A Scanning Focal-Point Method for Enhancing the Signal Stability of Laser-Induced Acoustic Communication

《Optics》：A Scanning Focal-Point Method for Enhancing the Signal Stability of Laser-Induced Acoustic Communication

　　

激光诱导声学通信是一种高度适应性的跨介质技术，它结合了大气光传输和水下声传输的优势。然而，高重复频率下较差的信号稳定性目前阻碍了其广泛应用。为了解决这一问题，本研究提出了一种创新的扫描焦点方法以增强稳定性。传统方法如光束扫描、焦点控制和分布式交互主要用于增强特定方向上的声压、实现近场/远场聚焦，或通过超声强度相干合成提高信噪比。相比之下，本研究提出的方法旨在避免高重复频率下单点击穿产生的液滴和蒸汽对激光-声转换效率的干扰，因此是一种专门针对激光诱导声学通信稳定性的主动防御策略。首先，利用光学仿真软件分析了表面波纹和气泡对焦点位移和尺寸的影响。其次，搭建了单脉冲实验系统，测量了光学击穿引起的水面凹陷范围和持续时间。最后，构建了扫描焦点系统进行对比实验，并通过水听器和高速相机记录结果。扫描焦点方法产生的最大激光诱导声学信号是单点击穿产生信号的7.4倍。实验结果表明，扫描焦点方法能够有效避免水面扰动和蒸汽对光声转换效率的影响，并显著提高激光诱导声学信号的幅度和稳定性。

**论文解读**

**研究背景与问题**

激光诱导声学（Laser-Induced Acoustic, LIA）通信是一种非接触式跨介质信息传输技术，利用激光在液体或固体介质中聚焦后产生的声信号进行通信。该技术结合了大气光信道低衰减和水下声信道低衰减的优点，相比极低频（VLF）和超低频（ULF）通信具有设备更小、机动性更好的特点；相比传统水下声呐通信，能实现跨介质传输；相比浮标通信，无需预先部署设备且不受洋流影响。然而，在高重复频率工作条件下，LIA信号的稳定性急剧下降，严重限制了该技术的实际应用。传统研究多集中于通过调制编码（如Sato算法均衡、LDPC联合MPPM编码、脉宽调制等）来改善信号识别，但未从根本上解决高重复频率下信号不稳定的问题。研究人员指出，单点重复激光击穿会在水面产生液滴飞溅、水蒸气以及空化气泡，这些扰动会改变后续激光的汇聚路径，导致焦点位置偏移、光斑尺寸扩大，从而降低激光-声转换效率，甚至造成信号丢失。因此，本研究旨在主动避免这些干扰，提出一种扫描焦点方法来提升LIA信号的幅度和稳定性。

**研究概述与结论**

研究人员提出并验证了一种扫描焦点方法，通过让激光焦点在水面不断移动，避免单点重复击穿带来的表面扰动。首先，通过高速相机实验测得单次激光击穿产生的空化气泡生命周期约为9毫秒，影响范围直径约11.1毫米，确认了在重复频率超过111赫兹时，前后脉冲会相互干扰。其次，利用ZEMAX光学仿真软件分析了水面波纹和气泡对激光汇聚的影响，结果显示当激光经过气泡或波纹时，水下焦点会垂直偏移，且光斑尺寸显著增大（最大增大至1.77倍），导致功率密度降低。基于此，研究人员搭建了扫描焦点实验系统：对于远距离场景，采用二维振镜（2D galvanometer）或快速反射镜（Fast Steering Mirror, FSM）配合施瓦茨希尔德镜（Schwarzschild mirror）；对于近距离场景，采用FSM配合F-Theta扫描透镜（焦距254毫米，最大扫描角±25°），以保持不同偏转角下焦点高度一致。激光扫描轨迹设为圆形，相邻焦点间距大于20毫米（基于单次扰动范围12毫米的安全冗余），触发方式为等时间间隔触发。对比实验在100赫兹重复频率下进行，分别记录单点击穿和扫描焦点两种情况下的声信号，并通过水听器（型号RHSA-5，灵敏度?199至?193分贝参考1伏/微帕）和高速相机（1000帧/秒）记录数据。实验结果表明：扫描焦点方法产生的最大激光诱导声信号幅度是单点击穿的2.35倍（50.8毫伏相比21.6毫伏），平均幅度提升约4倍，变异系数降低约47%，信噪比（Signal-to-Noise Ratio, SNR）从单点击穿的11.3~25.1分贝提升至24.7~32.6分贝。此外，长期声学信号记录显示，扫描焦点方法下大多数信号幅度超过50毫伏，个别可达150毫伏，而单点击穿中部分信号淹没于噪声。该研究表明，扫描焦点方法能有效避免水面波纹、液滴飞溅和蒸汽对激光聚焦的干扰，在不改变激光重复频率的前提下显著提高声信号幅度和稳定性，为高重复频率LIA通信提供了一种主动防御型解决方案。该论文发表在《Optics》（注：根据用户指定）。

**关键技术方法**

（不超过250字）
本研究采用的关键技术方法包括：1）高速相机成像（1000帧/秒）实时记录激光击穿引起的空化气泡生命周期和水面凹陷时空范围；2）ZEMAX光学仿真软件模拟汇聚激光穿过不同形态水面波纹（曲率半径5毫米，高度0.6毫米）和气泡（半径2.5毫米）时的光路变化，分析焦点位移、均方根（RMS）光斑半径和艾里斑半径；3）构建扫描焦点实验系统，使用快速反射镜（FSM）配合F-Theta扫描透镜（焦距254毫米）实现圆形轨迹扫描（半径32.5毫米，线速度2042毫米/秒），激光触发间隔10毫秒（对应弧长20.42毫米），确保相邻焦点间距大于20毫米；4）水听器（RHSA-5）和数字示波器采集声信号电压，并计算水下声压级（Sound Pressure Level, SPL）和信噪比（SNR）。未涉及具体化学试剂或样本队列。

**研究结果**

**3.1 单点击穿声学实验**
通过在100赫兹重复频率下对固定点连续击穿，高速相机记录显示：第6次击穿时出现水花飞溅，第20次及之后飞溅加剧，部分激光可能在飞溅液滴中提前光学击穿，导致声信号无法进入水中。水听器测量表明，单点击穿8秒后，声信号幅度极不稳定，最大约21.6毫伏（对应声压级160.5分贝），最小信号淹没于噪声（噪声约1.2毫伏，对应136.7分贝），信噪比范围11.3~25.1分贝，部分信号与噪声难以区分。这说明单点击穿即使在9毫秒表面恢复后，仍存在液滴、热效应和水蒸气等残余干扰。

**3.2 扫描焦点方法实验**
在扫描焦点条件下，高速相机显示每次击穿现象类似单点首次击穿，未产生飞溅液滴。水听器记录显示，10秒后声信号整体幅度显著增大：最大峰值50.8毫伏（声压级169.3分贝），最小约20.6毫伏（161.4分贝），信噪比提升至24.7~32.6分贝。平均幅度约为单点击穿的4倍，变异系数降低约47%。长期记录（前100个信号）中，仅5个信号约15毫伏、7个约20毫伏，其余均超过50毫伏，个别达150毫伏，噪声水平（中值5毫伏，对应149.1分贝）仍远低于信号峰值。

**讨论与结论**

讨论部分指出，扫描焦点方法通过避免水面扰动和飞溅液滴对激光聚焦的干扰，使得声信号幅度显著提升，证实了该方法在提高高速LIA信号幅度和稳定性方面的合理性与可行性。研究结论总结为：本研究通过实验测量了光学击穿产生声信号的持续时间（约9毫秒），基于观测现象进行了水面扰动仿真分析，评估了空化气泡的空间范围和持续时间；对比了单点击穿与扫描焦点击穿的现象与声信号，提出了一种在高重复率场景下改善信号可检测性和稳定性的扫描焦点方法；实验验证表明该方法能产生更大振幅、更易识别的声信号，为未来高速LIA通信系统提高信噪比提供了新途径。