摘 要

光声信号的产生有热膨胀、气化、介质击穿等几种机制。在大部分情况下以上的几种机制是同时存在的，只是产生光声信号的时间或对光声信号的贡献程度不同而已。光声信号的特征中包含着相应的产生机制的信息。本文利用相应软件编程完成光声信号的频谱分析以及时频分析，来获取光声信号的特征信息。

本文主要分析了脉冲激光在不同浓度盐水中产生光声信号的频谱图像以及时频图像。

研究结果表明脉冲激光在盐水中产生光声信号时，当改变的盐水浓度不大的时候，光声信号峰值频率的变化较小，而当改的的盐水浓度到达某一个值时，光声信号峰值频率就发生很大的变化。而在视频图中不同的时间频率峰值不同。

本文的主要特色：采用数字处理方法分析光声信号特征，试图分析其产生机理。

关键词：光声效应；频谱分析；时频分析；光声效应产生机制

Abstract

Photoacoustic signal generating thermal expansion, gasification of several mechanisms, dielectric breakdown and the like. In most cases more than several mechanisms exist simultaneously, but at different times to generate photoacoustic signal or photoacoustic signal contribution degree. Characteristics of the photoacoustic signal contains the information of the corresponding generation mechanism. In this paper, the corresponding spectral analysis software programming to complete the photoacoustic signal and time-frequency analysis, to obtain characteristic information photoacoustic signal.

This paper analyzes the laser pulse spectrum image photoacoustic signal and the time-frequency images in different concentrations of saline.

The study results showed that pulsed laser photoacoustic signal generated in the brine when the brine concentration changed little when the photoacoustic signal peak frequency change is small, and when the change of salt concentration reaches a certain value, the photoacoustic signal peak frequency will change a lot. In the video image in different time-frequency different peak.

The main feature of this paper: the use of digital processing to analyze the photoacoustic signal characteristics, trying to analyze the generation mechanism.

Key Words： photoacoustic effect; spectral analysis; time-frequency analysis; photoacoustic effect generating mechanism

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 2

1.1 目的及意义 2

1.2 研究（设计）的基本内容、目标、拟采用的技术方案及措施 3

1.2.1 基本内容及目标 3

1.2.2 拟采用的技术方案及措施 3

第2章 光声信号的产生 4

2.1 光声效应 4

2.2 光声信号的产生机理 4

2.2.1 热膨胀机制 4

2.2.2 汽化机制 5

2.2.3 介质击穿机制 5

第3章 光声信号的分析 6

3.1光声信号频谱分析 6

3.2光声信号时频分析 6

3.2.1短时傅立叶变换（Gabor变换） 7

3.2.2连续小波变换 7

3.2.3 Wigner-Ville变换 8

3.2.4希尔伯特黄变换（Hilbert-Huang Transform，HHT ） 9

3.3.5时频分析的优缺点 9

第4章 光声信号的频谱和时频分析 10

4.1 MATLAB软件简介 10

4.2用MATLAB实现光声信号的频谱分析 10

4.3用MATLAB实现光声信号的时频分析 11

4.4信号分析与结果 13

第5章 结论 20

参考文献 21

致 谢 22

第1章 绪论

激光是一种因受激辐射而放大的光，英文全名为Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation(LASER)^[1]。于1960年问世，激光技术也随着激光的问世迅速兴起并且逐步发展成为一门崭新的技术，同时也是发展最快，应用最广泛的，成果最多，交叉学科应用最多，发展前景最好的高科技技术之一。在工业制造，文娱教育，科学研究，通信技术，生物医学，军事科学等等各方面都有较为成熟的应用。我们日常所比较熟知的就有：光纤通信、激光切割、激光焊接、激光打标、激光唱片等等。激光发展前景广泛，激光与物质相互作用将是未来激光发展的一大方面。

1.1 目的及意义

对于光声信号的时间特征分析，说广泛一点也就是对于光声效应的研究，光声效应也就是当物质(可以是液体、固体等多种形态)受到周期性强度调制的光照射时，产生声信号的现象^[2]。用光照射某种媒质时，由于媒质对光能量的吸收会使其内部的温度改变从而引起媒质内某些区域结构和体积变化；当采用脉冲光源或调制光源时，媒质温度的升降会引起媒质的体积涨缩，因而向外辐射声波^[12]。而我们所要研究的就是在这个过程中光声信号的变化情况，通过检测激光激发出来的的声波的特征，可以获得煤质的光学，力学，热学特征参数和媒质内部特征信息。我们对所得到的光声信息进行分析变换，就能够来推测光声信号，媒质，以及作用机理之间的关系和相互之间的影响。目前,对海洋的开发和利用已提高到国家战略要求,脉冲激光光致声波有望在海洋探测中发挥作用,已成为当今科学研究中非常有意义的工作之一。

在20世纪的80年代国外就已经提出了利用光声效应探测水下目标的想法。1980年G.D.Hickman和他同事进行了利用光声效应进行水下实际探测的可行性研究实验，他们是利用5J的二氧化碳激光器发出激光束从空中射向水面进而在水中产生声波，用以鉴别水中的物体，他们成功的鉴别出来了水底的一枚鱼雷。在此后的第二年的夏天他们又进行了舰船在实际海洋环境下激光声效应遥感探测海深实验此后又进行了激光声探测冰厚的实验。在21世纪，美国海军水下战研究中心的F.Blackmon进行了激光声效应在水下通信领域中的相关研究实验。