[发明专利]控制指向性的水下激光声源及其控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及激光水下声源领域，尤其是涉及控制指向性的水下激光声源及其控制方法。

背景技术

水声学的研究历史悠久，水下声源技术作为现代水声研究的一项重要技术，受到世界各国水声研究者的关注。在海洋探测领域中，水下声源应用广泛，例如深海地质探测、海洋石油探测、水下目标探测等。不同的应用环境对水下声源的频谱、声源级、方向性等特性的要求各不相同。目前，水下声源大致可分为以下几种：炸药爆炸声源、电声换能器声源、参量阵声源、流体动力式声源、电磁式声源、激光声源等。这些声源的发生机理及其产生的声波特性各异，使用方式也不尽相同。

炸药爆炸声源具有功率高，频带宽，无指向性等特点，但频率与指向性很难控制，性能可重复率低且会造成污染。电声换能器声源目前常用的是压电陶瓷材料制成的，其发射功率受到工作频率，功率容量等限制，信号的带宽与功率都受到一定的限制。实际应用中一般使用多个换能器组成阵列以获得所需的指向性与功率。参量阵声源利用几个大振幅高频波在水中传输时的非线性效应混频得到低频的差频波信号。其优点是换能器尺寸小，波束指向性极好，但换能效率太低。流体动力式声源主要包括采用气枪的气体动力声源与采用液体的高速射流来致声的液体动力声源，该类声源结构简单，效率较高，目前理论研究还不是很成熟，它也是一种接触式声源，控制比较复杂。电磁式换能器类似普通的电声换能器，如扬声器，简单可靠，但不适于水声应用。

激光声源利用光声效应，将高能量密度的激光聚焦到水下产生光学击穿从而向外辐射声波，该方法产生的声信号具有声压级高、频谱宽，可进行非接触式控制等优势。近年来，随着激光器技术的进步，已能够产生声压级210dB以上的激光声脉冲。通过改变激光脉冲的脉冲能量跟脉宽，也可有效地控制激光水下声源的频谱特性。而对于激光水下声源的指向性，人们一直在不断探讨可对其进行控制的简单、有效方法。

发明内容

基于以上所提出的问题，本发明提供了一种简单、可行的方法，使用两组柱面镜在光束横截面内两个互相垂直的方向上分别控制激光束的形状，对激光水下声源的指向性进行有效控制。

一种控制指向性的水下激光声源，包括激光器以及用于产生激光声的液体介质，在所述激光器和液体介质之间，还设有沿光路布置的：

扩束镜，用于对激光进行扩束；

若干个柱面镜组合，各个柱面镜组合用于控制扩束后的激光在液体介质表面所形成光斑在对应方向上的尺寸。

其中扩束镜使得水下激光声源更加灵活可控，便于与柱面镜的尺寸配合，同时改善激光器输出光束的准直度，使得所形成的激光声指向性更佳。

所述激光器为YAG固体激光器。

YAG固体激光器发射的激光束为准直激光束。

扩束镜由沿着光束传播方向依次放置的凹透镜和凸透镜组成。

通过调节凸透镜和凹透镜之间的间距，可改变光束扩束倍率。光束经过扩束透镜组后，仍为准直光束。

所述柱面镜组合为两个，两个柱面镜组合之间距离固定且放置于光束横截面内互相垂直的方向上，每个柱面镜组合由距离可调的两枚柱面镜组成，同一柱面镜组合中的柱面镜放置方向相同。

其中，两个柱面镜组合之间的距离是指两个柱面镜组合之间最近两枚柱面镜之间的最短距离。为达到良好的指向性，两个柱面镜组合之间的距离小于或等于柱面镜组合的焦距的二十分之一。

其中，激光器产生的激光与液体介质表面平行，在柱面镜组合与液体介质之间还包括将激光垂直射入液体介质中45度全反射镜。

为便于配置，激光器通常水平放置，与液体介质表面平行。通过45度全反射镜将激光垂直射入液体介质表面，有利于通过光斑形状的调整来控制激光声的指向性。

通过本发明所提供的水下激光声源，本发明还提供了一种指向性控制方法，对所产生的激光声进行调整，以获得所需的指向性。

一种水下激光声源的指向性控制方法，包括：

步骤1，产生激光并进行扩束；

步骤2，将扩束后的激光射入液体介质产生激光声，其中，通过对液体介质表面所形成光斑的形状进行调整来控制激光声的指向性。

在液体介质表面所形成的光斑在某一方向上越接近线光斑，则在该方向上指向性越佳。

在步骤2中，对于平行于液体介质表面的激光，通过45度全反射镜将激光垂直射入液体介质中。

产生激光以及进行扩束和光斑调整通常为水平设置，为了使激光进入液体介质中，可采用用于使激光转向的光学器件，例如棱镜。作为优选，采用45度全反射镜，使得激光光能损耗较小。