海气信道下激光致声下行水声通信系统探讨

黄灵鹭，何 宁，冯太琴，何志毅

(桂林电子科技大学信息与通信学院，广西桂林541004)

1 引言

随着人类海洋活动的日益频繁，水声通信已不再局限于最初的军事领域，而是拓展到更广泛的领域，如水下语音通信、工业用海岸遥测、水下机器人和海上平台的遥控指令传送、海底勘探数据与图像的传输、水环境系统中的污染监测数据传输、水文站的采集数据传输等等。

在透明的液体如淡水或海水中，当激光脉冲在能量和功率上均达到或超过该液体的作用阈值时，会产生声波，该现象称为激光致声。当从空中向水中发射一串带信息编码的激光信号，激光将在水中转换为声信号，水下目标接收该声信号并恢复编码信息，实现海气信道中空中到水下的激光致声通信。

传统的空中到水下通信方式如激光对潜通信，是利用蓝绿激光在海水的传输低损耗窗口而直接进行点对点视距通信，这种通信性能受海浪、海底浪涌等海洋环境影响较大。而利用激光致声实现的空中到水下目标通信，由于水下声波沿不同方向传播，水下目标可在偏离激光径向方向上完成信号接收，这样大大降低水下目标被发现的可能，提高了水下目标的生存能力。

2 激光致声原理

激光致声指物质受强度调制的光照射时，产生声信号的现象，也称光声效应。激光致声主要与激光的能量密度和激光与液体的位置有关，一般可分为热膨胀(热弹)、汽化(表面汽化)、光击穿(介质光击穿)三种机制［1－2］。热膨胀机制的光声转换效率η较小(η=声波能量/激光能量)小于10－4;汽化机制的η约为10－3～10－2;光击穿机制η可达10% ～30%。

光击穿机制会产生较高的声源级，但这种机制的声脉冲信号波形重复性不高，不利于编码传输，且这种方法需对激光束进行聚焦，焦点位于液面下，难以在海气环境中实现。热膨胀激光声信号虽转换效率低，但其具可控性和重复性好等优点，很多学者对热膨胀激光声信号应用于水声通信进行了较为深入的研究，本文主要从实验角度研究基于热膨胀机制下的水声信号传输特性及通信系统搭建。

对理想流体(如均匀的水)，热膨胀机制下激光引发水下声波的光声波可描述为［3］:

式中，p为声压;c为水下声速;β为液体膨胀系数;Cp为液体的比热;H(x，y，z，t)为单位时间单位体积液体吸收并转化成的热量密度，与激光和作用液体媒质的特性密切相关，因而很难对式(1)求出统一的解析解。对于特定情况，如激光垂直入射到水面，式(1)的解可以用确切的解析式表示，文献［3］给出垂直入射水面情况下的解析。文献［4］给出约束边界下当激光脉冲波形分别为正弦波、三角波和高斯波时激发的光声脉冲的解析解。

3 激光声信号的传输特性

声波在海水中传播时，由于海水中溶质的黏滞性、热传导、弛豫效应等使声能转化为热能，从而出现声能的损失。声在海水介质中传播时造成损失的原因主要有:1)扩展损耗;2)吸收损耗;3)边界损耗，其中主要考虑吸收损耗。吸收损耗与海水成分、温度、压力、声波的频率及传播方式有关，介质的吸收除了由介质本身的物理性质所决定外还取决于介质中的非均匀物质，如气泡、悬浮粒子、微生物等也将产生附加吸收。

一般海水吸收损耗的经验公式［5］:

式中，吸收损耗a，dB/m;ρF≈1000 kg/m3(水的密度);cF≈1504 m/s(含盐度为35‰，温度T=14℃时水的声速);μF≈1．2×10－3N·s/m3(T=14 ℃时水的粘滞系数);μ'F≈3．3×10－3N·s/m2(T=14℃时水的粘滞系数);frm=21．9×10［6－1520/(T+273)］，kHz(硫酸镁的弛豫频率);frb≈0．9 ×(1．5)T/18，kHz(硼酸盐弛豫频率);A'=2．03 ×10－5，dB/(kHz·m·10－3);A″=1．2 × 10－4dB/(kHz·m);s为含盐度，‰;f为声波频率，kHz;p为表计静水压，Pa。

由式(2)知，如在15℃同水温情况下，海水对5 kHz信号每公里衰减0．26 dB，对50 kHz信号衰减17 dB，而当信号频率为500 kHz时，每公里衰减130 dB，即在相同环境中，传输信号的频率越高，水的吸收损耗越大。

根据以往学者的实验结论，声源级180 dB主频25 kHz的声信号在水介质中的传播距离可达上千米［6］。

4 系统组成及实验测试分析

4．1 系统组成

激光致声下行通信的室内实验系统框图如图1所示。

图1 激光致声下行通信系统框图Fig．1 Laser acoustic effect downlink underwater acoustic communication system

系统用激光器为Nd∶YAG调Q类型，其工作波长1．064 μm，脉冲宽度10 ns，光束半径6 mm，输出激光单脉冲能量50～300 mJ可调，实验用水槽水深1 m。激光光束经全反镜后垂直入射水中，通过控制激光束能量获得激光致声的不同作用效果，用水听器采集水中声信号送信号处理，完成激光下行水声信号接收处理。

激光光束最大能量密度约为0．27 J/cm2，远小于汽化机制的发生阈值，可保证激光与水的作用机制为热膨胀。

4．2 能量转换与声波形分析

4．2．1 激光能量与致声效率关系

激光致声能量转换效率是指水下声脉冲的能量Esound/J与投射到水表面的激光脉冲能量Elaser/J之比，用 η /%表示［2］。

透射到水表面激光脉冲能量表达式为:

其中，ε0为激光束的能量密度;S为激光束横截面;t为激光束持续时间。

水下声脉冲能量表达式为:

其中，ρ0为水的初始密度;c0为水中声速;p为水中声脉冲压力。

将式(3)、(4)带入激光－声效率公式有:

实验中，保持激光器光脉冲时间、光斑面积，换能器及其他条件不变，激光能量与声脉冲转成的电信号强度关系曲线如图2所示。

图2 单激光束能量与水听器输出电压关系Fig．2 Relationship of the single laser beam energy and hydrophone output voltage

图2 中看到，入射激光束能量在70～290 mJ内变化时，与其对应的电压信号基本呈线性，激光－声效率可视为一定值。

4．2．2 激光致声信号特征分析

实验测得激光与水介质发生相互作用后，接收的激光声信号如图3所示。

图3 激光声信号波形图Fig．3 Waveform of laser acoustic signal

图3 (a)为一定重复频率作用下激光入射水里激励的声脉冲波形，激光能量满足激发条件下产生的声波波形连续稳定。图3(b)为单次激光入射水中激励的单次声脉冲展开图，其左半部分为无声信号情况下噪声信号，右半部分为激光声信号。

对图3(b)所示激光声信号进行频域分析，其分析结果如图4所示。

图4(a)为截取的图3(b)中前半段噪声对应的噪声谱，图4(b)为截取的图3(b)中后半段激光声信号对应的激光声信号谱。对比图4(a)、4(b)，噪声最大谱出现于105 kHz附近，而激光声信号频谱主要分布于60 kHz以下，且噪声的能量相对有用信号能量小很多，可用滤波方法将噪声与信号分离。另由式(2)知，高频声信号在水中衰减系数极大，尤其是500 kHz以上声信号远距离传输难以实现，图4(a)、4(b)中仅给出0～500 kHz频谱图。

图4 噪声和激光声频谱图Fig．4 Spectrum of the noise and laser acoustic signal

4．3 数据传输测试

利用激光声实现空中到水下数字通信，可采用的通信方式很多，如 ASK、FSK、MFSK 等［3，7］。系统的激光声信号流图如图5所示。

图5 激光声信号信号流图Fig．5 Graph of laser acoustic signal

系统发射控制电路实现对激光器外部触发，将数字信号加载到调Q激光器。已调激光经激光致声效应后转为水下声信号，经水听器接收模块进行声信号放大、滤波整形及码元恢复处理，可用示波器测量恢复的TTL电平信号。

实验用Nd∶YAG固体激光器的重复频率范围为1～20 Hz，系统采用基频可调ASK调制方式，其脉冲位置间隔变化控制在激光器的重频内，而输出的脉冲能量随频率增加稍有减小，但减小值低于3%，对通信影响不大。

综合考虑传输通用性及数据传输速率，传输信号帧结构如图6所示，无信息传输时输出常低，有信号传输时输出数据帧。一帧数据长度为11位，起始为2 bit高电平，高电平间隔定义数字发射基频;数据位为8 bit，其高低电平由传输的信息决定;最后1 bit高电平为帧结束标志。

图6 基频可调的ASK帧结构Fig．6 Frame structure of adjustable baseband ASK modulation

图7 所示为示波器采集到的基频分别为10 Hz和20 Hz带编码的信号图。

图7 基频不同－码元不同的信号图Fig．7 Signal diagram with different baseband and different code

图7 中(a)、(b)内1序列为水听器经前置放大输出信号，2序列为1序列再经主放大后进行低通滤波，过零整形输出的TTL信号，图7(a)示传输码为11101011111，图7(b)示传输码为11101011011。在接收端信号脉冲幅度不大的情况下(图7中1序列示)，采用低通滤波及相关信号处理方法，可从噪声中分离出信号，改善系统传输。在现有实验水深条件下，激光器输出单脉冲能量为60m J即可完成光声转换和信号传输。实际应用中，根据不同水环境，选择合适的激光能量可实现激光水下声通信。

5 结论

根据水下声通信环境，采用能量型脉冲激光器可有效实现下行水声通信。实验利用激光器输出的发散光斑直接完成激光到声波的转化，光路结构简单，增加了实际应用的可能。通过对激光致声水下通信系统实验研究，结果表明，激光致声水下通信方式具有可行性;转换声能量与激光能量成正比;激光致声的声谱与噪声谱是分离的谱线，可以用滤波的方法分离信号及噪声;利用基频可调的ASK调制方式可实现数字信号的传输及恢复。实验结果，为后续应用研究提供参考依据。

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