CN106646433A - 测量水下声源声场特性的离散阵列 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量水下声源声场特性的离散阵列。现有设备无法满足实船声呐的校准，测量无法真实地评价舰船声呐性能。本发明的k个水听器线性阵列沿水密罐周向均布，水听器线性阵列包括炭纤维杆和四个水听器振源；水听器振源采集船体声呐发出的信号，经过放大电路板将信号放大后，传给滤波电路板滤掉高频信号，再通过AD转换电路将模拟信号转换成数字信号后传入基于FPGA的多通道采集存储电路板中进行处理，最后经过以太网控制器将信号传输到电脑。本发明将近场测量法运用到实际中去，解决了我国目前尚无实船声呐的校准和测量技术的问题。

Description

测量水下声源声场特性的离散阵列

技术领域

本发明属于传感器技术领域，尤其涉及一种测量水下声源声场特性的离散阵列。

背景技术

进入21世纪后，各国海军根据自身需求加强了对未来海军发展战略的论证，提出未来几十年海军装备建设的发展途径和设想，声呐系统成为重要的组成部分。从第二次世界大战开始到现在，潜艇声呐系统进入高速发展时期，我国目前已有多种水面舰和潜艇投入装备使用。这些舰艇均装备了不同类型的声呐装备，在探潜、测深、避障、探雷等方面起重要作用。舰壳声呐通过发射声波，并根据反射声波的时间延迟、方位和强度等信息实现对目标的识别和探测。因此在潜艇声呐投入到实际的应用中之前，需要对潜艇声呐的重要声学性能如声源级、指向性或波束角等指标进行测量校准。

传统的发射声源级和指向性测量方法是在实验室大水池中安装吸声尖劈来模拟海洋环境进行测量。然而近年来舰艇装备的水下探测声呐向着大尺寸、大功率的方向发展，在对其远场性能进行测量评价时，往往受到水下空间大小的限制。为解决上述声呐校准中存在的问题，引入一种新的水声测量技术——近场测量法。但是舰艇声呐系统在装备后，会受到船体本身结构的影响，声呐系统在安装过程中性能也会发生变化、声呐阵元的性能随工作温度、深度也会发生改变，为了更准确、实时掌握舰船声呐装备的性能，必须在实船状态下对声呐系统进行性能检测。在国内，目前尚无实船声呐的校准和测量技术，无法真实地评价舰船声呐的性能，对声呐装备的验收依靠对潜艇目标的探测距离确定，受环境因素的干扰较多。

发明内容

本发明的目的是针对现有设备无法满足实船声呐的校准和测量无法真实地评价舰船声呐性能的问题，基于近场测量法原理提出一种测量水下声源声场特性的离散阵列。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明包括水密罐、电池组、网线、电源控制电路板、放大电路总电路板、放大电路板、多通道采集存储传输电路板、炭纤维杆、聚氨酯和水听器线性阵列。所述的电池组与水密罐底部的四个第一定位孔通过螺栓固定；放大电路总电路板固定设置在电池组顶部，多通道采集存储传输电路板固定设置在放大电路总电路板顶部；放大电路总电路板的正反面各设有n个用于插放放大电路板的插孔，n≥16；放大电路总电路板上还设有用于将水听器振源接入放大电路板的插孔；放大电路板用杜邦线与多通道采集存储传输电路板上的滤波电路板相连；多通道采集存储传输电路板上的基于FPGA的多通道采集存储电路板通过杜邦线与电源控制电路板相连；多通道采集存储传输电路板上设有与基于FPGA的多通道采集存储电路板网络通信的网线接口；水密罐的上盖设有连接网线一端的水密接口，网线另一端插入网线接口；多通道采集存储传输电路板上设有电池插孔，电池组插入电池插孔；电源控制电路板安放在水密罐上盖，通过杜邦线与多通道采集存储传输电路板的电池插孔电连接，控制电池组的开关；水密罐的上盖装有吊环螺钉；k个水听器线性阵列沿水密罐周向均布，每个水听器线性阵列包括炭纤维杆和线性排布的四个水听器振源，k≥6，n＞2k；所述的炭纤维杆上开设等距布置的五个圆孔，外侧的四个圆孔插入四个水听器振源，最内侧的圆孔将四个水听器振源的线引出与八芯电缆一端相焊接，电缆每两芯分别连接一个水听器振源的正负极；电缆的另一端通过水密罐底部的水密头进入水密罐中，且电缆的另一端每两芯做成插头接入对应的一个放大电路板中；炭纤维杆的所有空隙用聚氨酯填满，电缆的焊接处埋入聚氨酯中；水密罐通过螺钉固定在圆柱钢板顶面，夹具通过螺钉固定在圆形钢板底面；所述夹具的两侧开设有三对通孔，其中两对通孔的中心距与炭纤维杆的外径相等；测试状态下，炭纤维杆沿圆柱钢板径向设置，夹具的一对通孔内设置一个螺栓将水听器线阵固定。

所述的水听器振源采集船体声呐发出的信号，经过放大电路板将信号放大后，传给滤波电路板滤掉高频信号，再通过AD转换电路将模拟信号转换成数字信号后传入基于FPGA的多通道采集存储电路板中进行处理，最后经过以太网控制器将信号传输到电脑；放大电路板、AD转换电路、基于FPGA的多通道采集存储电路板和太网控制器均与电源控制电路板连接，都由电池组提供电压。

所述水密罐底部的四个第二定位孔分别与一个第一长杆螺丝的底部螺纹连接，放大电路总电路板与四个第一长杆螺丝顶部的螺纹孔均通过螺栓连接；多通道采集存储传输电路板与四个第二长杆螺丝顶部的螺纹孔均通过螺栓连接，四个第二长杆螺丝的底部与水密罐底部的四个第三定位孔分别通过螺纹连接。

所述的电池组为两个。

所述的电源控制电路板设有工作档位、停止档位和充电档位。

所述AD转换电路的型号为AD7606，太网控制器的型号为DP83848，基于FPGA的多通道采集存储电路板型号为XC3S500E-4PQ208I。

本发明的有益效果是：

本发明所制作的离散阵列，将近场测量法运用到实际中去，解决了我国目前尚无实船声呐的校准和测量技术的这一问题，可以更准确的和实时的测量舰船声呐装备的各项指标性能。此外，为了避免运输麻烦，本发明设计了两种形态，使得本阵列系统更人性化。

附图说明

图1为本发明工作时的结构示意图。

图2为本发明的信号传输结构框图。

图3为本发明中放大电路板的电路图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明。

如图1和图2所示，测量水下声源声场特性的离散阵列，包括水密罐7、电池组6、网线、电源控制电路板3、放大电路总电路板5、放大电路板、多通道采集存储传输电路板4、炭纤维杆、聚氨酯和水听器线性阵列8。为了保证足够的电量供应，安装了两个电池组于水密罐内。电池组6与水密罐7底部的四个第一定位孔通过螺栓固定。在电池组顶部设置放大电路总电路板5，水密罐7底部的四个第二定位孔分别与一个第一长杆螺丝的底部螺纹连接，放大电路总电路板5与四个第一长杆螺丝顶部的螺纹孔均通过螺栓连接；放大电路总电路板5顶部设置多通道采集存储传输电路板4；多通道采集存储传输电路板4与四个第二长杆螺丝顶部的螺纹孔均通过螺栓连接，四个第二长杆螺丝的底部与水密罐7底部的四个第三定位孔分别通过螺纹连接；第一长杆螺丝和第二长杆螺丝的设置给电池组的安装节省了空间；放大电路总电路板5的正反面各设有十六个用于插放放大电路板的插孔；放大电路总电路板5上还设有用于将水听器振源接入放大电路板的插孔；放大电路板用杜邦线与多通道采集存储传输电路板4上的滤波电路板相连，实现通路。多通道采集存储传输电路板4上的基于FPGA的多通道采集存储电路板通过杜邦线与电源控制电路板3相连，基于FPGA的多通道采集存储电路板起到信号的采集与存储作用。多通道采集存储传输电路板4上设有与基于FPGA的多通道采集存储电路板网络通信的网线接口，可将信号传输到电脑中去，进行后续的数据处理。水密罐的上盖设有连接网线一端的水密接口2，可以保证罐子不会进水而罐内网线与罐外网线相通，网线另一端插入网线接口。在多通道采集存储传输电路板4上设有电池插孔，电池组6插入电池插孔；电源控制电路板3安放在水密罐上盖，通过杜邦线与多通道采集存储传输电路板4的电池插孔电连接，对电池组的开关起到控制作用；电源控制电路板3有三个档位，分别是工作档位、停止档位和充电档位，这样在安装好之后就不用反复的开启，使用起来更加方便。水密罐的上盖装有吊环螺钉1，在实际的使用过程中用绳子套在吊环螺钉1上来进行吊放，吊环螺钉1为螺钉顶部固定吊环的结构。六个水听器线性阵列8沿水密罐7周向均布，每个水听器线性阵列8包括炭纤维杆和线性排布的四个水听器振源10，水听器振源采用压电陶瓷材料。炭纤维杆使结构更加稳固，炭纤维杆上开设等距布置的五个圆孔，外侧的四个圆孔用来将圆柱形的水听器振源插入炭纤维杆中，最内侧的圆孔用来将四个水听器振源的线引出与八芯电缆一端相焊接，电缆每两芯分别对应一个水听器振源的正负极；电缆的另一端通过水密罐底部的水密头进入水密罐7中，且每两芯做成插头接入对应的一个放大电路板中。记住每两芯对应的水听器振源序号方便后续的处理。由于水听器振源的引线与八芯电缆的焊接处是裸露的，在使用中会有水从裸露处通过电缆线挤进水密罐中，因此用聚氨酯将炭纤维杆中的所有空隙填满，并将电缆的焊接处埋入聚氨酯中，起到绝水的作用，同时也将水听器振源固定。为保证水听器线阵在测量时保持在同一水平面又不影响水密罐的密封性，水密罐7通过三个螺钉固定在圆柱钢板9顶面。夹具通过螺钉固定在圆形钢板9底面，夹具的两侧开设有三对通孔，其中两对通孔的中心距与炭纤维杆的外径相等。为了实际使用方便，本发明的炭纤维杆有两种状态：运输状态、测试状态。实现的方法是：在测试状态下，炭纤维杆属于展开形式，炭纤维杆沿圆柱钢板径向设置，因此，只需要在夹具的一对通孔内设置一个螺栓即可将水听器线阵固定；而当运输状态时，炭纤维杆沿圆柱钢板轴向设置，炭纤维杆的两侧需要中心距与炭纤维杆的外径相等的两对通孔内均设置螺栓进行夹紧固定。

在工作时，船体声呐发出信号，二十四个水听器振源将信号采集过来，经过放大电路板11将信号放大后，传给滤波电路板12滤掉高频信号，再通过AD转换电路13将模拟信号转换成数字信号后传入基于FPGA的多通道采集存储电路板14中进行处理，最后经过以太网控制器15将信号传输到电脑16；AD转换电路的型号为AD7606，太网控制器的型号为DP83848，基于FPGA的多通道采集存储电路板的型号为XC3S500E-4PQ208I。放大电路板、AD转换电路、基于FPGA的多通道采集存储电路板和太网控制器均与电源控制电路板3连接，工作时所需的电压都由电池组6来提供。放大电路板的具体电路如图3所示，水听器振源采用的信号由SIN端口输入，经放大后由VOUT端输出给滤波电路板。

在近场测量法中，为得到水声换能器的辐射声场，可在距离声源一定距离处选取一个测量平面，每一个测量点对应的声压可看作一个独立的声源，由此，在整个传播方向空间的声场即这些点源传播的叠加，将等效源面上的离散点源通过积分进行计算与重建，便可以得到重建面上的声压分布。

声呐波束具有一定的范围，而离散阵的孔径有限，利用上述近场测量法将得到的声压数据正向重建便可得到声呐的远场性能，如发射声源级和指向性等。利用近场测量法推算远场性能时，希望测量点数多，声场泄露小，这样推算远场性能时精度高。但是考虑到测量效率以及测量成本，测量点数选取太多并不符合实际。故在选取测量点数以及测量面积时既要考虑测量效率也要考虑包含声场中的绝大部分声能。具体在实验过程中需要根据当时的环境条件来进行适当的选取，总体遵循以下几个原则：1、声呐装备的波束宽度大，相应的测量面积增大；2、水深变深，测量面积增大；3、测量点间隔一般要小于信号波长的三分之一。本实施例设计了6个线阵，每个线阵上有4个振源共计24个。

Claims (5)

1.测量水下声源声场特性的离散阵列，包括水密罐、电池组、网线、电源控制电路板、放大电路总电路板、放大电路板、多通道采集存储传输电路板、炭纤维杆、聚氨酯和水听器线性阵列，其特征在于：所述的电池组与水密罐底部的四个第一定位孔通过螺栓固定；放大电路总电路板固定设置在电池组顶部，多通道采集存储传输电路板固定设置在放大电路总电路板顶部；放大电路总电路板的正反面各设有n个用于插放放大电路板的插孔，n≥16；放大电路总电路板上还设有用于将水听器振源接入放大电路板的插孔；放大电路板用杜邦线与多通道采集存储传输电路板上的滤波电路板相连；多通道采集存储传输电路板上的基于FPGA的多通道采集存储电路板通过杜邦线与电源控制电路板相连；多通道采集存储传输电路板上设有与基于FPGA的多通道采集存储电路板网络通信的网线接口；水密罐的上盖设有连接网线一端的水密接口，网线另一端插入网线接口；多通道采集存储传输电路板上设有电池插孔，电池组插入电池插孔；电源控制电路板安放在水密罐上盖，通过杜邦线与多通道采集存储传输电路板的电池插孔电连接，控制电池组的开关；水密罐的上盖装有吊环螺钉；k个水听器线性阵列沿水密罐周向均布，每个水听器线性阵列包括炭纤维杆和线性排布的四个水听器振源，k≥6，n＞2k；所述的炭纤维杆上开设等距布置的五个圆孔，外侧的四个圆孔插入四个水听器振源，最内侧的圆孔将四个水听器振源的线引出与八芯电缆一端相焊接，电缆每两芯分别连接一个水听器振源的正负极；电缆的另一端通过水密罐底部的水密头进入水密罐中，且电缆的另一端每两芯做成插头接入对应的一个放大电路板中；炭纤维杆的所有空隙用聚氨酯填满，电缆的焊接处埋入聚氨酯中；水密罐通过螺钉固定在圆柱钢板顶面，夹具通过螺钉固定在圆形钢板底面；所述夹具的两侧开设有三对通孔，其中两对通孔的中心距与炭纤维杆的外径相等；测试状态下，炭纤维杆沿圆柱钢板径向设置，夹具的一对通孔内设置一个螺栓将水听器线阵固定；

所述的水听器振源采集船体声呐发出的信号，经过放大电路板将信号放大后，传给滤波电路板滤掉高频信号，再通过AD转换电路将模拟信号转换成数字信号后传入基于FPGA的多通道采集存储电路板中进行处理，最后经过以太网控制器将信号传输到电脑；放大电路板、AD转换电路、基于FPGA的多通道采集存储电路板和太网控制器均与电源控制电路板连接，都由电池组提供电压。

2.根据权利要求1所述的测量水下声源声场特性的离散阵列，其特征在于：所述水密罐底部的四个第二定位孔分别与一个第一长杆螺丝的底部螺纹连接，放大电路总电路板与四个第一长杆螺丝顶部的螺纹孔均通过螺栓连接；多通道采集存储传输电路板与四个第二长杆螺丝顶部的螺纹孔均通过螺栓连接，四个第二长杆螺丝的底部与水密罐底部的四个第三定位孔分别通过螺纹连接。

3.根据权利要求1所述的测量水下声源声场特性的离散阵列，其特征在于：所述的电池组为两个。

4.根据权利要求1所述的测量水下声源声场特性的离散阵列，其特征在于：所述的电源控制电路板设有工作档位、停止档位和充电档位。

5.根据权利要求1所述的测量水下声源声场特性的离散阵列，其特征在于：所述AD转换电路的型号为AD7606，太网控制器的型号为DP83848，基于FPGA的多通道采集存储电路板型号为XC3S500E-4PQ208I。