CN106289507A - 低噪声矢量水听器 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种低噪声矢量水听器。包括水下敏感探头(1)、导线(3)、密封壳体(4)、安装基座(6)、调理仓(7)、调理电路(8)以及电缆(9)，水下敏感探头(1)通过内部减振结构(2)与密封壳体(4)相连接，密封壳体(4)与安装基座(6)之间设置第一密封圈(5)，调理电路(8)安装在调理仓(7)中，调理仓(7)与安装基座(6)之间设置第二密封圈，经过调理电路放大滤波调理后的信号经由电缆(9)传出。本发明有效地降低了来自矢量水听器内部的自噪声、提高了对来自外部的振动和电与电磁以及声的干扰的抵抗能力，从而使低噪声矢量水听器的等效自噪声加速度谱级达到最低水平，能够满足对水下声场弱信号的拾取需求。

Description

低噪声矢量水听器

技术领域

本发明涉及的是矢量水听器，具体地说是一种低噪声矢量水听器。

背景技术

近年来，随着水下目标辐射噪声的降低，有些甚至低于零级海况，目标的远程探测变得更加困难。虽然借助弱信号处理手段可以获得一定的信噪比，将淹没在海洋环境下的信号检出，但是，如果水听器的自噪声高于接收信号的量级，那么信号将会完全淹没到器件噪声中。截至目前，没有一种可靠的方法可以在该条件下将信号检出。因此，水听器的自噪声对于声纳系统来说尤为重要，它是决定声纳系统性能的一个关键指标。

对于声压水听器来说，早在1962年，美国人R.S.Woollett就分析了前置放大器占主导地位的水听器本底噪声；1977年，J.W.Young又对压电陶瓷水听器的噪声模型进行了完善，他提出了利用信噪比恶化因数(Signal-to-Noise Degradation Factor)表征水听器的本底噪声，并考虑了压电材料噪声、指向性、换能器与前置放大器匹配以及电缆带来的噪声，同时计算了电荷放大器的噪声，至此建立了比较完善的声压水听器噪声模型。同时，在实际应用上，多种商用声压水听器的自噪声均可在一定频段内以低于零级海况，例如丹麦公司的水听器8106，丹麦RESON公司的水听器TC4032以及美国海军研究实验室下属的水声标准部(Underwater Sound Reference Detachment)生产的低噪声水听器H56，满足了传统声纳系统对于声压水听器低噪声的要求。

相比于只能测量水中声压量的声压水听器，矢量水听器可以同时、共点的拾取水中的声压和质点振速或加速度信息，因此近年来矢量水听器发展迅速：各种不同类型的矢量水听器，以及基于矢量水听器的矢量阵列及信号处理方法层出不穷，为提高声纳设备的性能提供了良好的基础。对于用于目标探测的被动声纳系统来说，虽然采用声压水听器作为声接收器，接收器自噪声可以降到零级海况以下，但是，若要发挥矢量阵列的优势，需要使用矢量水听器作为声接收器，因此，矢量水听器的自噪声指标变的尤为重要，其自噪声的高低直接决定了声纳系统性能的优劣。

1991年，美国人T.B.Gabrielson发表了关于声与振动传感器的自噪声分析报告；2004年，F.A.Levinzon阐述了压电加速度计的本底噪声模型，并在2012年发明了超低噪声地震检波器。以上文献及成果虽然对声与振动传感器的噪声理论及应用都做了较为完善的阐述，但都没有涉及矢量水听器，且并不是针对水声工程领域所做的研究，因此参考价值一般。2014年，哈尔滨工程大学水声工程学院的方尔正对MEMS型矢量水听器的自噪声进行了理论分析，并给出了零级海况下航运稀少和航运中等条件下矢量水听器的自噪声要求。但是，对于矢量水听器在低噪声设计及制作方面，经查阅国内外文献，均没有发现相应内容，也未见低噪声矢量水听器相关实物的报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够有效降低来自矢量水听器内部的自噪声的低噪声矢量水听器。

本发明的目的是这样实现的：

包括水下敏感探头1、导线3、密封壳体4、安装基座6、调理仓7、低噪声调理电路8以及电缆9，所述的水下敏感探头1通过内部减振结构2与密封壳体4相连接，密封壳体4与安装基座6之间设置第一密封圈5，所述调理电路8安装在调理仓7中，调理仓7与安装基座6之间设置第二密封圈，经过调理电路放大滤波调理后的信号经由电缆9传出。

本发明还可以包括：

1、所述水下敏感探头1由敏感器件1a、支撑基座1b、空气间隙1c、敏感器件保护壳1d、信号线1e以及信号线固定基座1f构成，敏感器件1a通过支撑基座1b连接到敏感器件保护壳1d上，敏感器件1a送出的信号线1e通过信号线固定基座1f固定到敏感器件保护壳1d上。

2、所述敏感器件1a由中心支撑结构1b、压电圆片1f、电极1g和信号线1e组成。压电圆片1f为环形结构，上中下三片电极1g也是环形结构，中心支撑结构1b依次交替穿过电极1g和压电圆片1f，电极1g和压电圆片1f使用导电胶粘接；信号通过上下电极1g从信号线1e导出。

3、各通道调理电路布置在一个调理仓7中，每一通道调理电路8分别封装在独立金属外壳中，所述调理电路8由屏蔽外壳8a、前放单元8b、带通滤波单元8c及输入输出端子8d组成，屏蔽外壳8a固定安装在安装基座6上，每一通道输出的信号经过输入输出端子8d连接电缆9传出。

4、所述电缆由双绞独立屏蔽信号线和独立屏蔽电源线以及总屏蔽线组成。

本发明提供了一种能够在20-200Hz频率范围内、在水下声场中获取到(0.1～1)μg@100Hz质点加速度信息的低噪声矢量水听器。

本发明的低噪声矢量水听器包括水下敏感探头、低噪声电信号调理电路、低噪声信号传输电缆以及减振安装部件等。水下敏感探头由敏感器件、支撑基座、空气间隙、敏感器件保护壳以及线缆、内部减震结构和密封壳体、基座等组成；低噪声电信号调理电路由低噪声前置放大器和带通滤波器组成；低噪声信号传输电缆由低噪声双绞独立屏蔽线和两根电源线以及总屏蔽线等组成；减振安装部件由减震垫和减震隔离护套等组成。

本发明的基本理论是依据同振柱形矢量水听器工作原理，即：若刚性柱体的几何最大线性尺寸L远远小于波长，即kL<<1，则其在水中声波作用下作自由运动时，刚硬柱体的振动速度幅值V与声场中柱体几何中心处水质点的振动速度幅值V₀之间存在以下关系：

$V=\frac{2{\mathrm{\&rho;}}_0}{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&rho;}}+\mathrm{\&rho;}}{V}_0---\left(1\right)$

其中：ρ₀为水介质密度，为刚硬柱体的平均密度，k为波数。由公式(1)可知，当刚性柱体的平均密度等于水介质密度ρ₀时，其振动速度幅值V与声场中柱体几何中心处水质点的振动速度幅值V₀相同。

本发明采用压电加速度计作为敏感器件，其噪声是由等效机械热噪声和电子热噪声两部分组成。其中，压电加速度计是质量-弹簧系统构成的机械振动系统，机械阻抗由于布朗运动产生的热噪声为等效机械热噪声；而电子热噪声是由压电晶体材料自身的损耗引起的。

$e_{nm}={\mathrm{\&alpha;}}_{nm}{V}_{PE}=\sqrt{4k_B{\mathrm{Tr}}_m}---\left(2\right)$

其中，e_nm是等效机械热噪声谱密度，单位是为等效噪声加速度谱密度，单位是是电压灵敏度，单位是V/g。r_m为等效机械阻抗，k_B＝1.38×10^-23J/K是玻尔兹曼常数，T是绝对温度，单位是K。

同样地，r_e是由于压电材料损耗引起的电子热噪声部分的等效电阻，a_ne是由电子热噪声引起的等效噪声加速度谱密度，单位是

$e_{ne}=a_{ne}{V}_{PE}=\sqrt{4k_B{\mathrm{Tr}}_e}---\left(3\right)$

由于机械热噪声与电子热噪声产生的机理不同，所以两者不相关。因此，压电加速度计的开路输出噪声电压谱密度e_nPE可以写成两种类型噪声谱密度叠加的形式：

$\begin{array}{c}{e}_{nPE}=a_{nPE}{V}_{PE}=\sqrt{{e_{nm}}^2+{e_{ne}}^2}=\\ V_{PE}\sqrt{{a_{nm}}^2+{a_{ne}}^2}\end{array}---\left(4\right)$

$a_{nPE}=\sqrt{{a_{nm}}^2+{a_{ne}}^2}---\left(5\right)$

其中，a_nPE是压电加速度计总的等效噪声加速度谱密度，单位是

本发明通过理论设计，确保压电加速度计和调理电路的总噪声加速度谱级达到最低水平，有效地降低了来自矢量水听器内部的自噪声。同时，通过对减振结构和矢量水听器内部电缆布线的设计，提高了对来自外部的振动和电与电磁以及声的干扰的抵抗能力，从而使低噪声矢量水听器的等效自噪声加速度谱级达到最低水平，能够满足对水下声场弱信号的拾取需求。

本发明有效地降低了来自矢量水听器内部的自噪声，同时提高了对来自外部的振动和电与电磁以及声的干扰的抵抗能力，从而使低噪声矢量水听器的等效自噪声加速度谱级达到最低水平，能够满足对水下声场弱信号的拾取需求。因此，本发明可以广泛应用于水声工程各领域，满足了对低噪声矢量水听器的迫切需求，比如，水下目标的远程探测系统等。

所以本发明的优点是：1.能够获取水下声场中(0.1-1)μg@100Hz的质点加速度信息；2.获取的信号频率低，在20-200Hz频率范围内；3.抗干扰能力强。

附图说明

图1是本发明低噪声矢量水听器结构示意图；

图2是本发明水下敏感探头结构示意图；

图3是本发明的敏感器件的结构示意图；

图4是本发明的调理仓内部结构示意图；

图5是本发明的低噪声调理电路的低噪声放大单元原理图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1，本发明的低噪声矢量水听器由水下敏感探头1、内部减震结构2、导线3、密封壳体4、密封圈5、安装基座6、调理仓7、低噪声调理电路8以及低噪声电缆9等组成。所述的水下敏感探头1通过内部减振结构2与密封壳体4相连接，该结构形式可以有效降低来自外部的振动干扰，达到降低噪声的目的。密封壳体4与安装基座6之间通过密封圈5进行水密保护。所述的低噪声调理电路8安装在调理仓7中，调理仓7与安装基座6之间通过密封圈5进行水密保护。经过放大滤波调理后的信号经由电缆9传出。

同时结合图2，水下敏感探头1由敏感器件1a、支撑基座1b、空气间隙1c、敏感器件保护壳1d、信号线1e以及信号线固定基座1f组成。敏感器件1a通过支撑基座1b连接到敏感器件保护壳1d上，可以拾取来自外部的声信号；敏感器件1a送出的信号线1e通过信号线固定基座1f固定到敏感器件保护壳1d，以防止由于信号线1e抖动产生的振动干扰。

同时结合图3，敏感器件1a由中心支撑结构1b、压电圆片1f、电极1g和信号线1e组成。压电圆片1f为环形结构，上中下三片电极1g也是环形结构，中心支撑结构1b依次交替穿过电极1g和压电圆片1f，电极1g和压电圆片1f使用导电胶粘接；信号通过上下电极1g从信号线1e导出。实现矢量水听器的低噪声输出。

同时结合图4，为了可以降低通道间信号串扰，并提高屏蔽性能，每一通道低噪声调理电路8均采用金属外壳独立封装。低噪声调理电路8由屏蔽外壳8a、低噪声前放单元8b、带通滤波单元8c及输入输出端子8d组成，屏蔽外壳8a通过螺栓8e固定安装在安装基座6上，置于调理仓7内。每一通道输出的信号经过输入输出端子8d送入电缆9，并由其传出。电缆9采用低噪声电缆，其为双绞结构，由双绞单线、石墨涂层、绝缘介质、金属丝编织屏蔽及外护套组成。电源线单独双绞屏蔽，用以屏蔽电源线上的噪声对信号产生的干扰，同时配有外部总屏蔽层，以增加对外部电与电磁干扰的屏蔽效果。

同时结合图5，低噪声前放单元8b是低噪声调理电路8实现低噪声的关键单元。该单元使用两个经过匹配配对的晶体管8e，通过直流耦合的方式提供更高的电源抑制比。运算放大器8f需要使用低噪声运放，输入电阻8g尽量选择阻值较小的电阻，以便降低电阻热噪声带来的影响，但同时阻值不宜过小，否则会使输入电流过大，引入过多的电流噪声。由于输入信号为电压信号，所以晶体管8e采用双极性晶体管。

Claims (5)

1.一种低噪声矢量水听器，包括水下敏感探头(1)、导线(3)、密封壳体(4)、安装基座(6)、调理仓(7)、调理电路(8)以及电缆(9)，其特征是：所述的水下敏感探头(1)通过内部减振结构(2)与密封壳体(4)相连接，密封壳体(4)与安装基座(6)之间设置第一密封圈(5)，所述调理电路(8)安装在调理仓(7)中，调理仓(7)与安装基座(6)之间设置第二密封圈，经过调理电路放大滤波调理后的信号经由电缆(9)传出。

2.根据权利要求1所述的低噪声矢量水听器，其特征是：所述水下敏感探头(1)由敏感器件(1a)、支撑基座(1b)、空气间隙(1c)、敏感器件保护壳(1d)、信号线(1e)以及信号线固定基座(1f)构成，敏感器件(1a)通过支撑基座(1b)连接到敏感器件保护壳(1d)上，敏感器件(1a)送出的信号线(1e)通过信号线固定基座(1f)固定到敏感器件保护壳(1d)上。

3.根据权利要求2所述的低噪声矢量水听器，其特征是：所述敏感器件(1a)由中心支撑结构(1b)、压电圆片(1f)、电极(1g)和信号线(1e)组成，压电圆片(1f)为环形结构，上中下三片电极(1g)也是环形结构，中心支撑结构(1b)依次交替穿过电极(1g)和压电圆片(1f)，电极(1g)和压电圆片(1f)使用导电胶粘接；信号通过上下电极(1g)从信号线(1e)导出。

4.根据权利要求3所述的低噪声矢量水听器，其特征是：各通道调理电路布置在一个调理仓(7)中，每一通道调理电路(8)分别封装在独立金属外壳中，所述调理电路(8)由屏蔽外壳(8a)、前放单元(8b)、带通滤波单元(8c)及输入输出端子(8d)组成，屏蔽外壳(8a)固定安装在安装基座(6)上，每一通道输出的信号经过输入输出端子(8d)连接电缆(9)传出。

5.根据权利要求4所述的低噪声矢量水听器，其特征是：所述电缆由双绞独立屏蔽信号线和独立屏蔽电源线以及总屏蔽线组成。