激光声遥感实验

One Column Text Page,One Column Text Page,探究型学生实验：,水下激光声遥感,水下激光声遥感是利用激光在水中产生声波并在空中接收被水下目标反射或者散射的声波来感知水下目标的技术。,水下激光声遥感目前还没有成熟的理论和成果，一切的实验都是以探索和验证为主。我们根据前人的理论和实验进行本实验来验证用激光遥感诸如水深，水中物体形状，质地等项目。,我们希望通过这个实验对使用激光进行水下遥感进行简单的探究，发现问题解决问题。亦可进行新型学生物理实验的探索，最后进入课堂，促进同学们对这方面的连接，激发同学们的探索欲望。,水下激光声遥感的基本系统可以用如下图表示：,激光声声遥感,实验,激光声激光遥感实验,用激光照射水面，由于热膨胀和汽化，电击穿等效果，会在水中产生声波，声波被水中物体反射回水面，并传播到空中，使用微音器等接收声波，再进行分析就可得到水中环境，物体的信息。,下面对激光致声以及声波传播，接收，分析等进行具体分析,。,激光致声原理,水中激光声脉冲传输特性,An Introduction,激光致声机制有,热膨胀、汽化和介电质击穿,需要能量：介电质击穿,汽化,热膨胀,能量利用率：介电质击穿,汽化,热膨胀,热膨胀机制,弱吸收 强吸收,激光波长短 激光波长长,膨胀少 膨胀多,在能量沉淀区,压力改变值：,由于水面的反射作用,在能量沉淀区外：,汽化机制,汽化峰值在,E1,与,E2,间,不同激光能量密度产生的声波波形,击穿机制,水击穿的能量密度,10J/cm215J/cm2,水中冲击波波前的压力的计算，可用下面球形炸药水中的爆炸经验公式,空气击穿能量密度是,达不到该要求,能量转换率,短激光脉冲,长激光脉冲,热膨胀,q,是水的汽化热,汽化,热膨胀的效率低于,0.01%,，汽化的效率可以达到,1%,，击穿可达到,7%30%,。,水中激光声脉冲特性及其传输损失,1.1,水中声脉冲的声源级,声源级是距声源,1m,处的声压级，它是声源所产生的声波强弱的量度，可表示为,单位是,dB,。,p,是距声源,1m,处的声压，,p0,是参考声压，在水声领域，取,p0=1uPa,。,拟合曲线,w,激光能量密度，,J/cm2,p,水中声压脉冲，,Pa,声脉冲在水中向四面八方传播时，在相同距离的不同方向上，声脉冲的强弱是不同的。但水中声脉冲具有轴对称性。,当激光击水点尺度不大，在较远的距离上，可以把激光激发的声脉冲看做球面点声源。,水中声脉冲的频谱：,由于水中声脉冲的的持续时间非常短，约为,0.3ms,，因此频谱相当宽，从几,Hz,到几,MHz,，但声波的能量峰值大都集中在几万,Hz,范围内。,声脉冲的传输损失,1.,声脉冲在水中的损失,波面扩张造成的损失,吸收损失,声波在海水中传播时，由于海水中粒子对声的散射及海水粘滞吸收造成衰减，吸收系数公式为,水,-,空气界面损失,对于接受水下目标信号的激光声遥感技术，水中声脉冲是被水中目标反射折向水面并穿过水,-,空气界面，最后到达声接受器的。因此，在穿过水,-,空气界面时，还遭到水,-,空气界面损失，这是由于水和空气的特性阻抗不同，会发生反射和折射的缘故。,声脉冲在空气中的传输损失,水下目标声信号到达水表面发生折射，由于空气中声速大约为水中声速的五分之一，空气中目标信号就好像是从声源约五倍远的虚声源传过来的一样，空气中波信号已非常接近平面，因此扩张衰减已非常小。,空气中的声吸收,空气中的声吸收与空气的湿度、温度、压力及频率有关。当相对湿度不太小时，可以采用下述近似方程：,海底反射损失,在沙质底的反射损失约为,7.7dB.,在泥质底的反射损失约为,15.38dB,。,在岩石海底，则可能强反射。,激光声脉冲从击水点传到海底的距离,r,的传输衰减为波面扩张与吸收损失之和,从海底返回到海面的距离,r,的传输衰减为,从海面到海底再到海面的衰减为,a,为海水吸收系数,激光声遥感实验介绍,An Introduction,海水深度遥感探测,原理：垂直入射的激光在A点产生声波进入水中，然后从海底B处反射从C点,透过水面回到空气中。在D点用微音器进行接收，并进行信号的放大,、运算等处理，可以得到海水的深度,。,由于在A点除了产生水中的声脉冲外，在空气中也会有一个声脉冲将会干扰目标信号。但由于声波在水中的传播速度是空气中的5倍，所以可以调整接收机与激光器间的距离，从而使目标信号与干扰信号相分离，让目标信号先于干扰信号到达,实验接受到波形如下：,第一个尖峰脉冲为目标信号，记录其到达时间就可以计算出水深,水下目标的遥感探测,原理：不同物质对水中的声波反射会使得反射波有不同的频率特性。利用这一,点可以对接收到的反射波进行频谱分析，从而可以检测水底物体的硬度和类型。,实验装置：,两个外形相同或者类似的物体最后得到的接受波的波形（频谱等）应该是形同或者类似的。我们将不同形状的物体放在水中得到不同的接受波，分析的频谱等，记录物体外形和波的对应对应数据库，当再次接受到某一波形时，课通过计算机检索同数据库中波对比，当相同或者相似时可由表得出未知物体的大致形状。,在实验中我们通过对相同物体进行多次测量，记录波并相互比较来验证这一猜想的正确性，并建立简易的数据库。,物体的硬度材质等也以类似猜想和实验进行验证。,水下目标方位距离的实时遥感探测,利用多波束声接收阵和数字多波束信号处理机组成的多波束接收系统，,可以对水下目标进行方位的实时探测。,实验装置如下图放置,由于激光在水中激发的声波呈球面波波前，以不同的锥角照射到标准反射体的表面上的声束，又被标准反射体以不同角度反射到接收阵并被接收，经过信号处理可以得出物体距各个接收点的距离，多个接受点的数据就可以推算出物体在水中位置,本实验难点在于如何放置装置使各个目标波先于干扰波到达接受点，亦或不管先后将重点放在如何区分开目标波与干扰波,前面的实验都是利用的“光-声-声”的机制。因为声波在空气中传播速度,有限，而且易受干扰，所以会限制侦察机的速度和接收信号的效果。,而光在空气中传播具有非常好的特性，可以克服以上声波的不足，所以,采用“光-声-光”机制将会有更大的应用前景和价值。所以在以后的工作中,我们会在前人的基础上对激光声遥感作进一步探究。,总结：,