激光干涉法探测水下声信号

　　0 引言

　　Lee等[1]首次提出把激光技术用于水面探测水下声信号的研究,并建立了接收光瞳上接收强度调制效应的简单模型.在此基础上,崔桂华等[2]推导出进入光接收器小孔的光通量变化的表达式.伊厚会等[3]研究了激光束在水表面反射、散射时探测器在不同位置接收到的光通量随时间变化的关系.宫彦军等[4]提出了一种从散射屏的散射光强中提取水下声信号的方法,探测到低于300 Hz的水下声信号.近年来,李翼瀚等[5]、秦慧平等[6-7]提出了光线分析理论模型,并进行了原理性实验,可检测到100 Hz左右的水下声信号.但现有文献在反馈信号的提取上均直接接收水面散射光强信息.本文提出的激光干涉法探测水下声信号,不直接接收散射光强,而是利用携带声波信息的水面散射激光和参考光的干涉现象来获取水表面波的频率和幅度信息.

　　1 基本探测原理

　　水下声源会引起水表面波动.戴振宏等[8-9]将普遍的流体力学方程线性化,推导出水表面波的色散关系以及波传播形式,认为水下声源在水表面激起的微波,其振动频率等于声源的频率,传播速度为在自由水表面的传播速度.对于本文,水表面波的频率即为水下声源的频率.光路原理如图1所示.氦氖激光器发出的光经过偏振片后成为线偏振光,记为P光,经过分光镜后分为两束,向上的反射光束作为参考光,向右的透射光束作为测量光.参考光束经过1P4K波片后变为圆偏振光,照射到平面反射镜上返回,再次经过1P4K波片后,圆偏振光变为与P光方向垂直的S光,重新返回到分光镜透射过去.由于偏振片的作用,该束S光不能回到激光器,避免了返回的光束对激光器稳定性的影响.同理,测量光束射向水面,被水面反射后返回,两束光发生干涉现象.光电接收器接收该干涉信号的光强信息,将其转换为电压值,在示波器上可以观察到干涉波形.信号发生器产生的标准正弦信号传递给功放,功放驱动水底喇叭发声作为水下声源,使得水表面产生表面波.测量光束照射到水面后,水表面波的振幅周期性变化,使得测量光束的光程发生变化,两路光的光程差发生变化,进而使干涉信号的光强发生规律变化.

　　2 仿真及结果分析

　　假定水下有一简谐振动的点源,讨论其在水表面产生的表面波.假设水表面波的表达式为

　　其中:As为水表面波振幅;fs为水表面波频率;Us为水表面波初相位.当水面处于理想的平静状态时,调整光路使参考光束和测量光束的光程差为零.当水下声源引起水表面振动时,光程差随着水表面波的振幅发生变化,干涉条纹及其变化速度也随之产生规律变化.

　　测量光与参考光干涉后的光强信号被光电接收器接收,转换为电压值,光强表达式为