CN110132396A - 一种基于望远系统的高灵敏度水下声波探测装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于望远系统的高灵敏度的水下声波探测装置和方法，属于声学探测领域。该方法引入望远系统对水下超声信号进行聚焦，以提高水下声波探测器的灵敏度。具体通过望远系统对被测声信号进行聚焦，在其焦点位置，声压得到增强。当传统水下声波探测器的声敏感单元被放置在望远系统的焦点位置时，可以大大提高其声灵敏度。本方法原理简单，原则上适用于任何形式的水下声波探测器。

Description

一种基于望远系统的高灵敏度水下声波探测装置和方法

技术领域

本发明属于超声探测领域，特别涉及一种基于望远系统的高灵敏度水下声波探测装置和方法。

背景技术

与其它物理场相比，声波在水中传播方向性好，衰减较小，传输距离最远。因此，声信号能够作为获取水下信息的有效载体，并利用其进行远距离的信息和能量传输。水下声波探测器(也称水听器)通过将声振动转化成电信号，经过对电信号的处理可以解调得到声信号的信息。水听器对开发水下应急救援及沉船打捞设备、进行水下通信以及研究海洋物理、深海勘探、水下导航等领域具有重要意义。

传统的水听器按照分类具有压电型、动圈式、压阻型、磁致伸缩型和光纤型。当声波打在压电型水听器的压电材料上时，压电材料在声压的作用下其电信号会发生改变，解调系统再对电信号进行解调还原声信号；当有声波作用在动圈式水听器的传感头上时，线圈在磁场中切割磁感线，并产生感应电流，实现声信号到电信号转换；当水声信号作用在压阻型水听器上时，声压会使弹性元件产生变形，检测元件再把形变转化为电信号；磁致伸缩型水听器的原理和压电型相似；光纤水听器的工作原理是待测声压信号对光纤的传光特性产生影响，对光纤中的相位、频率、光波强度、偏振态等进行调制，再通过解调系统还原水声信号。

声波在水下远距离传输过程中，总不可避免存在能量的损失，造成信号强度锐减，尤其是随着安静型潜艇的出现，对弱信号及远距离目标的探测日趋重要。为此，科学家们提出了多种手段提高水听器的灵敏度，包括水听器阵、增敏封装、光纤激光水听器等，甚至近年来光纤水听器得到越来越多的重视和应用也与其高灵敏度密切相关。但是现有提高水听器灵敏度的方法只针对水听器的结构和类型进行改进，并未对声信号进行处理。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种基于望远系统的高灵敏度水下声波探测装置和方法，将望远系统用于水听器中，利用望远系统对声波的聚焦特性实现信号的增强，提高水听器对弱声信号的探测能力，以期在所有现有提高灵敏度的方法之上，进一步增强信号，实现更高灵敏度的水下声波探测。

本发明采用的技术方案是：

一种基于望远系统的高灵敏度水下声波探测装置，所述装置包括：

望远系统：对被测声信号进行聚焦，使得到达声波探测器声敏感单元的声压得到增强；

水下声波探测器：对望远系统焦点处的声波进行探测。

进一步地，所述的声波探测器的声敏感单元置于超声望远系统的焦点处。

进一步地，望远系统为卡塞格林系统，或者伽利略望远系统。

进一步地，所述水下声波探测器为马赫-曾德尔型光纤水听器、迈克尔逊干涉型光纤水听器、压电型水听器、动圈型水听器或压阻型水听器。

基于望远系统的高灵敏度水下声波探测装置使用步骤如下：

1)将声波探测器的声敏感单元置于望远系统的焦点处；

2)将望远系统与声波探测器封装在一起；

3)调整望远系统的方位角，使之对准被测信号的传播方向；

4)探测器对望远系统焦点处的水声信号进行采集，并实现信号的复原。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明不改变声敏感单元结构的条件下，通过对声信号聚焦提高声压，从而提高水听器灵敏度。

(2)本发明原理简单易实现，成本较低。

附图说明

图1为本发明探测装置构成示意图；

图2为本发明一实施例的探测装置构成示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式详细介绍本发明。

如图2所示，本实施示例的一种基于卡塞格林望远系统的高灵敏度马赫-曾德干涉型光纤水听器探测装置，

激光器，用于产生频率稳定的激光束；

耦合器1，用于对激光器发出的光进行分束，使之分别进入信号臂和参考臂；

信号臂光纤，将水声振动转化为光纤内激光的相位变化；

参考臂光纤，光纤内激光不受水声振动的影响，为参考光；

耦合器2，将从信号臂和参考臂出射的激光耦合到探测器；

探测器，采集得到信号光和参考光的干涉光强，并对其进行解调得到水声信号；

望远系统，对被测超声信号进行聚焦，使得到达信号臂声敏感单元的声压得到增强；

本发明装置的测量过程和检测步骤如下：

第一步：将声波探测器信号臂上的声敏感单元置于望远系统的焦点处。

第二步：将望远系统与信号臂封装在一起。

第三步：将望远系统对准信号来的方向。

第四步：打开激光器，探测器探测得到信号光和参考光的干涉光强，并解调得到二者的相位差。

第五步：从相位差复原得到被测声信号。

该方法装置结构简单，搭建容易，望远系统包含但不限于卡塞格林系统，其他望远系统如伽利略系统等同样适用，水听器包含但不限于马赫-曾德尔干涉型光纤水听器，其他水听器类型如迈克尔逊干涉型光纤水听器、压电型水听器、动圈型水听器以及压阻型水听器等同样适用。在现有的各式各样提高水听器灵敏度的方法之上，都可以继续运用本方法使得灵敏度进一步提高，为水下弱声信号的探测提供了一种有效手段。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内的局部修改或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内。

Claims (5)

1.一种基于望远系统的高灵敏度水下声波探测装置，其特征在于，所述装置包括：

望远系统：对被测声信号进行聚焦，使得到达声波探测器声敏感单元的声压得到增强；

水下声波探测器：对望远系统焦点处的声波进行探测。

2.如权利要求1所述的一种基于望远系统的高灵敏度水下声波探测装置，其特征在于，所述的声波探测器的声敏感单元置于超声望远系统的焦点处。

3.如权利要求1所述的一种基于望远系统的高灵敏度水下声波探测装置，其特征在于，望远系统为卡塞格林系统或伽利略望远系统。

4.如权利要求1所述的一种基于望远系统的高灵敏度水下声波探测装置，其特征在于，所述水下声波探测器为马赫-曾德尔型光纤水听器、迈克尔逊干涉型光纤水听器、压电型水听器、动圈型水听器或压阻型水听器。

5.一种基于望远系统的高灵敏度水下声波探测方法，利用权利要求1-4任一项所述的基于望远系统的高灵敏度水下声波探测装置，其特征在于：步骤如下：

1)将声波探测器的声敏感单元置于望远系统的焦点处；

2)将望远系统与声波探测器封装在一起；

3)调整望远系统的方位角，使之对准被测信号的传播方向；

4)探测器对望远系统焦点处的水声信号进行采集，并实现信号的复原。