[发明专利]一种基于飞秒激光频率梳的高精度水下声速测量方法

说明书

本发明公开了一种基于飞秒激光频率梳的高精度水下声速测量方法，通过搭建双迈克尔逊干涉仪，并将飞秒激光器连接铷钟，光学频率梳的重复频率和偏移频率直接锁定在铷钟上，光学频梳的频率具有与铷钟一样的精确度；将超声换能器连接至信号源，并由功率放大器驱动；通过位移台扫描法测量声脉冲的飞行距离，利用飞秒激光频率梳所具备的短脉冲，通过干涉法测量声脉冲的飞行时间，最终实现水下声速的高精度测量。本发明利用了飞秒激光的优势，用光梳采集声脉冲的信息，避免了压电效应所产生的误差因素，降低了声剖仪直接测量水下声速的误差。本发明中对飞行距离和飞行时间同时进行测量，使得到的结果在很高的数量级上，大大提升了对声速测量的精确度。

技术领域

本发明属于水下声速测量领域，特别是涉及基于飞秒激光频率梳的高精度水下声速测量方法。

背景技术

海水声速测量对海洋的探测、定位、追踪都具有重要的意义。目前，海水声速测量的主要技术是声呐。声呐利用水中声波对水下目标进行探测，广泛用于鱼雷制导、船舶导航、水文测量、海底成像等重要海洋工程应用。水声探测最早的记录是在1490年，且最早的测量是在1827年。自此以后，经过长期的发展，海水声速的测量技术已日趋成熟，为海洋科学技术领域做出来巨大贡献。

海水声速主要测量方法主要分为直接法和间接法。海水中声速主要受温度、盐度、压力等三个参数的影响，这是间接法的基本原理。间接法是基于经验公式对声速的测量，国际上精度较高的经验公式有Del Grosso声速算法，Wilson声速算法、Chen-Millero-Li声速算法等，但是间接法受海水环境影响较大导致精度不高。直接法是测量与声速有关的物理量，根据路程、时间、速度之间的关系或者波长、波速、频率之间的关系获取声速。常用的方法如相位比较法，通过对比接受波相对于发射波的相位变化，准确率较高，但局限于很多声波不是正弦波。而目前广泛使用的基于压电换能器的直接测量法，实际的发声起点与声波接受终点是模糊的，溯源性较差。

发明内容

针对上述现有技术，基于飞秒激光频率梳的良好性质，由于其在时域上能够输出飞秒级脉冲宽度的脉冲光，重复频率稳定，精度高的特点在测距领域已取得了较多成果。在实际工程计量中对水下声速高精度测量的需求，将飞秒激光频率梳引进水下声速测量中，围绕飞秒激光频率梳的特点将此类短脉冲激光当成时间探针，来研究测量留在光脉冲上声脉冲的信息，进而实现声速的高精度测量。

为了解决上述技术问题，本发明提出的一种基于飞秒激光频率梳的高精度水下声速测量方法，该方法包括：搭建双迈克尔逊干涉仪，并将飞秒激光器连接铷钟，飞秒激光频率梳的重复频率和偏移频率直接锁定在铷钟上，飞秒激光频率梳的频率具有与铷钟一样的精确度；将超声换能器连接至信号源，并由功率放大器驱动；通过位移台扫描法测量声脉冲的飞行距离s，利用飞秒激光频率梳所具备的短脉冲，通过干涉法测量声脉冲的飞行时间t；利用公式实现水下声速的高精度测量。