一种基于太赫兹涡旋波束干涉和拓扑荷调控的水下声场探测方法与系统

本发明涉及一种基于太赫兹涡旋波束干涉和拓扑荷调控的水下声场探测方法与系统，属于精密测量。

背景技术：

1、近年来，人类对海洋的探测活动日益增多，水下声源信息的探测可应用于海床测绘及水体测深、水下资源勘探、海洋生物种群监测、水下目标定位及通讯、潜水员生命保障等领域。潜艇、鱼雷等水下声源目标的侦查一直以来是海洋防务的关键性问题。潜艇、鱼雷等水下声源辐射声波在水表面激励的微扰中携带了水下目标的相关信息，对其进行探测进而评估水下声源的特征，成为一种探测水下声源的新思路。不仅如此，对声波激励产生的水面微扰的检测，已表现出在对潜通信、海床测绘、海浪谱研究、流体介质特性参数检测等方面的应用潜力。

2、水下声场的探测技术主要包括声呐技术和激光-声联合探测技术。相比于传统的声呐技术，激光-声联合探测技术通过对水下声源所引起的水表面微扰的探测来获取水下声场的特征信息，具有更高探测精度，更高灵敏度，更小的系统尺寸，实时，非接触等优势。围绕水表面波的检测问题，根据探测信号的获取和解调方法的不同，国内外学者主要采用四类光学检测方法，如激光衍射法、光通量法、多普勒测振法和激光干涉法。

3、太赫兹探测技术自19世纪以来迅猛发展，在无损检测、保密通讯、反隐身、战场侦查方面展开了广泛的研究。早期的太赫兹探测技术多基于太赫兹在不同材料中的物理特性及基于其的厚度测试，目标多为静止或简单运动情况。后续的测试逐渐扩展到太赫兹雷达、反恐安检与生物医学等领域。基于太赫兹的振动探测追溯到2009年莱特州立大学对人体生命信号的探测。随后，我国国防科技大学、电子科技大学、空军军医大学等也展开了相关研究，但对于远距离目标的微扰情况研究较少。仅存的通过干涉方法在太赫兹波段实现振动位移的测试，精度在毫米至厘米量级，且测试频率仅为十几赫兹，有待进一步发展。

4、涡旋波束的波前呈螺旋型结构、强度呈环状分布，其独特的结构在通信、精密测量、信息安全等方面有独特的优势与广泛的应用潜力。传统位移测量技术的关键在于对目标位移量的高精度测量，涡旋波束干涉与传统干涉具有较大差异，利用其特性可以获得更高的检测精度和分辨率，具有极大的研究应用前景：2008年，harke等将涡旋波束与显微技术结合，将成像分辨率提高到了25nm；2020年，中北大学提出的涡旋光与球面波干涉的位移测量技术，在入射波为632.8nm时，实现了误差为1.25nm的高精度位移测量；2022年，山东大学提出双频涡旋光干涉算法，将测量精度提高到pm量级。

5、基于涡旋波束测量的关键，是涡旋波束的生成与调制。国内外已有众多科学家进行了涡旋波束生成与调制方面的研究。目前主要的涡旋波束产生方法可分为腔内产生法和腔外产生法。腔内产生法有产生的涡旋波束空间相位不受频段带宽影响的优点，但其缺点是对谐振腔的轴对称性要求严格，不适用高阶涡旋波束产生。腔外产生法又可分为螺旋相位板法、计算全息法、空间光调制器法、q板法、超表面法。螺旋相位板法的转换效率高，但受制于加工精度，且无法调节；计算全息法的涡旋波束大小阶数可控，但对装置要求严格；空间光调制器法产生的涡旋波束大小阶数可控，但波束质量会受空间光调制器的分辨率、波束衍射效率等因素的影响；q板法适用的频段较宽，但不适用于高阶涡旋波束的产生；超表面法的体积小、转换效率高、可调节，但同样也受制于加工精度。

技术实现思路

1、本发明综合分析了现有的多种位移测量方法、涡旋波束生成方法和声音信号处理方法，提出基于涡旋波束干涉的太赫兹超灵敏位移测量技术，基于超表面的涡旋波束生成和拓扑荷调制器件的设计技术，旨在进一步提高太赫兹水面位移探测系统的集成度与探测精度，从而获得水下声场信息。

2、本发明采用以下技术方案：

3、一种基于太赫兹涡旋波束干涉和拓扑荷调控的水下声场探测方法，用于探测水下声场的特征信息，包括如下步骤：

4、(1)太赫兹辐射源发出太赫兹波束，经过凸透镜准直后入射至太赫兹涡旋波束发生器，入射波束被调制为特定拓扑荷的涡旋波束；

5、(2)分束镜将涡旋波束分为参考波和测试波；

6、(3)测试波经过反射镜后被水面反射回来，并携带有水表面的位移信息；

7、(4)携带水表面位移信息的测试波在分束镜处与参考波发生干涉；

8、(5)干涉信号由太赫兹探头捕获，并根据干涉信号获得水表面位移的幅值、频率信息。

9、优选的，步骤(1)中，太赫兹涡旋波束发生器采用传输相位型超表面与双层莫尔结构设计，即两个共轭的传输相位型超表面相向放置，实现联合传输函数和联合相位，联合传输函数和联合相位等于两元件传输函数和相位的叠加；其中，每一传输相位型超表面包括一基底以及基底上的超表面辐射单元，所述超表面辐射单元呈圆柱状，通过利用不同的圆柱直径改变电磁波在传输过程中的光程来实现相位调控；

10、通过旋转其中一片传输相位型超表面即可获得拓扑荷的调制效果。

11、优选的，两个共轭相位元件的联合传输函数和联合相位，等于两元件传输函数和相位的叠加：

12、

13、其中，tjoint为联合传输函数，φjoint为联合相位，i是虚数单位；

14、由此，可以得到两层超表面的相位分布设计：

15、

16、其中a为一个用于控制两个表面旋转角度与拓扑荷之间调整关系的设计参数，为极坐标中从0到2π的角；当一个超表面旋转角度θ时，其相位变成：

17、

18、整个双层超表面的相位可写为：

19、

20、其中，转动角度θ为已知值，因此第二项与无关，对于涡旋相位的产生没有影响，可以忽略，又因涡旋波束的相位、拓扑荷和角度的关系为：

21、

22、可以得出涡旋波束产生的拓扑荷l为：

23、l＝2aθ    (6)

24、使用该涡旋波束发生器，可以通过旋转其中一块超表面产生角度θ来得到不同拓扑荷的涡旋波束，顺时针旋转时可产生正的拓扑荷，反之则产生负的拓扑荷；传统涡旋波束发生器件往往与波长相关，无法在宽带下工作，在本发明中的双层超表面发生器只需要标定不同波长下的旋转角度与拓扑荷改变的对应关系，即可实现宽带下的高阶拓扑荷涡旋波束生成与调制。

25、优选的，太赫兹涡旋波束发生器采用旋转安装座进行封装集成，所述旋转安装座一面安装有一片传输相位型超表面，另一面安装第二片传输相位型超表面，两片传输相位型超表面相向设置，通过将两层超表面对称放置，使双层超表面的初始联合相位为0，旋转安装座的中心设置有中心孔，允许光束通过；旋转安装座起到夹持和旋转其中一片传输相位型超表面的作用；

26、旋转安装座的一面固定不动，另一面设置有旋转套筒，其中一片传输相位型超表面安装在旋转套筒内，旋转套筒旋转带动一片传输相位型超表面进行精确的旋转定位，另一片超表面通过笼式结构固定在旋转安装座的非旋转部分，以此实现涡旋波束发生器中两层超表面的精确相对旋转，通过改变相对旋转角度θ，从而对拓扑荷进行调控；

27、优选的，旋转套筒连接一驱动器，驱动器能够保证旋转套筒的精确旋转。本发明的旋转安装座搭配驱动器进行精确旋转定位器件的封装与集成，旋转安装座可提供高准确度和高重复性。

28、值得注意的是，旋转安装座只要可以实现旋转功能即可，驱动器只要可以进行精确旋转控制即可，对结构没有特定要求。

29、本发明采用传输相位型超表面与双层莫尔结构设计涡旋波束发生器，对太赫兹源发出的太赫兹波束进行调制，同时可以实现器件的小型化。传输相位型超表面通过改变电磁波在传输过程中的光程来实现相位调控，即改变超表面辐射单元的几何参数如圆柱直径、方柱长宽等，就可以改变结构的占空比，进而改变其等效折射率，实现高增益下的不同相位调制。

30、将不同的超表面单元按照所需涡旋波束的相位调制排列成阵列，从而可以实现所设计的超表面涡旋波束发生器。

31、优选的，针对步骤(3)中携带的水表面位移信息，可通过建模进行量化分析，水下声场引起的水表面微扰从而产生表面横波的假设是建立在以下前提条件下的：水和空气的界面不是一个理想的压力释放表面，这样水下声场产生的压力变化就会引起水的表面产生微扰，在水下声场的作用下，水表面会形成一层亚微米级微扰的“薄层”，即产生表面横向微波，简称表面微波，其扰动频率等于水下声场的频率，因此，只要提取表面微波的扰动信息即可还原出水下声场的频率信息。当水下存在声场时，将在水表面形成表面波：

32、

33、其中，ax为水下声场激发的水表面波的振幅；ωx和分别为水下声场激发的水表面波的角频率和初相位(初相位可设为0，不影响一般性)，t为水表面波的传播时间；

34、在真实水面环境中，由于受外界环境扰动的影响，水表面始终存在幅值为微米级的低频噪声：

35、

36、其中，a0为噪声水表面波的振幅；ω0和分别为噪声水表面波的角频率和初相位(初相位可设为0，不影响一般性)；

37、因此水表面微扰为：

38、s(t)＝s0(t)+sx(t)＝a0sinω0t+ax sinωxt      (9)

39、通过对表面微扰进行测量，从而提取得到水下声场信息。

40、优选的，使用双太赫兹探头和位移装置对干涉信号进行探测，假设涡旋波束发生器发出的涡旋波束分束后，参考波可以用以下公式表示：

41、e1(r，θ)＝aexp(ilθ)exp(ikz1)      (10)

42、其中，a为振幅，l为拓扑荷数，θ为方位角，为波数，λ为波长，z1为参考臂的光程；

43、测试波束与参考波束共轭，可用以下公式表示：

44、e2(r，θ)＝aexp(-ilθ)exp(ikz2)      (11)

45、其中，z2为测试臂的光程；

46、在没有水下声场时，两束涡旋波束干涉后的强度为：

47、i0＝|e1+e2|2＝2a2+2a2cos[2lθ+k(z1-z2)-2ks0(t)]      (12)

48、在噪声表面波的影响下，干涉图样会发生旋转，设旋转的角度为δθ0，则存在如下等量关系：

49、2lδθ0＝2ks0(t)      (13)

50、噪声表面波可以表示为：

51、

52、当水表面存在微扰时，干涉后的强度变为：

53、i＝|e1+e2|2＝2a2+2a2cos[2lθ+k(z1-z2)-2ks(t)]      (15)

54、在水下声场激发水表面产生微扰后，形成的干涉图样会发生旋转，设旋转的角度为δθ，则有：

55、2lδθ＝2ks(t)     (16)

56、水面微扰可以表示为：

57、

58、结合(9)式、(14)式和(17)式可以得出：

59、

60、其中l、λ均为已知量，对于水表面微扰的探测转化为对干涉图样旋转角度的精确提取。

61、优选的，步骤(5)中，太赫兹探头捕获干涉信号后，需要判断“花瓣”状干涉条纹是否超出探测范围，考虑到涡旋波束干涉的特点，即测量辐射的工作波长越长，涡旋波束拓扑荷越大，在相同距离下的条纹角度转动越小，因此通过改变工作波长或者调制涡旋波束的拓扑荷能够实现位移幅值响应范围的调整。

62、一种上述的基于太赫兹涡旋波束干涉和拓扑荷调控的水下声场探测方法的实现系统，包括太赫兹辐射源、凸透镜、太赫兹涡旋波束发生器、分束器a、分束器b、分束器c、反射镜a、反射镜b、待测水面、太赫兹探头和可见波段激光器；

63、太赫兹辐射源发出的太赫兹球面波依次经过凸透镜、太赫兹涡旋波束发生器、分束器a、分束器c、反射镜a、待测水面、反射镜a、分束镜c、反射镜b、分束器b、太赫兹探头作为测试臂；

64、太赫兹辐射源发出的太赫兹球面波依次经过凸透镜、太赫兹涡旋波束发生器、分束器a、分束器b、太赫兹探头作为参考臂；

65、可见波段激光器为可见光光纤激光器，可见波段激光器发出的激光依次经过分束器b、反射镜b、分束器c、反射镜a、待测水面、反射镜a、分束器c、反射镜b、分束器b作为辅助瞄准光路；

66、太赫兹辐射源发出的太赫兹球面波束先经过凸透镜变成平面波束，经过太赫兹涡旋波束发生器调制成特定拓扑荷的太赫兹涡旋波束，再经过分束器a分成互相共轭的透射太赫兹涡旋波束和反射太赫兹涡旋波束；

67、经过分束器a透射的太赫兹涡旋波束作为测试波束，经过分束器c、反射镜a后入射到待测水面，携带水表面的位移信息，经反射后经反射镜a、分束器c、反射镜b和分束器b反射后进入太赫兹探头；

68、经过分束器a反射的太赫兹涡旋波束作为参考波束，经过分束器b后进入探头，参考波束与测试波束合束，形成“花瓣”状干涉条纹，通过太赫兹探头捕获得到水表面位移的幅值、频率信息。

69、优选的，系统采用模块化的方式进行集成，分为辐射模块、辅助瞄准模块和探测模块；

70、辐射模块由太赫兹辐射源、凸透镜、太赫兹涡旋波束发生器集成，此模块出射太赫兹涡旋波束作为探测系统的辐射源；

71、辅助瞄准模块由可见光光纤激光器组成，其出射光线为可见光且与辐射模块出射的太赫兹波共轴，用于辅助瞄准和调节探测模块的位置；

72、考虑到未知的条纹初始角度与复杂的环境因素给测试臂波束带来的干涉条纹扭曲，探测模块由2个太赫兹探头与位移装置组成，2个太赫兹探头安装到位移装置上且能够通过位移装置调节太赫兹探头位置，可通过辅助瞄准模块中的可见光光纤激光器调整至大略位置，太赫兹波束肉眼不可见，但可见激光的光束肉眼可见，可见激光与用于测量的太赫兹波束共轴，可以从可见激光波束的位置知道太赫兹波束中心的大略位置。干涉强度条纹是围绕波束光轴环绕排列的，在干涉图案附近围绕光轴移动探测器，探测器探测区域中心与某一个“花瓣状”条纹中心重合时，强度值处于极大值，围绕光轴移动后探测器强度值减小并在到达下一个“花瓣状”条纹时处于一个最低水平，说明探测器探测区域中完全没有了“花瓣状”条纹，因此在强度减小到接近最低水平时就是探测器处于“花瓣状”条纹边缘的情况，即为探测器的最佳位置。最后通过初步探测结果调整超表面涡旋波束发生器产生涡旋波束的拓扑荷数，确定最合适的位移幅值敏感范围；

73、通过辅助瞄准模块中的可见光光纤激光器调整至大略位置后，再通过“花瓣状”干涉条纹移动位移装置将太赫兹探头调整至最佳位置。

74、优选的，考虑到水面噪声、元件缺陷、装调失准等影响因素导致的像差以及可能存在的条纹畸变、扭曲、分布不均匀等，不同位置处的“花瓣”条纹角度变化速度可能不一致，即在相同位移量的情况下，角度变化量可能差距较大，本发明采用对称分布的双强度探头进行干涉条纹角度变化的探测和记录。两个太赫兹探头放置在条纹的“花瓣”边缘处并且呈中心对称分布，当其中一个探头所测“花瓣”条纹因像差而扭曲导致角度变化太小无法获得强度变化信息时，第二个探头能获得足够变化量的信息，通过其探测到强度的增减变化获得干涉条纹角度变化信息，从而得到位移的频率和幅值信息。

75、然而，当“花瓣”角度变化过大时，会存在条纹完全脱离探测器监测范围的情况，这会导致无法进行信息的测量且无法再分辨条纹的角度变化方向，因此，本发明针对位移的测量存在一个幅值响应范围。考虑到涡旋波束干涉的特点，即测量辐射的工作波长越长，涡旋波束拓扑荷越大，在相同距离下的条纹角度转动越小，因此改变工作波长或者调制涡旋波束的拓扑荷可以实现位移幅值响应范围的调整。本发明采用拓扑荷调制的方式，通过增减拓扑荷数，实现位移幅值响应范围最小值和最大值的增减：当水下声场较小时，水表面微扰起伏幅值较小，采用低拓扑荷涡旋波束进行测量；当水下声场较大时，水面的起伏幅值将有可能达到5μm甚至更大，因此在探测到信号强度越来越大后，实时改变拓扑荷数，通过更高阶拓扑荷的涡旋波束获得更大的响应幅值上限，从而实现水下声信号大幅值范围探测。

76、本发明未详尽之处，均可参见现有技术。

77、本发明的有益效果为：

78、1、与现有技术相比，本发明使用的太赫兹涡旋波束干涉的方法测量水表面微扰具有更高探测精度，更高灵敏度的优势，同时其系统尺寸更小，集成化更高。

79、2、本发明使用的超表面宽带拓扑荷可调涡旋波束发生器发出的涡旋波束拓扑荷可调，具有更大的位移幅值响应范围，更宽的工作频带。

80、3、本发明使用的双太赫兹强度探头探测方案，可以避免环境扰动等因素给测试臂波束带来的像差导致的干涉条纹扭曲，以及测试臂与参考臂间不确定的光程差导致的未知初始“花瓣”角度所带来的影响，并且相比面阵太赫兹相机探测方式具备高响应速度、高探测频率和低成本的优势。

81、4、水分子对太赫兹波段有较高的吸收率，因此太赫兹波在水下的传播距离极短，本发明利用这一特性，避免了水下各种因素的干扰，具有更高的抗干扰性。