水下声信号空间位置探测研究

王江宏

（陕西国防工业职业技术学院，陕西 西安 710300）

历史上，在海洋内部信息传递研究方面，人们尝试的方法有电磁波、光波等等。激光技术应用于探测水下声源的研究始见于1988年，Tulane大学M.S.Lee等人［1］用激光强度调制理论对几千赫兹的水下声信号进行检测首次获得成功。

众所周知，水面受到扰动形成表面波。1979年，G.Weisbuch等人［2］首次提出表面波的概念，其相当于一面衍射光栅。随后表面波声光效应得到不断发展。声光衍射检测技术是利用平面波的声光相互作用理论，对声场没有破坏性的表面声波进行检测的方法［3］。

近年来，国内学者在水下声信号研究方面也取得重大进展。苗润才等人［4］提出激光衍射探测水下声信号的思路。此方法是以水下声源在水表面引起的横向微波的振动频率与水下声源的振动频率相等作为基础研究理论。既往研究对液体表面衰减［5］、振幅与激发深度［6］、衍射光斑不对称性［7］等物理关系进行了研究，但对于如何从衍射光斑特点对声源位置定位没有进行系统研究。

基于以上研究基础，本文采用丝杆直线模组来控制声源入水深度和水平移动，承托水下声源部分采用Z字形拖杆，并与定位器连接，用来调节声源入水深度，定位器调节精度可以达到毫米级。此装置不仅提高了测量精度，也简化了操作流程，在实际应用中具有实践指导意义。

1 水下声信号探测系统实验装置

1.1 实验系统

实验装置如图1所示，分别为有机玻璃样品池和液体样品，低频信号发生器和表面声波激发源，473 nm蓝光激光光源，水下声源定位器，衍射图样的采集和数据处理系统。

1.2 衍射光强原理

对于一个均匀的光学介质，在没有声波经过介质传播时，呈现出稳定的光学性质。当以一定角度斜射到表面波的激光束进行调制时，会实现声光衍射。入射光波在有表面声波存在的介质表面发生反射后在光屏上可以观察到清晰的衍射图样，激光光斑长轴长度远小于入射点到光屏的线度，所以该衍射近似为夫琅禾费衍射（图2）。

假设该波纹形状恒定，为线性波，那么表面波可表示为

其中A为表面波的振幅，k为表面波波矢量，k=2π/λ。

由傅里叶光学知识可知，经表面波调制后的光场分布为

于是得到衍射场光强分布，即

上式中，ω为表面波角频率，z为激光光斑的宽度，x′为衍射光斑位于光屏的坐标，L为光屏到激光入射点的距离，Jn为第一类贝塞尔函数，其中n为整数，rect（x/L）为矩阵函数，sinc（x）为特殊函数，Jn2表示为第n级衍射条纹的相对强度，sinc2函数表示第级衍射条纹形状及位置，通过上面的分析可知表面波波长决定衍射的空间分布。

声波在传播过程中，由于扩散、吸收、散射等作用，使声波的能量随着与声源距离的增加而逐渐减小，同一频率的声波能量减小量与传播距离有关。声波的散射衰减和吸收衰减都呈指数规律衰减，即声强与传播距离之间满足以下关系：

那么可以得到如下公式：

从上式可知，当水下声源的入水深度不断增加时，到达测试点的声波强度会越来越小。

2 实验结果与分析

本实验选择波长为473 nm的蓝光激光器作为激光光源，其激光束直径为2.0 mm。开启低频信号发声器，设定频率为130 Hz。激光束以1.47 rad入射角斜射到液体表面上，调整波形转换器位置，确定其与水面位置最佳。调整入射角度，使得激光束通过波形转换器后照射在液体表面，在观察屏上可以看到清晰的衍射图样。

实验过程中，仅调节定位器旋钮，使水下声源与水面的距离发生变化，得到相应的水下深度位置的衍射图样。采集声源在水平位置13.0 cm，入水深度从6.5 cm位置开始，每次增加0.5 cm，水平位置每次移动0.5 cm，进行衍射图样测试。实验方案如图3所示，实验得到一系列对比度很高的衍射光斑，如图4所示。使用Matlab软件编辑程序，并对衍射图样进行处理分析，得到水下声源深度与相对光强的关系。

2.1 光斑强度随着声源入水深度位置变化而变化

通过多组衍射曲线分布对比可知，在声源深度变化过程中，光斑强度随着声源入水深度位置变化而变化，光斑衍射级数也随之发生变化。从图5可直观地看出，在横向变动声源位置过程中，光斑强度随着横向位置的增加而减小，衍射级数随着光斑强度的不断减小而逐渐消失。

进一步对各级光斑相对强度值进行分析，如图6所示，0级衍射光斑相对光强强度最大，随着衍射级数向两侧增加，光斑衍射强度明显降低。在衍射级数增加到-3级，光斑相对光强也逐渐减小。在声源入水深度为6.5 cm时，横向位置移动声源，从13.0 cm位置逐渐移动至14.5 cm时，发现各级衍射光斑的相对光强，随着水平方向声源移动距离的增加而减小。由图6可知，曲线衍射光斑光强值逐渐降低，使得倒V形覆盖的面积明显变小，衍射光斑级数也相应减少。

2.2 光斑衍射强度随着衍射级数增加而降低

对不同横向位置光斑图像的光强分析可知，中心0级光斑相对光强强度最大，随着衍射级数逐渐向高衍射级增加，光斑衍射强度显著降低。衍射光斑相对强度分布呈倒V形。通过对不同衍射级数的衍射光斑光强分析，得到随着声源在水下深度不断增加，各级光斑相对光强逐渐减小，且最高衍射级数的光斑随着声源深度的增加而递减。

为了进一步分析液体表面波衍射光斑强度与水下声源位置的关系，以声源深度为x轴，以声源横向位置为y轴，以衍射光斑强度值为z轴，用Matlab软件分析±2级衍射光斑光强值与声源位置变化关系，结果如图7所示。从图7可以看出，各级衍射光斑相对光强随声源位置的变化呈曲线变化。对多组数据进行分析可知，不同空间位置处，各衍射级光斑相对光强呈起伏变化，从曲面图像即可初步确定声源位置。

3 结 论

根据声光衍射效应，对水下低频声信号探测装置进行改进，采用丝杆直线模组来控制移动，可精确控制声源的水平方向与入水深度。调节丝杆直线模组，改变水下声源距离水面的深度及声源距离入射点的位置，在接收屏上得到稳定高清的衍射光斑，并且衍射光斑的相对强度及空间分布随着声源位置的改变而不同。

通过Matlab软件设计程序，分析不同位置处衍射光斑光强分布情况，得到随着激发深度增加，衍射光斑相对光强逐渐减少，且衍射级数也相应减少，衍射光斑呈不对称分布，光斑强度随着激发深度的增加而减小。从分析结果得出，随着声源距离测试点位置的增加，衍射光斑强度逐渐减小，为进一步水下声源精准定位奠定基础。