● 摘要
用光学技术测量水下声信号的方法有很多，包括激光干涉法、激光多普勒法，和通量变化法。这些方法的测量精度非常高，但是这些方法对于目标的反射面有十分严格的要求，在实际应用中存在诸多不便。针对于此，我们提出了利用激光衍射的方法测量表面波，该方法可测量频率范围比较大，并且具有实时、无接触和无损等诸多优点，应用性比较广泛。本文根据表面波声光效应的原理，对水下声信号进行探测与处理，主要包括以下四个部分:
1、 介绍了液体表面波，对液体表面波的光学检测方法做了归纳，重点介绍了六种表面波的光学检测方法，并对这些方法的检测原理，适用范围，优缺点进行了总结。最后对液体表面波的激光探测技术的未来做了展望。
2、 重点介绍了声光效应，理论上分析了声光效应的原理和表面波光栅，为后面的分析做了铺垫。
3、 对低频液体表面波的衍射级和入射角的关系进行了讨论。对入射光场进行傅里叶变换，得到了衍射光场的解析表达式。进一步分析得到，衍射条纹的间隔不仅与光栅常数有关，而且与入射角有关。当光栅常数远大于入射光波长时，要观察到清晰的衍射条纹，入射角存在一个临界值，当入射角大于该临界值时，可观察到条纹，反之，则观察不到条纹。本文理论上给出了临界值的大小。
4、根据液体表面波声光效应原理，建立了一种探测水下低频声信号的实验装置。水下声信号经过液体传播，在液体表面形成表面声波，当激光束照射液面时，从液面反射的光经表面波调制后，形成清晰的衍射图样。用光电探测器采集该衍射图样，并传输给计算机。实验发现，根据声光效应，介质中的声波类似于衍射光栅。对于几十赫兹的低频液体表面波，它所形成的光栅常数在毫米量级，远大于入射光波波长。当光栅常数远大于入射光波长时，观察到了清晰的衍射图样。并在激光束斜入射的条件下，实验上观察到衍射条纹具有明显的不对称性。根据光栅方程一般表达式，分析得到了衍射条纹的解析表达式，由该表达式可以解释衍射条纹位置和光斑强度的不对称性，及其产生的机理。