基于激光致热效应的水下声信息相干侦听技术研究

The detection of underwater acoustic source information is an important research problem in the field of marine defense and marine engineering. It is the base of underwater target remote sensing and air - submarine communication..This project proposes a coherent underwater acoustic information interception technology based on laser heating effect. The heating effect of pulsed laser is used to improve the light scattering characteristics on the water surface, and the coherent laser is used to detect the water surface acoustic wave excited by underwater acoustic radiation. The water surface acoustic wave from the Doppler back scattering light is extracted, and finally the underwater acoustic information is demodulated. This method is based on laser Doppler interferometry, and the research work of the project focuses on four aspects: detection theory, optical path structure, signal demodulation method and detection experiment..This project aims to improve the environmental adaptability of underwater acoustic information laser coherent interception technology. For the first time, the project proposes to use the thermal capillarity induced by laser heating effect change the light scattering characteristics of water surface, so as to realize the detection of dynamic water surface waves in an all-fiber laser coherent system. A two-color sinusoidal phase modulation is added to the reference arm of the coherent system, and an improved phase-generated carrier demodulation method is proposed, which can be used to demodulate underwater acoustic information under environmental disturbances. This project will provide technical reference for micro-nano vibration detection and other fields, and promote the development of "laser-acoustic" joint sensing technology.

水下声信息的探测是海洋防务和海洋科学工程领域的重要研究问题。它是水下目标遥感、空潜通信等技术实现的基础。.本项目提出了一种基于激光致热效应的水下声信息相干侦听技术。它利用脉冲激光致热效应改善水面光散射特性，利用相干激光探测水下声辐射激发的水表面声波，从多普勒后向散射回光中提取出水表面声波，最终解调出水下声信息。该方法以激光多普勒干涉技术为基础，项目的研究工作围绕探测理论、侦听光路结构、信号解调方法、探测实验这四个方面来展开。.本项目旨在提高水下声信息激光相干侦听技术的环境适应性。项目首次提出利用激光致热激发的热毛细波改变水面光散射特性，使全光纤激光相干系统实现动态水表面波的探测。在相干系统的参考臂增加双色正弦相位调制，并在此基础上提出了改进的相位生成载波解调方法，该方法可实现环境扰动条件下水下声信息的解调。本项目将对微纳振动检测等领域提供技术参考，推动“激光-声”联合传感技术的发展。

本项目针对水下声信息的远距离侦听问题提出了一种基于激光致热效应的相干侦听技术方案，围绕这一主题展开了包括相关理论问题、探测系统结构、相干信号解调和探测实验等4个方面的研究工作，取得了一定的研究成效：.（1）针对水下声信息相干侦听信号理论模型、水下声辐射激励水表面声波理论模型以及水面激光散射特性等理论问题展开了研究。对水面波谱特征进行了实验观测，分析了不同表面波对探测信号的影响，对水下声信息相干侦听信号模型进行了修正，使其更加符合实际探测信号的特征；从体积微元波能传播损失的角度出发探讨了水介质黏性、水表面张力等因素对水下声辐射激励水表面声波横向传播性质的影响，给出了完整的水表面声波理论模型，首次发现并定量描述了水表面声波横向传播振幅急剧衰减的现象；推导了水平偏振和竖直偏振两种偏振态探测激光在粗糙水面的散射系数计算模型，这些理论问题的研究工作为项目的后续研究工作奠定了基础。.（2）针对准光滑、弱粗糙被测表面的振动信息探测提出了3种激光干涉光路结构和3种基于PGC解调的信号解调方案，所提出的技术方法能够较好的适应载波相位调制深度和载波相位延迟的起伏以及信号强度大尺度波动，在激光多普勒干涉信号解调上具有较好的通用性；所提出的具体的PGC-PN-DCM算法、高低双色相位调制PGC解调以及直流偏置李萨如椭圆拟合归一化PGC算法是对传统PGC算法的进一步的发展，使解调算法与探测光路相配合能够在准光滑、弱粗糙的非合作目标激光相干测量技术领域展示出较强的应用前景。.（3）针对多种条件的水下声信息在实验室中型水池内展开了探测实验，取得了不错的探测效果，进一步证实了激光多普勒干涉法探测水下声信息的可行性；针对激光致热条件下的水表面探测光散射现在展开了初步的观测实验，从实验中观测到了致热条件下探测回光存在明显的散射现象，证实了激光致热效应能够调控水面激光散射性能，为继续推进项目的研究工作奠定了技术基础。