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基于PWM调制的激光致声空-水跨介质通信方法

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水下无人系统学报 2024年第4期32卷 637-643页

作者：陈英楠赵扬周志权曹逸飞张发祥哈尔滨工业大学(威海)信息科学与工程学院山东威海264209 威海市智能光声检测与传感技术重点实验室山东威海264209 齐鲁工业大学(山东省科学院)山东省计算中心山东济南250103

激光致声通信作为实现空-水跨介质无节点通信的关键技术,其研究和应用日益受到关注。在高重复频率条件下,传统的基于单脉冲识别的调制解调方式由于脉冲间相互干扰加剧,对码元判定造成明显干扰进而导致误码率较高而无法正常通信。针对此... 详细信息

激光致声通信作为实现空-水跨介质无节点通信的关键技术,其研究和应用日益受到关注。在高重复频率条件下,传统的基于单脉冲识别的调制解调方式由于脉冲间相互干扰加剧,对码元判定造成明显干扰进而导致误码率较高而无法正常通信。针对此,文中提出了一种采用基于脉宽调制(PWM)的新型激光致声通信方法,采用最大重复频率为500 Hz的Nd:YAG脉冲激光器,通过调整激光脉冲数量产生不同宽度的PWM调制信号,然后在接收端通过脉冲宽度进行码元识别。实验结果表明,采用PWM调制的通信方式可以有效降低脉冲之间干扰带来的译码错误,在最高400 Hz重复频率下误码率仅为8%,提升了高重复频率下激光致声通信的可靠性和有效性。

关键词：跨介质通信激光致声无节点脉宽调制

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激光致声混凝土内部空洞检测

红外与激光工程 2023年第1期52卷 126-135页

作者：邹锦阳张雅婷丁欣姚建铨天津大学光电信息技术教育部重点实验室天津300072 天津大学精密仪器与光电子工程学院天津300072

激光致声混凝土内部空洞检测技术是一种针对混凝土脱空鼓包现象的遥感检测技术,具有检测快速,非接触等特点,满足了在一些不方便进行接触式检测的场景下对混凝土内部空洞进行识别的需求。该技术的实现主要分为声波的激发以及声波的探测... 详细信息

激光致声混凝土内部空洞检测技术是一种针对混凝土脱空鼓包现象的遥感检测技术,具有检测快速,非接触等特点,满足了在一些不方便进行接触式检测的场景下对混凝土内部空洞进行识别的需求。该技术的实现主要分为声波的激发以及声波的探测。文中聚焦声波激发这一部分,用加速度传感器替代激光测振仪,搭建了一套激光致声混凝土内部空洞检测系统,并对内部预制空洞的混凝土试块进行了检测。实验发现混凝土内部空洞的存在会改变空洞上方结构的抗弯刚度,当存在外部激励时,空洞上方的结构将会出现弯曲振动的现象,该振动的频率接近于振动结构的一阶固有频率。使用高功率密度的脉冲激光器可以方便地激发出缺陷区域的弯曲振动,当空洞缺陷较浅时,可以根据弯曲振动在频域的特征响应判断内部是否存在空洞。随着空洞深度的增加,空洞上方结构的抗弯刚度逐渐增强,弯曲振动的振幅减小,仅凭特征频率将难以实现内部空洞的识别。在这种情况下,可以利用表面振动信号的加速度能量谱来表征振动能量,通过振动能量的高低判断混凝土内部是否存在空洞。基于上述理论,成功探测到了混凝土内部深度为150 mm的空洞,验证了利用激光致声技术检测混凝土内部空洞的可行性。

关键词：激光技术激光致声混凝土无损检测

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激光致声换能器的实验与应用论证

声学学报 2011年第1期36卷 20-26页

作者：王雨虹王江安宗思光刘涛武汉海军工程大学电子工程学院光电研究所武汉430033

设计制造了激光致声发射换能器,并进行了水槽实验,测量、计算了激光声信号的距离分辨力、声源级、指向性函数、指向性指数,分析了实验值与理论值误差产生的原因;计算了噪声背景和混响背景下对目标的探测距离;从理论上论证了探测沉底目... 详细信息

设计制造了激光致声发射换能器,并进行了水槽实验,测量、计算了激光声信号的距离分辨力、声源级、指向性函数、指向性指数,分析了实验值与理论值误差产生的原因;计算了噪声背景和混响背景下对目标的探测距离;从理论上论证了探测沉底目标的可行性;分析了该换能器的信息传输速率、指向性和通信距离。

关键词：声换能器激光致声水槽实验指向性函数应用信息传输速率探测距离发射换能器

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透明液体中激光致声特性

计算物理 2010年第2期27卷 257-262页

作者：王雨虹王江安吴荣华武汉海军工程大学电子工程学院光电研究所湖北武汉430033

研究透明液体的特性阻抗、激光声的传播距离和激光焦斑半径对激光声信号的影响.通过实验和数值计算发现,在一定范围内,随着特性阻抗的增加,声波的峰值声压、主频和声能也相应增加;随着激光声传播距离的增加,激光声的主频从急速下降变为... 详细信息

研究透明液体的特性阻抗、激光声的传播距离和激光焦斑半径对激光声信号的影响.通过实验和数值计算发现,在一定范围内,随着特性阻抗的增加,声波的峰值声压、主频和声能也相应增加;随着激光声传播距离的增加,激光声的主频从急速下降变为相对稳定;在保证光击穿的条件下,选择较大的激光焦斑半径,可提高光声能量转换效率.

关键词：透明液体激光致声特性阻抗传播距离焦斑半径

基于PSM算法的激光致声SAFT水下小目标探测方法

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中国激光 2022年第9期49卷 135-146页

作者：赵扬李鹏张鹏辉周志权白雪马健哈尔滨工业大学(威海)信息科学与工程学院山东威海264209 威海市智能光声检测与传感技术重点实验室山东威海264209 齐鲁工业大学(山东省科学院) 山东省科学院激光研究所山东济南250103

水下目标的有效探测是认知海洋的前提与关键。本文介绍了一种可用于空-水跨介质探测成像的激光致声合成孔径聚焦技术。分别建立激光源阵列中心聚焦及偏转聚焦的有限元仿真模型,进而模拟激光致声合成孔径聚焦探测过程,采用相位迁移算法... 详细信息

水下目标的有效探测是认知海洋的前提与关键。本文介绍了一种可用于空-水跨介质探测成像的激光致声合成孔径聚焦技术。分别建立激光源阵列中心聚焦及偏转聚焦的有限元仿真模型,进而模拟激光致声合成孔径聚焦探测过程,采用相位迁移算法对模拟的激光致声信号进行探测图像的重构。采用均方误差与峰值信噪比对图像质量进行评价。搭建了空气-水下激光致声探测实验系统,通过分析水中钢球经衍射后的声波能量变化,计算出了其平均能量损失率。利用合成孔径延时叠加波束形成方法实现了声波能量在目标处的汇聚及增强,为水下目标探测提供了一种新的实现途径。

关键词：遥感信息处理激光致声合成孔径聚焦技术相位迁移算法有限元仿真

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汽化激光致声跨界通信的三维数值特性

红外与激光工程 2023年第11期52卷 278-290页

作者：李恪梁家平姚瑶张杨宗思光刘涛汕头大学工学院广东汕头515063 海军研究院北京100161 海军工程大学电子工程学院湖北武汉430033

激光致声技术可以将空气中的激光信号转化为水下的水声信号,将两种最佳信道高效地结合起来,从而解决空中-水下跨界通信问题。为了提高激光致声跨界通信的保密性和光声转化效率,采用了数值计算方法对不同条件下,激光在海面三维散射特性... 详细信息

激光致声技术可以将空气中的激光信号转化为水下的水声信号,将两种最佳信道高效地结合起来,从而解决空中-水下跨界通信问题。为了提高激光致声跨界通信的保密性和光声转化效率,采用了数值计算方法对不同条件下,激光在海面三维散射特性和透射特性进行了研究。首先,为了提高仿真计算的准确性,建立了三维激光海面散射场的数学模型。其次,采用数值计算方法求解三维激光海面散射的表面积分方程,并根据入射光波的特点,对入射界面进行强、弱区划分,以提高计算效率。最后,通过室内模拟试验对仿真结果进行了验证。研究结果表明,入射角度对于汽化激光致声通信的保密性和效率有着重要的影响,为后续的系统设计和相关应用研究提供了有意义的参考。

关键词：跨界通信激光致声预条件共轭梯度法汽化机制数值特性转换效率

一种跨介质的空中-水下激光致声探测技术研究

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红外与激光工程 2021年第5期50卷 55-63页

作者：李鹏赵扬周志权张鹏辉白雪马健齐鲁工业大学(山东省科学院)山东省科学院激光研究所山东济南250103 哈尔滨工业大学(威海)信息科学与工程学院山东威海264209

跨空水介质间的探测技术是世界主要海洋国家的热点研究问题。为研究空中平台与水下的激光致声探测技术,文中在光击穿机制下采用纳秒脉冲激光与水听器之间的光声信号转换来进行空-水跨介质探测模拟实验研究及验证工作。搭建了激光致声空... 详细信息

跨空水介质间的探测技术是世界主要海洋国家的热点研究问题。为研究空中平台与水下的激光致声探测技术,文中在光击穿机制下采用纳秒脉冲激光与水听器之间的光声信号转换来进行空-水跨介质探测模拟实验研究及验证工作。搭建了激光致声空气-水下实验测试系统,采集了激光声扫描探测数据,对典型实验数据在时域内进行分析得出了激光激励声波的传播特性,根据时间互易原理实现了水下激光声信号的三维探测成像。利用有限元法进行激光在水下激发声波及传播的数值仿真,据此对实验进行了验证。此外,从仿真中发现通过提高脉冲能量至2.8×1010 W/cm2所激励的声波在传播400 m后仍能观测出明显的信号,信噪比约为11.3 dB,证明了百米级传输及探测的可能性。此研究结果为采用激光致声技术进行跨空-水介质探测提供了依据。

关键词：激光致声三维成像时域分析有限元仿真

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液体性质与吸收能量对激光致声特性的影响

强激光与粒子束 2009年第7期21卷 998-1002页

作者：王雨虹王江安吴荣华武汉海军工程大学电子工程学院光电研究所武汉430033

建立了激光致声的产生和测量系统,对蒸馏水、酒精和甘油中的激光致声进行测量分析,分别计算了这3种透明液体在体积模量（0.2-7.0 GPa）、动力粘性系数（0.001-30.000 Pa.s）和所吸收激光脉冲能量（10-400 mJ）变化时对应的激光致声的相... 详细信息

建立了激光致声的产生和测量系统,对蒸馏水、酒精和甘油中的激光致声进行测量分析,分别计算了这3种透明液体在体积模量（0.2-7.0 GPa）、动力粘性系数（0.001-30.000 Pa.s）和所吸收激光脉冲能量（10-400 mJ）变化时对应的激光致声的相关数值。实验和数值计算结果表明：激光致声的主频、峰值声压和声能随着透明液体体积模量的增加而增加;激光致声的峰值声压和声能随着动力粘性系数的增加而减小,随着击穿区所吸收的激光脉冲能量的增加而增加;动力粘性系数和击穿区所吸收的激光脉冲能量对主频的影响不明显。

关键词：激光致声透明液体体积模量动力粘性系数吸收能量

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收发一体激光致声换能器声特性分析

哈尔滨工程大学学报 2009年第11期30卷 1306-1310页

作者：王雨虹王江安吴荣华海军工程大学电子工程学院湖北武汉430033

设计并分析一种收发一体激光致声换能器的声学性能.利用旋转抛物面的声学反射特性,获得216.1dB的激光声声源级和0.24°的角度分辨力.通过控制激光参数和击穿蒸馏水获得距离分辨力为4.9mm的激光声信号,推导出该换能器接收波束和发射波束... 详细信息

设计并分析一种收发一体激光致声换能器的声学性能.利用旋转抛物面的声学反射特性,获得216.1dB的激光声声源级和0.24°的角度分辨力.通过控制激光参数和击穿蒸馏水获得距离分辨力为4.9mm的激光声信号,推导出该换能器接收波束和发射波束的指向性函数、波束宽度方程和指向性指数表达式.通过理论推导和数值计算,初步证明了该收发一体的激光声换能器在距离分辨力、角度分辨力和声源级3方面具备了作为图像声呐声源的必要条件,在距离分辨力上具有明显的优势.

关键词：激光致声收发一体数值计算声特性