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探秘“激光声遥感“

庞哲 访问量: 【字号:

伟大的英国物理学家麦克斯韦于 1873 年出版了科学名著《电磁通论》,提出了以麦克斯韦方程组为核心的较为完善的电磁学理论。如今,电磁波已经在我们生活中方方面面得到了应用,比如打电话、用 WiFi、照 CT 等等。其中有一个非常重要应用——雷达,使用雷达我们可以到探测物体的方向、高度、速度还有形状,在搜救探测、军事对抗上有无可取代的地位。

虽然电磁波在空气里甚至宇宙里都是十分有效的信息传播载体,但是,它也有一个重大的局限,那就是在海洋环境下,电磁波的传播衰减特别大,这导致了电磁波在海水里的传播距离远远小于空气中的传播距离,无法满足我们的需求。

而事实上,复杂的海洋环境里,如果缺乏有效的探测手段,我们就如同被蒙上了双眼、堵上了耳朵,失去了感知环境的能力,这时候要是遇到暗礁、潜艇、水雷等等,后果不堪设想。为了让我们能在海洋下面“耳聪目明”,科学家们开始寻求其他的信息传播手段,而我们的主角——声波,也进入了科学家们的视野。

声波虽然和电磁波一样都是波,但它归属于机械波,科学家们研究发现,声波在在海洋里的衰减要比电磁波小 1000 倍,相比于低频率的电磁波只能在水下传递几米到几十米,低频率的声波可以在浅海里传播数十千米,而水下的声纳, 就扮演者陆上雷达的角色。声波,也因此成为了海洋下唯一有效的探测、通信手段。

根据能量守恒定律,波是不能无限传播下去的,面对广袤的大海,我们不能像陆地上一样建设基站来增强信号,那我们该如何“大海捞针”呢?一种方法是声纳浮标,把浮标布满想要探测的区域;还有一种方法是让舰艇带着声纳,在想要探测的海域里搜查。这两种方法各有弊病,前者是一次性的耗材,并且没法移动; 后者受限于舰艇的速度,效率很低,而且没法去一些危险的海域搜查。

那有没有办法可以两者兼顾,既机动灵活又经济高效地探测海域呢?当然有! 科学家们研究了一种名为“激光声遥感”的技术,这是一种让直升机携带激光器, 将激光发射到海面后产生声波,再在飞机上接收水下目标反射的声波来感知水下目标的新技术。

等一等!为什么激光照射到海面上会产生声波?难道光也有声音吗?这个问题的答案就是——“光声效应”。

“光声效应”,顾名思义,就是由光转换为声的物理过程,它的实质是“光热效应”加上“热声效应”,光能先转化成了热能,然后热能再转化成声能,从而实现从光到声的变化。

根据激光的能量高低,会有三个不同的现象。

首先是“热膨胀”,此时激光能量比较小,水面加热达不到沸点,而水体一部分被激光照射加热,一部分没有被加热,受热不均匀引发了热弹性力,从而激发出了声波。发生“热膨胀”的时候,能量转化的效率是比较低的,仅有 0.01%。

然后是“汽化”,随着激光能量提高,把水的表面加热到沸点,这时候就水就会沸腾,水蒸气膨胀爆裂喷射出来,从而产生声波。当“汽化”发生时,光声能量转化的效率能到 1%。

接下来是最重要的“介电击穿”,此时激光的能量非常高,这种能量的激光照

射之下,会把海水从液体变成等离子体,也就是电浆。等离子体在吸收能量后发生“爆炸”,产生强大的冲击波,发出巨大的声波。介电击穿的时候能量转化率高达 7%到 30%。

科学家们正是利用了“光声效应”,研发了激光声遥感技术,利用直升机来大范围的搜索探测海域。

有了这一套技术,我们就可以做到“大海捞针”,让那些海底的潜艇、鱼雷、暗礁无所遁形,掌握我们的领海!

回顾一下激光声遥感技术的发现历程,科学家们综合地考虑了传统声纳使用的局限,创新地结合了光声效应,让直升机来携带激光器进行大范围海域搜索, 其中核心的光声技术,属于光学和声学的交叉学科。我们在进行科学探索的时候, 也要学习这种思想,在交叉的领域里触类旁通、互相启迪,开拓崭新的研究方向, 探索未知的科学领域,攀登神秘的知识高峰。