利用激光技术探测水下目标的基本想法.doc

激光窃听技术在水声信号检测中的研究1 研究目的如何进行有效的水下声信号检测与处理一直以来都是各国研究的重点，当前使用的水下声信号检测与处理设备大多利用布放水中的水声换能器来进行检测，再利用后续信号处理电路进行处理，对于大范围的舰载/机载扫描检测多有不便。迄今为止,已经投入使用或正在研制的很多水中目标探测设备的接收换能器往往都置于水中，换能器置于水中,就大大限制了水下目标探测设备的数据获取速率及探测的机动性。我们都知道声波在水中的传播是最好的,而激光在空气中能很好地传播,如果我们在空中利用激光来检测水中声波,使两种物理场在水面处结合起来,就会形成较强的技术优势。激光窃听器技术给了我们最初的启示，利用激光窃听技术实现对水中声源声信号探测使我们研究的方向。激光水声探测技术可远距离、非接触地在空中平台上测量水表面的振动速度,进而获得水下声场振动频率,从而得到水下目标的声信号。它在未来的海洋探测中具有巨大的应用前景。2 研究内容现在国外已经成功研究出了激光窃听技术，其主要利用激光照射到目标玻璃、墙壁以及天花板等介质，所产生的反射及散射光经接收后进行相关处理，便可还原所窃听目标的声信息。 激光窃听，就是利用激光具有极好的相干性、方向性等特性，用一束极细的红外激光（红外激光不易被发现），射到被窃听房间的物体表面时，只要该物体自身具有极微弱的振动，它就会对被反射的激光产生出足以能进行探测的变化。若用一束激光对准窗玻璃进行照射，其中的一部分将会穿过玻璃而另一部分则会被反射回来。如果这时的玻璃因受到室内人讲话声波的作用而有微小的振动，那末被反射的激光也必定会受到这种振动的调制。只要将其接收并进行解调，就可以得到与室内人说话声音相同的波形，从而窃听到室内的讲话内容。这就是激光窃听器的工作原理。将光学测量与水下声波探测技术结合起来，设计一个利用激光对声信号进行探测的系统，通过检测经水面位移幅度调制后的单模连续激光的反射光信号，检测引起水面振动的水下声信号。 激光水声探测技术可远距离、非接触地在空中平台上测量水表面的振动速度，进而获得水下声场振动频率。其工作原理是由空中平台垂直发射一束相干激光到空气水界面上测量水表面的振动频率，进而获得水下声场振动频率的技术。由于空气、水的声特性阻抗失配严重，压力释放表面（水表面）将随入射声场而振动，振动频率等于入射声场的频率。水表面的振动导致激光束传输的路径长度不同于水面静止时传输的长度，进而这种振动所导致的激光束传输长度的改变具体反映为光束的多普勒频移。因此，通过获取水表面法向分量的速度信息就可进一步获取水下声场信息，实现水声探测。 来自水下目标的声信号辐射到达水与空气界面时，必然会引起水表面的相应振动，使空中射向该水面处的光束发生变化，从而进入到光接收装置的光通量发生相应的变化。如果将光通量的变化转换成电信号的变化，将声能转化为电信号，便可以确定水下目标的信息。进而可以探测水下目标。 本项目的研究将分激光窃听技术研究和激光窃听技术在水声信号检测技术应用两部分进行。前期对激光窃听技术进行理论分析和试验研究，在激光窃听技术对固体表面振动信号能够有效探测后，我们将利用已有技术并以此为基础对水中声源声信号进行探测研究，对采用单点激光进行水声探测的方法进行深入的理论与仿真分析；后期在已有的单点激光测量系统基础上设计短阵列激光探测系统，结合空气中和水池试验进行验证。三国、内外研究现状和发展动态对利用激光探测水下目标方法的研究最早可追溯到二十世纪六十年代，H.Yeh等根据随液体同步流动的悬浮粒子对入射激光的反射或散射特性，推算出最小可测量的液体纵向流速为0.007cm/s10-4 rad。R. I. Whitman等早在1969年就比较了利用相干法测量声波引起的表面振动位移及相位的四种方法，为后期基于相位调制原理实现高灵敏度声场探测提供了参考。二十世纪七十年代中后期，K.J.Taylor 通过检测空气中悬浮粒子的速度成功获得了麦克风声压级，实现了空气中的声信号的测量。直至上世纪八十年代末，人们对水下声信号的探测仍然停留在采用水下探头的方法。实现激光水声探测的激光多普勒系统可分为零差和外差两种工作方式，该观点由S. Hanish 于1983年提出。此外，他还从理论上描述了探测系统实际实现时需要考虑的直接关系到系统灵敏度等性能的因素，如信噪比、探测极限、噪声限制等，为该技术的后期发展提供了理论框架。1988年，美国的M.S.Lee和B.S.Etal首次提出了激光在水面受水表面波动的强度调制的理论，并且通过检测经水面位移幅度调制后的单模连续激光的反射光信号，成功地检测到了引起水面振动的水下声信号。自此，激光探测与水声探测相结合的探测方法作为一种新兴的探测技术，越来越受到国内外人士的普遍关注。1993年Richard H. Belansky等提出利用相干激光干涉法测量镜面运动产生的多普勒频移信号，即采用单模HeNe激光器和迈克耳逊干涉仪对镜面运动进行频域分析提取频移分量，此外，对实验装置的噪声也进行了全面比较和分析。所设计的实验装置最小可测量能量反射率为10-7的信号，测量值与理论值误差在1以内，但没有确定多普勒频移的方向。最后将声波信号加载到该实验系统中作为信号源，经过频谱分析即可直接获得声波信号的频率，这一实验的报道奠定了目前激光探声水声技术的发展基础，描述了一种新的探测方法。近年来，随着激光技术的迅猛发展，激光水声探测技术也取得了很大的进步。自二十世纪九十年代以来，一些激光水下探测系统，如美国的Magic Lantern、SM2000,加拿大的LUCIE等，越来越广泛地应用于军事和民用领域。进入本世纪，激光水声技术主要着眼于动态测试环境对信号的影响以及如何对回波光信号进行补偿方面的研究，以使通过几方面的研究达到更高的系统灵敏度。对基于该技术发展而来的上、下行通信的可行性也展开了初步的研究。随着红外、窄线宽激光技术、相干检测技术和元器件特性的Et趋提高，激光水声探测技术也会朝着高精度、高灵敏度和高速高效探测性能的方向发展。4 创新点与项目特色l 本项目利用激光技术对目标进行探测，不仅可实现远程激光窃听还可将其应用于水声探测，从而实现远程、快速、大范围水下目标探测。l 光学测量作为一种重要的非接触是测量技术，具有结构简单、精度高、灵敏度高、稳定性好、测量范围大、易于实现以及不扰动被测物体等诸多特点。l 本项目以现有的激光系统为平台，以光学测量为手段，通过探测水下目标在水面引起的波动，结合应用声纳阵列信号处理等水声信号处理技术，可以对水下目标声信号探测，与目前广泛应用的陶瓷换能器声纳技术相比，这种将激光探测与声纳探测相结合的激光声纳探测技术无需在水下设置探头，减少了对信息交换场所的限制，避免了对探测环境的破坏。l 本项目将激光窃听技术应用于水声探测，是一个由浅至深，由简单至复杂，由特殊至一搬的研究过程，研究难度逐层递进，本项目具有较强的实用性能。 5 技术路线、拟解决的问题及预期成果5-1技术路线：1. 研究激光窃听技术，即利用激光探测固体表面振动信号，从而获得室内声源声信号。2.设计一套激光窃听系统，实现对固体表面波的激光探测，为后续对水面探测提供铺垫和基础。3.在研究激光探测固体表面振动信号的基础上，更深一步研究激光在探测液体表面微小振动与水中声源声信号之间的关系。4.设计一套激光声呐探测系统，实现对水表面波的激光探测。该激光探测系统的设计主要包括：a.设计套光电系统，实现激光的调制、发射和接收;b.设计模拟信号处理电路，实现对由接收激光调制信号转换而来的电流信号的电流电压转换以及放大、滤波、检波等。c.设计信号采集系统，实现对模拟信号处理电路输出信号的采集以及与pc间的通信。5. 利用本文所设计的激光探测系统进行空气中实验和水池实验研究。5-2.研究中面临的技术难点和拟采取的解决办法技术难点：1. 激光窃听技术中需要解决光信号的放大与解调，其中涉及到信噪比的优化，接收信号的处理以及声信号还原。2. 激光探测但是由于受环境光、电噪声等影响，本文中所设计的试验系统距离实用化还有一定距离。3. 在激光探测水声信号系统中，由于水中噪声比较复杂，如何提高信噪比，滤除杂波，还原声信号等都是要解决的技术难点。解决办法：1. 查找相关资料，提高相关专业知识，积极向指导老师求教。在实践中学习，在实践中解决问题。6 项目研究进度安排7 已有基础1. 与本项目有关的研究积累和已取得的成绩激光窃听技术经过多年的发展,随着光源及技术的改进,其原理在实验研究上已日趋成熟,渐渐转入了实际的应用,市面上也开始出现激光窃听器的产品。国外在20世纪末开展了一系列相关研究 ,使该技术发展成熟,但是窃听距离有限,近几年未发现有进一步改进研究的报道。国内罗海俊等介绍了激光窃听的基本原理,并提出了激光窃听的实现方案,实验取得较好地效果。1988年德国和法国科学家开发了另一种用于探测水下声信号的技术，此技术只利用一单激光束并把这一理论解释为表面微扰在激光波束中产生的幅度调制效应。另一种方法就是把这一理论解释为进入光接收器小孔的光通量的变化。该理论认为声在水表面产生的微扰使从空中射向该水表面处的光束发生散射,从而进入到光接收孔径的光通量发生相应的变化。因此,如能将光通量的变化转换成电信号的变化,这样便将声能转化成电能,犹如水听器接收声信号后将其转化成相应的电信号一样。l 激光窃听技术现在国外已经成功研究出了激光窃听技术，其主要利用激光照射到目标玻璃、墙壁以及天花板等介质，所产生的反射及散射光经接收后进行相关处理，便可还原所窃听目标的声信息。 激光窃听，就是利用激光具有极好的相干性、方向性等特性，用一束极细的红外激光（红外激光不易被发现），射到被窃听房间的物体表面时，只要该物体自身具有极微弱的振动，它就会对被反射的激光产生出足以能进行探测的变化。若用一束激光对准窗玻璃进行照射，其中的一部分将会穿过玻璃而另一部分则会被反射回来。如果这时的玻璃因受到室内人讲话声波的作用而有微小的振动，那末被反射的激光也必定会受到这种振动的调制。只要将其接收并进行解调，就可以得到与室内人说话声音相同的波形，从而窃听到室内的讲话内容。这就是激光窃听器的工作原理。l 激光测量方法1对水下目标的激光探测方法不同的研究者有不同的认识，采取的研究方法也不尽相同。由于利用激光探测水下目标可归结为对水表面微小振动的激光测量，因此激光水声探测可看作光学振动测量的扩展。目前常见的光学测振方法总体上可分为两大类：相干测量法、非相干测量法。一相干测量法 相干测量法又称干涉测量法，是测量科学中最有效的手段之一，它具有非常高的灵敏度，被广泛地应用在工程和物理学的给个方面。光的干涉是光科学诞生的标志，但是由于受光源的相干长度的限制，这一强大技术直至二十世纪六十年代才随着激光器的诞生而真正发展起来。干涉测量的基本模式是：将一个激光光源发出的光束直接引入到需要感知的测量区或物理环境，将光束的一部分保留在仪器中作为参考光束，从测试区返回的测量光束与参考光束叠加在光电探测器上，当测量光束携带了在传播过程中获得的与参考光束间的相移值时，光电探测器得到的信号就是测量光的相移值。目前常见的干涉测量法有：莫尔干涉法、全息干涉法、激光伞斑干涉法和激光多普勒法，其中最常用于声纳探测的是激光多普勒法。激光多普勒法 利用激光多普勒效应和采用自混合方式进行微小振动测量是绝大多数研究者采用的方法，并且取得了一定的成果。这种外腔自混合方式的激光多普勒测量装置具有体积小、测量精度高和结构简单等特点，但同时也存在着一些显著的缺点，其中对激光多普勒法影响最大的因素就是反射面的性质。例如：激光束的会聚点因振动而离焦物体表面、散射激光束的强度分布、被测物体的表面效应、反射光的瞬时消失等等。在实际工程应用中，水下目标辐射噪声信号经常出现在海面，而海面的属性则与风速、流速等诸多因素有关，尤其是海面平整度的影响，使得目前众多的研究成果的实用性受到很大程度地限制。二、非相干测量法 与相干测量法相比，非相干测量法具有结构简单、易实现等诸多优点。与非相干测量法中较常用于激光水声探测的有：激光三角法、激光直接强度调制法。激光三角法 三角测量法是在实际应用中最简单的方法，这种方法也通常被应用在建筑领域的测距中。如图1.2所示，激光三角测量法的基本原理是：将一束激光以某一角度聚焦在被测振动物体表面，然后从另一角度对物体表面上的激光光斑进行成像，物体表面激光照射点的位置高度不同，所接受的散射或反射光线的角度也不同，用光电探测器测出光斑像的位置，就可以计算出主光线的角度，从而计算出物体表面激光照射点的位置高度。当物体沿激光线发生移动时，测量结果就将发生改变，从而实现用激光测量振动物体的位移。 激光三角法采用几何光学的方法进行测量，具有结构简单、成本低的优点，但是其测量精度有限、分辨率低，不能精确地检测微笑振动，因此激光三角法并不适合用于激光水声探测。激光直接强度调制法 所谓激光直接强度