無(wú)線通信的激光超聲測(cè)量系統(tǒng)研究

彭 鵬

（重慶信科設(shè)計(jì)有限公司，401121）

無(wú)線通信的激光超聲測(cè)量系統(tǒng)研究

彭 鵬

（重慶信科設(shè)計(jì)有限公司，401121）

隨著科技的迅速發(fā)展，無(wú)線通信技術(shù)成為了人類通信的關(guān)鍵技術(shù)，并且無(wú)線通信技術(shù)當(dāng)前遍及很多領(lǐng)域，成為人們生活不可缺少的運(yùn)用技術(shù)。而激光超聲測(cè)量系統(tǒng)是目前無(wú)線通信研究當(dāng)中的重要技術(shù)，應(yīng)用在各個(gè)科學(xué)范圍領(lǐng)域，激光超聲測(cè)量系統(tǒng)主要針對(duì)通信技術(shù)當(dāng)中的缺陷而進(jìn)行技術(shù)更新，更改以往有線通信當(dāng)中產(chǎn)生的延遲、衰減等問(wèn)題，為人類提供更好的通信服務(wù)系統(tǒng)。

無(wú)線通信；激光超聲；測(cè)量系統(tǒng)

當(dāng)前有線通信系統(tǒng)的激光超聲測(cè)量系統(tǒng)不能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離通信傳輸，在傳輸?shù)倪^(guò)程中很容易受到一定的干擾，導(dǎo)致傳輸信號(hào)出現(xiàn)一定的延時(shí)或錯(cuò)碼現(xiàn)象。為了解決有線通信技術(shù)當(dāng)中的問(wèn)題，技術(shù)人員將無(wú)線通信技術(shù)中的激光測(cè)量技術(shù)進(jìn)行了分析設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出一種有效的測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行無(wú)線通信。激光超聲測(cè)量技術(shù)是對(duì)傳統(tǒng)超聲測(cè)量技術(shù)的一大發(fā)展，激光超聲測(cè)量技術(shù)是利用了高能量的激光脈沖來(lái)檢測(cè)超聲，能夠在遠(yuǎn)距離、高溫下或具有腐蝕性條件下使用，解決了傳統(tǒng)超聲測(cè)量技術(shù)不能解決的問(wèn)題。

1 激光超聲測(cè)量系統(tǒng)的工作原理

激光超聲是一種非接觸，高精度，無(wú)損傷的新型超聲檢測(cè)技術(shù)。它利用激光脈沖在被檢測(cè)工件中激發(fā)超聲波，并用激光束探測(cè)超聲波的傳播，從而獲取工件信息，比如工件厚度、內(nèi)部及表面缺陷，材料參數(shù)等等。該技術(shù)結(jié)合了超聲檢測(cè)的高精度和光學(xué)檢測(cè)非接觸的優(yōu)點(diǎn)，具有高靈敏度，高檢測(cè)帶寬的優(yōu)點(diǎn)。激光超聲測(cè)量系統(tǒng)是利用激光入射到材料中所產(chǎn)生的超聲波，這些超聲波的傳播方式不同，在傳播時(shí)會(huì)呈現(xiàn)橫波、縱波以及物體的表面波，影響這些波形的主要因素有材料的吸收程度、導(dǎo)熱性、光滑度以及激光的傳播效率等，通過(guò)改變這些因素，能夠控制激光超聲測(cè)量系統(tǒng)，使無(wú)線通信順利連接。

當(dāng)激光超聲測(cè)量系統(tǒng)中的激光能量聚焦照射到彈性材料表面時(shí)，部分會(huì)轉(zhuǎn)移到材料本身并以熱能和應(yīng)力波動(dòng)能的形式表現(xiàn)出來(lái)，因此，通過(guò)改變激發(fā)的幾何形狀就可控制能量在材料中的分布以及對(duì)材料的影響。激光超聲就是利用高能激光脈沖與物質(zhì)表面的瞬時(shí)熱作用，通過(guò)熱彈效應(yīng)在固體表面產(chǎn)生應(yīng)變和應(yīng)力場(chǎng)，使粒子產(chǎn)生波動(dòng)，進(jìn)而在物體內(nèi)部產(chǎn)生超聲波。根據(jù)入射到物體表面激光能量的不同，激光脈沖在物體表面產(chǎn)生的這種熱效應(yīng)可分為“熱彈效應(yīng)”與“熱蝕效應(yīng)”。“熱彈效應(yīng)”及在較低的吸收率下，表面吸收的熱量不超過(guò)其融化溫度，產(chǎn)生的是短時(shí)膨脹過(guò)程，與該膨脹相關(guān)的應(yīng)力波絕大部分在彈性范圍內(nèi)?！盁嵛g效應(yīng)”及在高能作用下，物體的溫度升高，超過(guò)了其蒸發(fā)溫度，產(chǎn)生燒蝕現(xiàn)象，使材料表面氣化而形成等離子體，于是有一垂直表面的反作用力作用在表面，形成彈性波源。在熱彈性區(qū)，激光產(chǎn)生的應(yīng)力波的大小與吸收光的能量呈正比，對(duì)于均勻能量分布，可用一維模型描述激光束在材料表面產(chǎn)生的應(yīng)力，其在材料表面產(chǎn)生的應(yīng)力、應(yīng)變與材料表面吸收的激光能量呈正比。

2 激光超聲技術(shù)的特性探討

2.1 激光超聲技術(shù)的特性

激光超聲測(cè)量系統(tǒng)具有非接觸性、寬帶性、高分辨率、信息高保真等特點(diǎn)。激光超聲源能同時(shí)激發(fā)橫波、縱波和表面波，與傳統(tǒng)的超聲檢測(cè)相比，激光超聲技術(shù)具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

(1)遠(yuǎn)程通信。激光超聲技術(shù)是通過(guò)激光對(duì)所產(chǎn)生的超聲波進(jìn)行探測(cè)和傳送，所以，即使在遠(yuǎn)距離的情況下，也能很容易實(shí)現(xiàn)信號(hào)的發(fā)送與接受，有利于通信系統(tǒng)的完善。

(2)無(wú)須耦合。傳統(tǒng)的超聲波檢測(cè)技術(shù)需要用到耦合劑來(lái)形成耦合層，當(dāng)耦合層發(fā)生變動(dòng)時(shí)會(huì)嚴(yán)重影響通信質(zhì)量，而激光超聲技術(shù)不需要進(jìn)行耦合，就能順暢的完成無(wú)線通信。

(3)減少延遲。在以往的超聲衍射當(dāng)中，存在著檢測(cè)技術(shù)的缺陷，不能及時(shí)找到相應(yīng)的衍射超聲波脈沖，而使用激光超聲技術(shù)，能夠很容易獲得與激光脈沖等寬的超聲波脈沖，使得通信當(dāng)中避免了延遲。

(4)降低干擾。在通信系統(tǒng)當(dāng)中，干擾是影響通信質(zhì)量的重要因素，在以往的通信技術(shù)下，信息場(chǎng)極易受到外界信息信號(hào)的干擾，導(dǎo)致通信的模糊或中斷，而采用激光超聲測(cè)量系統(tǒng)通信技術(shù)，能夠使用優(yōu)質(zhì)的激光超聲技術(shù)減少信號(hào)的干擾，將通信信號(hào)及時(shí)傳送接受，避免不必要的信號(hào)干擾。

(5)耐高溫高壓等特殊環(huán)境。激光超聲測(cè)量系統(tǒng)可以將激光束通過(guò)玻璃口導(dǎo)入，同時(shí)能夠在惡劣條件下正常進(jìn)行超聲檢測(cè)，保證正常的通信。

(6)分辨率高。在激光超聲測(cè)量系統(tǒng)中，所采用的探測(cè)激光束能夠聚成很小的點(diǎn)，方便探測(cè)微小的空間，達(dá)到高分辨率的效果。

2.2 激光超聲技術(shù)存在的弊端

(1)盡管激光超聲薄的振幅與寬帶壓電換能器所發(fā)出的振幅相當(dāng)，但激光干涉儀的接收靈敏度比傳統(tǒng)的超聲波系統(tǒng)差許多，在超聲頻率范圍內(nèi)，傳統(tǒng)的壓電傳感器的探測(cè)極限為0.01pm到1pm，而在理想條件下，激光超聲技術(shù)的最小可測(cè)位移在100pm左右，所以激光超聲技術(shù)缺乏靈敏度。

(2)激光超聲測(cè)試系統(tǒng)的體積龐大，檢測(cè)系統(tǒng)復(fù)雜，相對(duì)與傳統(tǒng)測(cè)量系統(tǒng)的造價(jià)也比較高。

(3)激光超聲技術(shù)采用的是高能激光，因此，在工作場(chǎng)地必須建立完善的激光防護(hù)措施。

3 激光超聲測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 硬件設(shè)計(jì)

激光超聲測(cè)量系統(tǒng)包括超聲激勵(lì)和檢測(cè)兩部分，且激光超聲激勵(lì)的檢測(cè)方法分為三種：第一種是激光激勵(lì)激光接收的方式，該方式利用激光脈沖與對(duì)象所產(chǎn)生的超聲波，采用光學(xué)接收器接受測(cè)量材料中的超聲波。第二種是激光激勵(lì)超聲接收方式，該方式利用激光發(fā)出的激光脈沖所產(chǎn)生的超聲波，通過(guò)壓電超聲換能器轉(zhuǎn)換為接收器所能夠接收的檢測(cè)信號(hào)。第三種是超聲發(fā)射激光接收方式，該方式利用壓電超聲轉(zhuǎn)換器所產(chǎn)生的超聲波對(duì)信號(hào)發(fā)出的超聲進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)激光干涉的方法接收所檢測(cè)的有用信號(hào)。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

激光超聲測(cè)量系統(tǒng)是由計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)模塊、無(wú)線通信模塊以及激光超聲激勵(lì)檢測(cè)子系統(tǒng)組成，形成的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信的無(wú)線傳輸。當(dāng)進(jìn)行通信時(shí)，計(jì)算機(jī)與通信終端采用的是相同的載波頻段，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)出通信邀請(qǐng)通知時(shí)，收發(fā)器應(yīng)答，并及時(shí)與主發(fā)器進(jìn)行連接，發(fā)出信息地址，當(dāng)數(shù)據(jù)模塊將采集信息放大后，進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，將信息轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式傳輸給無(wú)線收發(fā)系統(tǒng)，進(jìn)行通信，最后在通信終端利用單片機(jī)儲(chǔ)存器將數(shù)據(jù)進(jìn)行還原，通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換將信息呈現(xiàn)出來(lái)。

單片機(jī)的主程序能夠?qū)崿F(xiàn)采集數(shù)據(jù)、模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)模轉(zhuǎn)換以及數(shù)據(jù)的傳送，保證設(shè)備能夠順利完成無(wú)線數(shù)據(jù)發(fā)送與接收。

4 結(jié)論

隨著現(xiàn)代科技的飛速發(fā)展，無(wú)線通信技術(shù)成為了人類生活當(dāng)中通信必備的技術(shù)，在新型的科技發(fā)展下，無(wú)線通信的激光超聲測(cè)量系統(tǒng)成為新型的通信技術(shù)，解決了以往有線通信技術(shù)當(dāng)中的不足，保證了通信的準(zhǔn)確性。無(wú)線通信的激光超聲測(cè)量系統(tǒng)既保留了激光超聲測(cè)量技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，又解決了有線通信技術(shù)信號(hào)差的缺點(diǎn)，保證了遠(yuǎn)程通信的可靠性。

[1] 曾憲林,徐良法.激光超聲技術(shù)及其在無(wú)損檢測(cè)中的應(yīng)用[J].激光與紅外,2012,(4):32.

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[3] 陳曉.基于無(wú)線通信的激光超聲測(cè)量系統(tǒng)[J].光學(xué)學(xué)報(bào),2014,(1):29.

彭鵬，男，（1982-），籍貫：重慶，職務(wù)：技術(shù)副總監(jiān)，職稱：通信工程師，學(xué)位：工學(xué)學(xué)士，工程碩士，研究方向：通信工程勘測(cè)設(shè)計(jì)

Study on laser ultrasonic measurement system for wireless communication

Peng Peng
（Chongqing scinfo Design Co. Ltd ，401121)

With the rapid development of science and technology,wireless communication technology become the key technology of human communication,and wireless communication technology current throughout many areas,become indispensable to the life of the use of technology.Laser ultrasonic measurement system is currently an important technology in wireless communication research,application in various scientific fields,laser ultrasonic measurement system the main communication technologies for the defects and updated technology,change the previous wired communication caused by the problem of delay, attenuation,provide better communication service system for human beings.

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