体膨胀引起的声
波和激光空泡溃灭 引起的声 波
两者统称 为 激光致
声信号
在对激 光致声信 号 的产生机 理
频 谱 特
性及后续实验应用 的探索中
等
对激
光击穿效应下产生的信号波形及频谱特征进行了分
析
并对基于激光致 声 信号的通 信 进行了深 入 的研
究和探索
王 雨 虹 等
分 析 了 激 光 能 量 与 激 光 声
特性之间的关系
宗 思 光 等
对 激 光 的 水 下 探 测
性能进行了研究
王 晓 宇 等
对 激 光 致 声 信 号 的
频谱等特征进行了 分析
并以激光 致 声信号作 为 通
信源进行了尝试
邓圆等
对激光致声信号的产
生机理进行了系统 分析
并分析了 激 光脉冲在 介 质
中的传播特性
相对于传 统 的水下声 源
激光产生
的声信号具有脉 冲 窄
频谱宽
声源级高
距离方位
分辨能 力 强
无 需 与 声 传 播 的 介 质 直 接 接 触 等 特
点
使得激光声信号在水下遥感
通信
探测等领
域都有巨大的应用潜力
脉冲 激光器产生 脉冲的间隔 较长
脉冲持续时
间短
所产生的声信号很难叠加
信号时频域的控制
性不强
在采用单 脉冲激光 器 进行水下 遥 感
通信
时
通 常 采 用 二 进 制 启 闭 键 控
振 幅 键 控
频移键控
等调制效 率 较低的通 信 方
式
对于以上通信方式
信号有无 的检测是决 定
通信质量的关键 因 素
在信号检 测 方法中
最常用
的检测方法包括匹配滤波算法
能量检测算法
循环
平稳特征提取算法等
其中
匹配滤波算 法需要
提前知道信号的发 射波形信 息
在声信号 远 距离传
输条件下
水声信道 对 不同频率 信 号的衰减 使 得信
号的波形发生变化
导致匹配 滤 波器的匹 配 性能下
降
循环平稳特征提取算法需要运用高强度的快速
傅里叶变换
运算
实现的复杂 度较高
而
能量检测算法是在高斯噪声背景下应用最广泛的检
测方法之一
对于激光声信号的检测
激光声信号的
脉冲持续时间 短
采样点数 少
利用
算 法 实 现
的能量检测器运算量小
运算速度快
适用于脉冲激
光声信号的检测和判断
水声 信道对不同 频率信号的 衰减特性不 同
衰
减系数大致与频率 的平方成 正 比
因此信号 频 率越
高
信号衰减系数越大
激光致声 信号的中心 频
点一般在高频处
通常在几十千赫兹到几百千赫兹
甚至上兆赫兹范 围 内
同时
激光声信 号 频谱范围
虽然较宽
但能量相对集中
主值频率集中于中心频
率处的一定带宽内
激光致声信号的这些特性及水
声信道对不同频率 传输特性 的 影响
使得频域 能 量
检测器在 低 信 噪 比
条 件 下 的 检 测 误 码 率 升
高
性能下降
国内外对激光致声信号的研究主要集中于激光
致声信号的频谱
传播方向
信号在通信领域中的应
用等
而对激光致声 信 号在水声 信 道中的传 播 及信
号的探测 研 究 较 少
本 文 根 据 激 光 致 声 信 号 的 特
征
提出一种基于频 域 能量检测 的 激光致声 信 号检
测方法
并结合水声信道的特点
在频域能量检测器
之前添 加 了 补 偿 滤 波 器
有 效 提 高 了 系 统 检 测 的
性能
脉冲激光声信号传播特性分析
大能量激光脉冲在水中产生声波的过程涉及到
介质的热膨胀机 制
汽化机制 和 光击穿机 制
在大
能量激光脉冲致声 过程中
汽化机制 和 光击穿机 制
占主导地位
这主要是因为在这两种机制下
光声能
量转化效率较高
国 内 外 学 者 针 对 不 同 的 作 用
机理
在大量理论和实验研究的情况下
给出了不同
的时频域信号表达形式
21
单脉冲激光汽化机制致声信号波形表达式
对于 脉冲激光
单脉冲汽化 机制产生的 声波为
宽带
型 脉 冲
声 信 号 的 脉 冲 形 状 与 观 测 角
度
观测距离
时间相关
其表达式为
P
θ
r
t
=
a
θP
τ
rc
τ
+
τ
θ
+
br
t
-
t
-
r
c
τ
+
τ
θ
+
br
é
ë
ê
ê
ù
û
ú
ú
式中
θ
表示观测点与界面 法 线之间的 夹 角
r
表示
观测点与激 光 作 用 到 水 面 的 初 始 点 之 间 的 距 离
t
为时间
a
为激光的光斑半径
τ
为激光脉冲宽度
c
为水中的声速
参数
τ
a
c
b
为水介质 的 吸收系
数
b
P
为反作用 引 起的介质 表
面峰值压力
其估算公式为
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