CN110988850B - 一种基于目标散射的换能器指向性测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于目标散射的换能器指向性测量方法及其装置。该方法根据标准目标的声散射性质，结合发射声信号、接收声信号以及换能器本身的性质，可以得出换能器的指向性与受接收声信号的作用，在换能器两端产生的电信号的幅值之间的关系，并由此探究并研制出了一种无源接收的换能器指向性测量装置，该装置由信号发生器、功率放大器、滤波器、信号采集器、测量处理器、运动装置以及标准目标等组成。本发明打破了原有方法必须使用有源设备，对换能器的指向性进行测量的思维模式。该方法及其装置的信号接收与发射都在同一平台进行，具有操作简单、便于外场试验等特点。

Description

一种基于目标散射的换能器指向性测量方法及装置

技术领域

本发明涉及水声换能器校准测试领域，主要是一种基于目标散射的换能器指向性测量方法及装置。

背景技术

换能器的指向性是指当换能器的线度与它所在的介质中的声波波长可以相比时，它发射的声能将集中在某些方向上。换能器的指向性常用于声呐设备的发射波束形成与接收波束形成，其在水中目标探测、跟踪与识别中起到了至关重要的作用。为保障声呐设备工作的准确性与可靠性，必须要对换能器的指向性进行测量与校准。

换能器指向性的测量方法主要有标准水听器法与激光法。标准水听器法是在同一水平面上，通过旋转换能器(或移动标准水听器)，记录不同角度下接收信号的开路电压，将记录的数据归一化即可得到换能器的指向性图，这种方法操作与原理都比较简单，是目前最常见的测量方法；激光法是利用激光测振仪测量反光膜片上的振速，获得声场中质点振速的幅值和相位信息，然后通过理论推算即可得到换能器的指向性图，该方法测量时对于声场的扰动较小，适合用于测量高频换能器的指向性。这两种方法都利用了有源设备：标准水听器与激光测振仪，在设备条件匮乏时将无法对换能器的指向性进行测量，而且在湖、海试验时，工程实现比较复杂。而国外早就有人使用球体的散射性质测量主动声呐的等效波束宽度，本发明在这种方法的基础之上，结合换能器的性质，探究出一种不需要有源设备的测量方法。该方法是基于目标散射性质，将目标代替有源设备，利用换能器接收从目标处返回的回波，然后，通过计算得到换能器的指向性。这种方法，信号的接收与发射都在同一平台，可方便地进行信号的采集与处理，比较适合在湖、海试验中使用；同时，该方法也能够测量出换能器指向性函数的主瓣。而换能器辐射的能量90％都集中在下降6dB的波束范围内即主瓣范围内，因此，这种测量方法能够满足常规的工程应用。

发明内容

针对换能器指向性测量需要有源接收设备的问题，本发明提供一种基于目标散射的换能器指向性测量方法及装置。

本发明的目的是通过如下技术方案来完成的。一种基于目标散射的换能器指向性测量装置，该换能器指向性测量装置主要包括信号发生器、功率放大器、滤波器、信号采集器、测量处理器、运动装置、待测换能器以及标准目标，所述的待测换能器和标准目标设置在水池中的同一入水深度并使得标准目标位于方向上；其中，信号发生器产生特定频率的正弦脉冲信号，经由功率放大器进行功率放大后，加载在待测换能器的两端，驱动待测换能器发射声信号；发射声信号在水中传播，遇到/>方向上的标准目标后产生散射声信号，散射声信号在水中传播后使得待测换能器两端产生电信号，电信号的幅值为/>电信号经滤波器进行滤波处理后，由信号采集器进行AD采样，并将采集的电信号输送给测量处理器；待测换能器上设置有运动装置，通过调节运动装置，使待测换能器与标准目标的之间的/>方向发生改变，直至测量完所有的考察方向。

作为优选，所述的运动装置具备调节升降、平移、回旋和俯仰的功能，且升降与平移的重复定位精度优于0.1mm，回旋与俯仰的重复定位精度优于0.1°。

作为优选，所述的功率放大器具备阻抗匹配的功能，其输出功率要高于100W。

作为优选，所述的电信号幅值需要在同一个位置处，至少对受接收声信号的作用，在待测换能器两端产生的电信号进行三次AD采样，取其平均值作为/>

作为优选，所述的标准目标的形状为球形，而且材质需要均匀。

作为优选，所述的待测换能器为圆面活塞型换能器。

本发明同时提供了基于目标散射的换能器指向性测量方法，该方法包括如下步骤：

1、测量标准目标和待测换能器的入水深度，调节标准目标或待测换能器的入水深度，使两者保持在同一入水深度，移动待测换能器使得待测换能器与标准目标坐落在彼此的远场距离外，利用卷尺测量两者之间的距离；

2、将信号发生器的波形模式设置为正弦脉冲，经由功率放大器进行功率放大后，加载在待测换能器的两端，驱动待测换能器发射声信号；发射声信号在水中传播，遇到方向上的标准目标后产生散射声信号，散射声信号在水中传播后使得待测换能器两端产生电信号，电信号的幅值为/>电信号经滤波器进行滤波处理后，由信号采集器进行AD采样，并将采集的电信号输送给测量处理器；待测换能器上设置有运动装置；

3、通过调节运动装置，使待测换能器与标准目标的之间的方向发生改变，此时，再执行步骤2的操作；

4、重复步骤3操作，直至测量完所有的考察方向，最终测量处理器将所有采集到的电信号按照下式进行处理，得到换能器的指向性

在换能器两端产生的电信号的幅值的关系如下：

式中，θ表示考察方向与z轴的夹角；表示考察方向在xoy平面上的投影线与x轴的夹角；/>表示考察方向上所有电压幅值中的最大值；/>方向即为标准目标在直角坐标系中的方向。

本发明的有益效果为：本发明打破了原有方法必须使用有源设备，对换能器的指向性进行测量的思维模式，利用换能器自发自收的方式对其指向性进行测量。该方法及其装置的信号接收与发射都在同一平台进行，具有操作简单、便于外场试验等特点。

附图说明

图1为换能器指向性测量装置原理图；

图2-图5为220kHz频率利用标准目标测得换能器的指向性与仿真示意图。

图中(a)标准目标为直径25mm钨钢球、(b)标准目标为直径38mm钨钢球、(c)标准目标为直径45mm铜球、(d)标准目标为直径50mm铜球。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做详细的介绍：

本发明根据标准目标的声散射性质，结合发射声信号、接收声信号以及换能器本身的性质，可以得出换能器的指向性与接收声信号的作用，在换能器两端产生的电信号的幅值/>的关系如下：

式中，θ表示考察方向与z轴的夹角；表示考察方向在xoy平面上的投影线与x轴的夹角(以换能器的声中心建立空间直角坐标系，z轴表示声轴方向)；/>表示考察方向上所有电压幅值中的最大值；/>方向即为标准目标在直角坐标系中的方向；由此，该换能器指向性测量装置主要包括信号发生器1、功率放大器2、滤波器3、信号采集器4、测量处理器5、运动装置6、待测换能器8以及标准目标7，所述的标准目标7的形状为球形，而且材质需要均匀，所述的待测换能器8和标准目标7设置在水池中的同一入水深度并使得标准目标7位于/>方向上；其中，所述的运动装置6具备调节升降、平移、回旋和俯仰的功能，且升降与平移的重复定位精度优于0.1mm，回旋与俯仰的重复定位精度优于0.1°。所述的功率放大器2具备阻抗匹配的功能，其输出功率要高于100W。信号发生器1产生特定频率的正弦脉冲信号，经由功率放大器2进行功率放大后，加载在待测换能器8的两端，驱动待测换能器8发射声信号；发射声信号在水中传播，遇到/>方向上的标准目标7后产生散射声信号，散射声信号在水中传播后使得待测换能器8两端产生电信号，电信号的幅值为/>电信号经滤波器3进行滤波处理后，由信号采集器4进行AD采样，并将采集的电信号输送给测量处理器5；待测换能器8上设置有运动装置6，通过调节运动装置6，使待测换能器8与标准目标7的之间的/>方向发生改变，直至测量完所有的考察方向。所述的电信号幅值/>需要在同一个位置处，至少对受接收声信号的作用，在待测换能器8两端产生的电信号进行三次AD采样，取其平均值作为/>

本发明同时提供了一种基于目标散射的换能器指向性测量方法，该方法包括如下步骤：

1、测量标准目标7和待测换能器8的入水深度，调节标准目标7或待测换能器8的入水深度，使两者保持在同一入水深度；

2、将信号发生器的波形模式设置为正弦脉冲，经由功率放大器2进行功率放大后，加载在待测换能器8的两端，驱动待测换能器8发射声信号；发射声信号在水中传播，遇到方向上的标准目标7后产生散射声信号，散射声信号在水中传播后，到达换能器表面，此时的散射声信号即为接收声信号，该声信号作用在换能器表面使得待测换能器8两端产生电信号，电信号的幅值为/>电信号经滤波器3进行1/3oct滤波处理后，由信号采集器4进行AD采样，并将采集的电信号输送给测量处理器5；待测换能器8上设置有运动装置6；

3、通过调节运动装置6，使待测换能器8与标准目标7的之间的方向发生改变，此时，再执行步骤2的操作；

4、重复步骤3操作，直至测量完所有的考察方向，最终测量处理器5将所有采集到的电信号按照下式进行处理，得到换能器的指向性

在换能器两端产生的电信号的幅值的关系如下：

式中，θ表示考察方向与z轴的夹角；表示考察方向在xoy平面上的投影线与x轴的夹角；/>表示考察方向上所有电压幅值中的最大值；/>方向即为标准目标在直角坐标系中的方向。

实施例：

测量装置原理图如图1所示，待测换能器8安装在带回旋与升降的运动装置6之上，选用的待测换能器8为圆面活塞型换能器，辐射面直径为35mm。由于待测换能器8的辐射面具有完全的轴对称性，所以xoy和xoz以及过x轴的任意角和定向平面中的指向性函数/>无关，仅是θ的函数，即测试时可只测xoy平面内的指向性D(θ)。

待测换能器8指向性测量的具体实施过程如下：

a)按图1所示的方式连接测量设备

测量标准目标7和待测换能器8的入水深度，调节标准目标7(分别为直径25mm的钨钢球、直径38mm的钨钢球、直径45mm的铜球、直径50mm的铜球)或待测换能器8的的入水深度，使两者保持在同一入水深度，移动待测换能器8使得待测换能器8与标准目标7坐落在彼此的远场距离外，利用卷尺测量两者之间的距离；

b)将信号发生器1的波形模式设置为正弦脉冲，频率为220kHz，正弦波个数数为20，脉冲周期为10ms；

c)将调节功率放大器2的阻抗匹配旋钮，观察信号采集器4上的波形，选择最佳的阻抗匹配档位；

d)在信号采集器4上寻找受接收声信号的作用，在待测换能器8两端上产生的电信号A，并上下、左右并旋转调节运动装置6，观察电信号幅值的变化，将该电信号幅值最大的点作为原点；

e)以一定的角度步长按同一个方向旋转运动装置，记录电信号A的幅值，每一处位置记录A的幅值，直至无法辨别出电信号A；

f)将运动装置回归原点，反方向旋转运动装置，重复步骤e)；

g)测量处理器5将每一处测量的电信号A的幅值取平均值，并代入指向性计算公式，绘制出换能器的指向性图。

图2是利用不同直径的标准目标测得换能器的指向性与仿真对比图。由图可见，测量的指向性主瓣与理论计算的主瓣基本一致，因此，利用该装置测量换能器指向性是正确、可行的。

可以理解的是，对本领域技术人员来说，对本发明的技术方案及发明构思加以等同替换或改变都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于目标散射的换能器指向性测量装置，其特征在于：该换能器指向性测量装置主要包括信号发生器(1)、功率放大器(2)、滤波器(3)、信号采集器(4)、测量处理器(5)、运动装置(6)、待测换能器(8)以及标准目标(7)，所述的待测换能器(8)和标准目标(7)设置在水池中的同一入水深度并使得标准目标(7)位于方向上；其中，信号发生器(1)产生特定频率的正弦脉冲信号，经由功率放大器(2)进行功率放大后，加载在待测换能器(8)的两端，驱动待测换能器(8)发射声信号；发射声信号在水中传播，遇到/>方向上的标准目标(7)后产生散射声信号，散射声信号在水中传播后使得待测换能器(8)两端产生电信号，电信号的幅值为/>电信号经滤波器(3)进行滤波处理后，由信号采集器(4)进行AD采样，并将采集的电信号输送给测量处理器(5)；待测换能器(8)上设置有运动装置(6)，通过调节运动装置(6)，使待测换能器(8)与标准目标(7)的之间的/>方向发生改变，直至测量完所有的考察方向。

2.根据权利要求1所述的基于目标散射的换能器指向性测量装置，其特征在于：所述的运动装置(6)具备调节升降、平移、回旋和俯仰的功能，且升降与平移的重复定位精度优于0.1mm，回旋与俯仰的重复定位精度优于0.1°。

3.根据权利要求1所述的基于目标散射的换能器指向性测量装置，其特征在于：所述的功率放大器(2)具备阻抗匹配的功能，其输出功率要高于100W。

4.根据权利要求1所述的基于目标散射的换能器指向性测量装置，其特征在于：所述的电信号幅值需要在同一个位置处，至少对受接收声信号的作用，在待测换能器(8)两端产生的电信号进行三次AD采样，取其平均值作为/>

5.根据权利要求1所述的基于目标散射的换能器指向性测量装置，其特征在于：所述的标准目标(7)的形状为球形，而且材质需要均匀。

6.根据权利要求1所述的基于目标散射的换能器指向性测量装置，其特征在于：所述的待测换能器(8)为圆面活塞型换能器。

7.一种采用如权利要求1所述的基于目标散射的换能器指向性测量装置的测量方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：

(1)、测量标准目标(7)和待测换能器(8)的入水深度，调节标准目标(7)或待测换能器(8)的入水深度，使两者保持在同一入水深度；

(2)、将信号发生器的波形模式设置为正弦脉冲，经由功率放大器(2)进行功率放大后，加载在待测换能器(8)的两端，驱动待测换能器(8)发射声信号；发射声信号在水中传播，遇到方向上的标准目标(7)后产生散射声信号，散射声信号在水中传播后使得待测换能器(8)两端产生电信号，电信号的幅值为/>电信号经滤波器(3)进行滤波处理后，由信号采集器(4)进行AD采样，并将采集的电信号输送给测量处理器(5)；待测换能器(8)上设置有运动装置(6)；

(3)、通过调节运动装置(6)，使待测换能器(8)与标准目标(7)的之间的方向发生改变，此时，再执行步骤(2)的操作；

(4)、重复步骤(3)操作，直至测量完所有的考察方向，最终测量处理器(5)将所有采集到的电信号按照下式进行处理，得到换能器的指向性

在换能器两端产生的电信号的幅值的关系如下：

式中，θ表示考察方向与z轴的夹角；表示考察方向在xoy平面上的投影线与x轴的夹角；/>表示考察方向上所有电压幅值中的最大值；/>方向即为标准目标在直角坐标系中的方向。