CN103940504A - 一种平面多极子矢量接收阵系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及的是一种可以在20-1000Hz低频范围内工作的、具有高阵增益、小尺度窄波束的平面多极子矢量接收阵系统。平面多极子矢量接收阵系统，包括9个矢量阵元、圆柱形耐压阵体及上下盖板、27路信号放大滤波电路单元、1套信号采集单元和1块供电电池单元以及连接导线，9个矢量阵元在圆柱形阵体上盖板上排成3x3平面阵型，采用Ｏ型圈将阵元与阵体上盖板之间水密，并用螺栓固定，27路信号放大滤波电路单元、1套信号采集单元和1块供电电池单元以及连接导线置于圆柱形阵体内部，整体系统无电缆输出。本发明体积小、重量轻、使用方便，而且能够在低频段获得良好的阵处理增益和理想的波束宽度，可以大大提高水声探测系统的技术水平。

Description

一种平面多极子矢量接收阵系统

技术领域

本发明涉及的是一种可以在20-1000Hz低频范围内工作的、具有高阵增益、小尺度窄波束的平面多极子矢量接收阵系统。 

背景技术

在平面多极子矢量接收阵系统中，用来接收水下声场中声信号的接收阵元是一种能够同时获取水下声场中传播的声压标量信号和质点振速矢量信号的组合式接收器——矢量水听器。 

矢量水听器，与经典的声压水听器相比，具有更高的低频灵敏度、更理想的低频余弦指向特性和小巧的体积、较轻的质量（在水下基本呈中性浮力），因此在水声工程各个方面得到广泛的应用。 

随着矢量水听器应用技术的不断发展，基于矢量水听器的各种阵处理技术得到空前的关注，比如，2001年惠俊英的《声矢量阵指向性》，2003年孟洪的《组合矢量水听器及其成阵技术研究》，2004年吕钱浩的《矢量传感器阵列技术研究》，2005年张揽月的《基于ESPRIT算法的L-型矢量阵源方位估计》、陈华伟的《声矢量传感器阵宽带相干信号子空间最优波束形成》，2007年付彦的《基于小尺度矢量阵的多目标分辨研究》，2009年邹锦芝《稀疏矢量阵设计的模拟退火算法》、邢世文《三维矢量水听器及其成阵研究》，2010年李秀坤《矢量水听器阵时频MUSIC算法研究》，2011年梁国龙《基于洛伦兹锥规划的声矢量阵宽容自适应波束形成》，2012年杨德森《矢量圆阵测向方法》、付金山《基于稀疏分解理论的声矢量阵信号处理》、葛晓洋《声传感器阵列的实验研究》，2013年王鹏《基于MEMS矢量水听器阵列的声目标定向定位技术研究》，等等。国外在矢量阵技术研究方面起步较早，比如1995年，美国加利福尼亚海洋环境大学斯克利普斯研究所的Peter F.Worcester等人在其开展的海洋环境监测项目（ATOC）中，通过在海底放置垂直矢量水听器线阵来提取海洋环境数据，每条线阵安置40个水听器（参见：Peter F.Worcester,Kevin R.Hardy,David Horwitt,and Douglas A.Peckham.A DEEP OCEAN DATA RECOVERY MODULE.）；美国俄勒冈州立大学、北加利福尼亚州立大学和隶属于美国国家海洋大气委员会的太平洋环境实验室的研究人员在开展海底水文信息探测研究时，所用设备为垂直三元矢量线阵，成功的收集到该水域的海洋声场信息（参见：H.Matsumoto,D.Bohnenstiehl,R.P.Dziak1,L.Williams,R.Gliege,C.N.Meinig and P.Harben.A Vertical Hydrophone Array Coupled via Inductive Modem for Detecting Deep-Ocean Seismic and Volcanic Sources）。 

但在国内外，如上所述目前研究的矢量阵信号处理技术基本都是依托线列阵或十字交叉 阵（L型阵或圆形阵），而且阵列设计的理论基础是依据声压阵（标量阵）的设计原理，即阵元间距大于1/2波长的理论。目前还未见到小型平面多极子矢量阵的文献报道。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种可以在20-1000Hz低频范围内工作的、具有高阵增益、小尺度窄波束的平面多极子矢量接收阵系统。 

本发明的目的是这样实现的： 

平面多极子矢量接收阵系统，包括9个矢量阵元、圆柱形耐压阵体及上下盖板、27路信号放大滤波电路单元、1套信号采集单元和1块供电电池单元以及连接导线，9个矢量阵元在圆柱形阵体上盖板上排成3x3平面阵型，采用Ｏ型圈将阵元与阵体上盖板之间水密，并用螺栓固定，27路信号放大滤波电路单元、1套信号采集单元和1块供电电池单元以及连接导线置于圆柱形阵体内部，整体系统无电缆输出。 

矢量阵元由两只独立的振动传感器和一只压电圆环组成，两只振动传感器呈十字正交放置于压电圆环中心处，再采用低密度复合材料将二者灌注在一起，并包覆聚氨酯材料外壳，阵元与基阵之间无连接线缆。 

本发明的有益效果在于： 

本发明可以广泛应用于低频水声探测各领域，工作频率低、阵增益高、波束宽度窄，具有较强的抗干扰能力、结构简单可靠性强。它不仅体积小、重量轻、使用方便，而且能够在低频段获得良好的阵处理增益和理想的波束宽度，可以大大提高水声探测系统的技术水平。 

附图说明

图1是矢量阵接收系统结构示意图； 

图2是单个矢量阵元结构示意图； 

图3是矢量阵元安放示意图； 

图4是单个滤波放大电路单元示意图； 

图5是信号采集单元结构示意图； 

图6是多极子矢量阵波束形成图。 

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更详细地描述： 

它包括9个矢量阵元、圆柱形耐压阵体及上下盖板、27路信号放大滤波电路单元、1套信号采集单元和1块供电电池单元以及连接导线。所述的每个矢量阵元由两只独立的振动传感器和一只压电圆环组成，两只振动传感器呈十字正交放置于压电圆环中心处，再采用低密度复合材料将二者灌注在一起，并包覆聚氨酯材料外壳。9个矢量阵元在圆柱形阵体上盖板 上排成3x3平面阵型，每个阵元的声中心间距120mm，阵元上有Ｏ型圈凹槽，采用Ｏ型圈将阵元与阵体上盖板之间水密，并用螺栓固定。27路信号放大滤波电路单元、1套信号采集单元和1块供电电池单元以及连接导线置于圆柱形阵体内部的两层隔板上，其中上隔板按顺序排放27路信号放大滤波电路，下隔板中心处放置供电电池1块、周边放置信号采集单元1套。信号采集单元包括32路采集卡一块、控制卡1块、交换机1个、存储硬盘1块。存储数据读出端口、蓄电池充电端口均置放在圆柱形阵体的下盖板上，并以密封盖保护。 

本发明提出了一种将矢量阵元器件与圆柱形耐压阵体一体设计的新型水下矢量接收阵。设计中矢量阵元与基阵密封壳体之间无连接线缆，几乎灌注在一起，大大减少了由于电缆传输带来的干扰，以及阵体结构的不稳定和布放的操控难度，从而可以提高系统整体声学性能和技术指标，提高其工程应用中的可靠性。另外，矢量阵元的低噪声放大电路采用单路封装形式，也大大提高了系统的抗电噪声干扰的能力。 

本发明的基本理论依据是： 

在平面波自由场中，对于一个9基元的矢量阵来说（如图1所示），通过不同基元之间的组合能形成多极子矢量接收阵。以阵中心5号基元作为参考基元，则不同基元所接收到的信号相对于参考基元来说其表达式如下： 

1、各个基元声压通道接收的信号如下 

2、偶极子指向性为各个基元矢量通道的指向性； 

3、四极子的指向性可以通过各个基元的矢量通道以两种组合形式得到： 

A：1-2,2-3,4-5,5-6,7-8,8-9 

其指向性因数为：

B：1-4,4-7,2-5,5-8,3-6,6-9 

其指向性因数为：

以此类推，通过9个基元不同矢量通道组合形式最后能形成一个总的波束表达式： 

本发明的提供的小尺度窄波束平面矢量接收阵由9个矢量阵元1，圆柱形耐压壳体2及 上盖板3、下盖板4,27路信号放大滤波电路单元5，1套信号采集单元6和1块供电电池单元7以及连接导线输出电缆组成，其结构示意图如图2所示。 

其中，每个矢量阵元由两只独立的振动传感器1a和一只压电陶瓷圆环1b组成，如图3所示。其具体的实施方式是，首先两只振动传感器呈十字正交放置，利用低密度复合材料1c将二者灌注在一起。然后将灌注好的振动传感器安装在骨架1d的中心处，在骨架内部填充填充物1e。压电陶瓷圆环1b经过去耦隔振处理固定在骨架1d的中心处，最后在其外部灌封聚氨酯材料外壳1f，这样就形成了单个矢量阵元。每个阵元的声中心间距120mm，阵元上有O型圈凹槽1g，采用O型圈1h将阵元与阵体上盖板之间水密，并用螺栓1i固定。 

9个矢量阵元在圆柱形阵体上盖板3上排成3×3平面阵型，如图4所示，通过螺栓固定安放在上盖板上。存储数据读出端口10、蓄电池充电端口11和吊环13均置放在圆柱形阵体的下盖板4上，并以密封盖密封保护。 

上盖板3、下盖板4和圆柱形耐压壳体2通过圆柱形耐压壳体上的O型凹槽中的O型圈12进行密封。 

27路信号放大滤波电路单元5、1套信号采集单元6和1块供电电池单元7以及连接导线置于圆柱形阵体内部的两层隔板上，其中上隔板8按顺序排放27路信号放大滤波电路5，下隔板9中心处放置供电电池7一块，周边放置信号采集单元6一套。 

其中27路信号放大滤波电路单元5中的每一路电路由若干运算放大器5a、电阻5b、电容5c等组成，见图5所示。 

信号采集单元6包括32路采集卡一块6a、控制卡6b一块、交换机6c一个、存储硬盘6d一块，见图6所示。 

目前该多极子矢量接收系统的能形成的波束图如图6所示。 

Claims (2)

1.一种平面多极子矢量接收阵系统，包括9个矢量阵元、圆柱形耐压阵体及上下盖板、27路信号放大滤波电路单元、1套信号采集单元和1块供电电池单元以及连接导线，其特征是：9个矢量阵元在圆柱形阵体上盖板上排成3x3平面阵型，采用Ｏ型圈将阵元与阵体上盖板之间水密，并用螺栓固定，27路信号放大滤波电路单元、1套信号采集单元和1块供电电池单元以及连接导线置于圆柱形阵体内部，整体系统无电缆输出。

2.根据权利要求1所述的一种平面多极子矢量接收阵系统，其特征是：所述的矢量阵元由两只独立的振动传感器和一只压电圆环组成，两只振动传感器呈十字正交放置于压电圆环中心处，再采用低密度复合材料将二者灌注在一起，并包覆聚氨酯材料外壳，阵元与基阵之间无连接线缆。