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激光窃听技术在水声信号检测中的应用研究.pdf

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舰船电子工程年第期 激光窃听技术在水声信号检测中的应用研究 桑国明田作喜何锦林崔桂华 大连测控技术研究所大连 摘要 讨论了用激光波束检测水下声信号的原理介绍了根据这一原理开发的检测设备。用该设备进行的实验 验证了水下声信号造成的界面微扰导致了由水表面反射的激光波束光通量的变化这一检测原理,并表明基 于此原理的探测是可行的。 关键词水声信号遥感激光检测 来自水下目标的辐射或散射声波到达水 己会,一空气界面时,必然引起水表面的微扰,微扰 上二二 中产生的位移在连续声波和弱脉冲的情况下 迄今为止,已经投入使用或正在研制的等于几个纳米,而在冲击波的情况下可以达 很多水中目标探测设备的接收换能器往往都到微米量级。 。 置于水中换能器置于水中,就大大限制了水测量表面位移的技术,被称为光外差法, 下目标探测设备的数据获取速率及探测的机由‘〕和〕描述过。在年 ,· 动性本文我们将讨论一种新的水中声场的。和开发了另一种用于探 。 遥感探测设备测水下声信号的技术。此技术只利用一单激 我们都知道声波在水中的传播是最好光束并把这一理论解释为表面微扰在激光波 ,, 的而激光在空气中能很好地传播如果我们束中产生的幅度调制效应。另一种方法就是 , 在空中利用激光来检测水中声波使两种物把这一理论解释为进入光接收器小孔的光通 , 理场在水面处结合起来就会形成较强的技量的变化。该理论认为声在水表面产生的微 。 术优势激光窃听器技术给了我们最初的启扰使从空中射向该水表面处的光束发生散 。 示早在两年前在实验室水池我们已利用这射,从而进入到光接收孔径的光通量发生相 样的检测设备从水面上检测到了置于水中的应的变化。因此,如能将光通量的变化转换成 , 金属喇叭辐射出来的乐曲声和单频信号声电信号的变化,这样便将声能转化成电能,犹 之后又研制出了一套激光检测设备并在实验如水听器接收声信号后将其转化成相应的电 。 室水池完成了激光检测水下声波的实验信号一样。下面我们以该理论为依据讨论水 声光测。 激光检测水下声波的基本原理下场的激检技术 为方便计算,我们讨论一维情况,但不难 收稿日期年月日 总第期桑国明等激光窃听技术在水声信号检测中的应用研究 将结论推广到二维情形。如图所示,强度为另一方面 。的激光束聚集到水面卜到,处,水下一,〕 声场引起的水面起伏由函数,来描述,联立式和式可解出 ,函。「「,,。了二气。、 是位移量和时间的数一 一石、一爪岁一又又。十 十、 、△ 设是与内到的小区小丫 间上的任一点。当△取值充分小时,在小区 ,△, 一以, 间内的斜率可认为取由于丫一日冗一一一一一二 司】一个值,即 肚, 一。一 ,所以一吕 瓜一 一 利用三角函数公式。一阳一日 俘 乙二万石 下一林 厉, 而一一狡、一 于是式中的量,,,,中及隐含在。十下 , 中的角月均为已知量将,门,,一和 代入式,便可求出值。 由图可看出,只要反射光线与接收器 交点的横坐标满足条件 图激光波束检测水下声信号理论模型。。 兰二 , 设入射光线与曲线在处的法向的反射光均可进入接收器瞳孔。 。,, 夹角为与轴的夹角为俘轴与法向设、一,△小区间的曲线弧长为 ,,,,,、, 沉一△,△△, ,一它在轴上的投影为一其上 ,沙曰号就兰一的夹角为则有 接收光通量为 产、的 了、 一俘了‘了、二,,, △。△俘 。 而之一每一, 要如平足 ‘果处界面的反射率为且满条 。。,, 则下一一一,件生二兰,则△曲线弧的反射 。 。、是,处曲线,的切线与轴的夹角。光么‘将全部进入接收器,且有 所以入射光线与法向的夹角△‘、一平△、一。平△。邓 、,,, 俘了一日十一日二一、在互二十约束条件下将△’求和 ‘ 孔径为的接收器迎着反射光与水平面得中一艺△艺,,平△俘 , 轴成中角放置其两端在轴上的投影当△时,求和变成积分 坐标为。与。十,而反射光线与接收器交 小‘。·· ·。,,平,俘 于点一⋯ 由图可知 当然,积分不包括反射光线与接收器廿交点 一。 一、 ‘了、口一、,。。。 中的坐标和的部分实际计算 积分很困难,需要进行数值计算。进行数值计 可得一土 卫,, 户者。算时将区间一分为段当充分大 舰船电子工程年第期 时,保证被划分的每一小段有一确定的斜率,要性能指标灵敏度刀,我们定义激光检测系 则可取统的灵敏度刀为在单位声压作用下接收机 的输出电压 △一△一赞 以同样的方法求出,,⋯,、时刻的中劫一石 , ,,。,⋯,。、,可得到作为时间函数它的单位为伏特微帕,为激光接收系统 , 的小,即接收器接收到的光通量随时间的输出电压为作用在光束卜的水表面处声 。, 变化。这一光通量的变化就是水中声波随时压类似地定义激光检测系统的灵敏度级 间变化的复制。为 。。,刀