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激光声纳探测技术研究

激光声纳探测技术研究

发布日期:2019-12-19 来源: 点击:40

在进行海洋地下资源的开发时,了解水下具体的三维结构对水下工程的施工具有巨大帮助。传统的二维声纳已经远不能满足人们对三维立体模型的构建,需要一个分辨率更高、能够清晰地看清地下水结构模型及目标的技术,从而为工程施工提供更多细节描述。激光声纳技术是应用空中平台垂直发射的光波传输到空气和水的交接面上,进而测量水表面的振动速度,从而可以获取水下声场振动频率的方法。由于水表面的振动会导致激光传输路径产生差异,进而会使激光光束传输的长度发生改变变为多普勒频移。在进行激光声纳技术时,需要获取水表面的法向分量,进而可以进一步获取水下声场的具体信息,实现水下水利工程的激光声纳探测。
一、激光声源特性

激光在液体中会进行激光的传播,在工程技术应用时,将形成的光声源与液体周围的介质完全耦合,通过不断地移动激光光束,实现使光声源在液体自动快速移动,同时该光束不会在水下形成湍流;激光在水下是从液体外部打入液体内部,声波在传播过程中是非接触形式的,在对激光仪器进行操作时,其速度大小受人为的影响较小;然后随着激光电压的不断增加,传统声纳技术会在表面前方形成一个巨大的空化气泡,影响高强声波的发射,整个激光的声功率主要与激光的整体的能量有关。同时,激光声纳声源的声谱很宽,变化区间较大,从几十赫兹到几千赫兹之间进行变换,这样能够更加清晰地分辨目标的所在地;激光声源的声脉冲较窄,即便距离较远也能够识别出目标的位置。

二、激光声纳探测技术的发展

在20世纪60年代初,H.Yeh就对声纳技术进行了研究,其对激光束进行多普勒频移分量分析,获得悬浮粒子在此时的速度大小分布,进而推算出了在该处粒子的最小可测量速度纵向速度大小是0.007m/s,该种方法为激光声纳技术发展奠定了里程碑,其可以获得液体速度变化引起的该处粒子的声场信息。
但是如果需要准确掌握该声场信息,就需要对所测量粒子的体积进行详细测量,并选择一个最佳的观测角度,以保证在测量过程中因为外界影响而让悬浮粒子与待测液体速度产生很大的差异。1988年,M.S.Lee等人利用激光光谱多普勒技术测试了箱型表面流体的振动情况,其利用光电倍增管测试箱体表面的水位变化情况,利用幅度调度的方法调制其单模连续的激光的反射信号、在对信号进行后续的处理,以方便获得水下结构引起水下声信号的变化的缘由,通过试验获得该声波的线性频率在15~25Hz之内变化,所述装置能够测量1m外的声压等级。
在实际的工程应用中,会存在风雨等外界因素影响,水面本身会产生一定波动导致整个声场的频率产生一定幅度变化,但是在试验过程中,对出现的探测距离变化及振动频率增加的实际情况并没有给出具体的处理措施,因此该系统对于幅度调制原理实现系统的具体应用还存在一定的局限性,在下一步的声纳探测技术中,可以采取更为理想的不受外界影响的声纳探测技术。随后Joseph F.Vignola在试验过程中,借助于粒子声纳技术对表面振动的探测信号进行转换,并对试验的可行性验证了试验的可行性,包括搭载系统及系统后期数据处理分析等,提出了考虑水下工程声信号探测方法的考虑基点、后向散射以及高强度光束照射影响的假设,在试验过程中采用的是差分探测装置,具体如图1所示,由于差分探测装置系统的复杂性,在近距离信号探测过程中应用较为广泛。
三、激光声纳探测技术的应用

利用激光声纳探测技术对水下声波进行探测时,需要将换能装置置于水中,这样可以大大减少水表目标数据库的建立及水下数据信息的获取。在对海洋进行声波探测时,首先需要对水下目标进行探测,利用强激光与水质的相互作用,将热膨胀原理形成光源,发射出超声波,通过发射出的广播不断向周围进行传播,当遇到海底的礁石或者其他障碍物时会形成激光发射,将声波的部分能量进行折回。在激光声纳中,目标信号将会直接检测水听器的水下回波信号,也可以直接通过水听器对水下的声波信号进行探测,同时也可以采取光学测量手段对水下的微波进行测量。

四、结语

对激光声纳技术的发展以及实际的应用展开了描述。利用激光声纳技术的特点应用于实际的水下工程,为其目标探测提供了一种切实可行的方法。