CN112925042A - 一种海底固定式线列阵阵元灵敏度校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种海底固定式线列阵阵元灵敏度校准方法，本发明主要由信号发射系统、信号接收系统、三角调距支撑架、机械行走机构、电控系统及数据处理系统等部分组成，信号发射系统和信号接收系统均由换能器阵列组成，连接数据处理系统，信号发射系统和信号接收系统按照顺序安装在可调整换能器阵列间距的三角调距支撑架上，跟随三角调距支撑架一起放入海底固定式线列阵管中进行半封闭的管中互易法测量，电控系统通过操作行走机构来控制三角调距支撑架的移动，在管中能实现低频范围内对海底固定式线列阵声压灵敏度的测量。本发明的优点及成果：在半封闭的海底泥沙管校准环境中应用改进了互易常数的互易法对固定式线列阵进行低频环境下的灵敏度校准，有效降低了校准的频率，较大提高了低频声压灵敏度的测量精度。

Description

一种海底固定式线列阵阵元灵敏度校准方法

技术领域

本发明涉及水声测量领域，主要是一种海底固定式线列阵阵元灵敏度校准方法。

背景技术

近年来，随着水声探测领域的不断扩展，人们越来越感到单个水听器在信号增益、分辨力、来波方向识别等方面有着较多的局限性。因此，水听器阵列逐渐得到广泛的应用。水听器阵列是指将多个水听器按照一定的方式放置在不同的空间位置上，形成固定阵型的传感器阵列。其中，最常见的形式是将水听器按照等间隔的方式排列为直线型，称为线列阵。以阵列的方式接收空间信号，相当于在对空间分布的声场信号进行时域离散采样。通过对采集信号进行波束形成等处理，可以实现水声探测的指向性控制，增强目标信息强度，抑制干扰及噪声等。

海洋环境的探测对资源信息的获取都有着重要意义，线列阵在海洋探测上发挥着越来越重要的作用。其主要内容包括目标定向、测距、测速等。根据线列阵工作时是否移动阵列位置，可将其分为拖曳式线列阵和固定式线列阵两种类型。拖曳式线列阵一般由船舶拖曳前行，可以探测较大范围的海底地质形貌和石油矿藏等资料，也可以获取鱼群行为等海洋信息。固定式线列阵一般铺设于海底，既可用于国防领域的海域监测，也可用于过往船只或者海洋生态系统特性的探究。在线列阵的使用过程中为了保证信息获取的准确性，需要定期对线列阵阵元的灵敏度进行校准。对于拖曳式线列阵的校准比较方便，可以直接对拖曳阵利用常规的各种换能器灵敏度校准方法进行校准，但是海底固定式线列阵在应用时铺设于海底，周围有着大量混合海水的泥沙，对于其校准如果采用定期取出的方式会消耗大量人力物力，且反复安放也可能会对线列阵的灵敏度有一定的影响，因此需要提出一种海底固定式线列阵阵元灵敏度的现场检测方法。

目前已有的低频校准方法主要有耦合腔校准、混响场校准和管中测量。管中测量方法又包括了振动液柱法、管中比较法(驻波管、行波管)以及行波管互易法。在这里互易法相对于比较法的便捷之处为，互易法不需要使用标准声源就能利用互易定理测出其中两个换能器的灵敏度，因此更适于应用到固定式线列阵的管中校准。线列阵管在海底铺设，周围是混合海水的泥沙，可以近似在管中进行灵敏度的校准。在与固定式海底线列阵的校准环境最为相近的就是行波法测量，但是行波管中的边界条件与海底铺设线列阵的校准条件不完全相同，因此互易常数需要重新推导，再代入到灵敏度计算公式中，得到泥沙下的管中线列阵灵敏度测量的计算方法。

发明内容

为了实现对海底固定式线列阵阵元灵敏度进行校准，本发明提供了一种海底固定式线列阵阵元灵敏度校准方法，具有方便快捷、校准误差小、能实现低频测量、信号处理简便、可行性高等优点。

本发明方法的具体步骤是：

1)搭建一套以一种海底固定式线列阵阵元灵敏度校准方法为核心的声场测量系统。

该系统主要由信号发射系统、信号接收系统、三角调距支撑架、机械行走机构、电控系统及数据处理系统等部分组成，信号发射系统和信号接收系统均由换能器阵列组成，连接数据处理系统，信号发射系统和信号接收系统按照顺序安装在可调整换能器阵列间距的三角调距支撑架上，跟随三角调距支撑架一起放入海底固定式线列阵管中进行半封闭的管中互易法测量，电控系统连接行走机构，用来控制三角调距支撑架的移动，在管中能实现低频范围内对海底固定式线列阵声压灵敏度的测量。

2)利用实验前计算的仿真结果，分析得到泥沙管中声压的传播规律，计算得到此环境下理论上的互易常数值及其由于边界影响得到的修正值。

3)在实验前，通过MATLAB软件可以对半封闭管中的互易常数进行仿真，以及对互易常数进行修正。然后通过实验，阵元的转移阻抗经过数据处理系统，代入到互易常数修正过的灵敏度计算公式中，得到灵敏度。

4)测量前，对测量系统进行调试，利用软件算法按照仿真数据调节信号发射系统与接收系统，使管内为平面行波场。

5)在半封闭的刚性壁管的低频校准环境下，首先将三角调距支撑架按照计算调整好间距，将发射换能器和接收换能器阵列对应固定在三角调距支撑架上，利用固定的绳索将三角调距支撑架穿过固定式线列阵进入管中，调节信号发射系统和接收系统，同时进行多个三组转移阻抗对的测量，得到的数据经过数据处理系统计算得到线列阵阵元的灵敏度，通过电控系统控制行走机构实现三角调距支撑架的移动，从而可以在半封闭管内实现对线列阵灵敏度的低频测量。

所述的信号发射系统和信号接收系统均采用多个薄壁短陶瓷圆管作为敏感元件。

所述的测量环境即线列阵所在的泥沙管两端为开放的，管中放入固定了信号发射系统和信号接收系统的三角调距支撑架以及连接行走机构的固定绳索，能完成对线列阵阵元灵敏度的准确测量。

建立适用于海底固定式线列阵的半封闭的低频测量系统，在管中可以通过三角调距支撑架调节换能器阵列之间的距离，能实现不同间距排列类型的线列阵在平面波场中数据的接收与灵敏度测量。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明在发射系统搭建以前，利用仿真进行演练，搭建了仿真模型，利用泥沙管推导出的互易常数代入计算出的灵敏度与自由场比较法测得的线列阵阵元灵敏度进行对比，误差较小，在可控范围内，验证了方法的准确性。

2、在半封闭的海底泥沙管校准环境中搭建了测量系统，应用改进了互易常数的互易法对固定式线列阵进行低频环境下的灵敏度校准，有效降低了校准的频率，较大提高了低频声压灵敏度的测量精度。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为发射接收系统示意图；

图3为系统的测量流程图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

如图1和图2所示，本发明的整体结构包括信号发射系统1、信号接收系统2、三角调距支撑架3、机械行走机构4、电控系统5和数据处理系统6。本发明的信号发射系统1和信号接收系统2均由换能器阵列组成，得到的数据传输到数据处理系统6进行计算与处理，信号发射系统1和信号接收系统2按照顺序安装在可调整换能器阵列间距的三角调距支撑架3上，跟随三角调距支撑架一起放入海底固定式线列阵管中进行半封闭的管中互易法测量，电控系统5连接机械行走机构4，用来控制三角调距支撑架的移动，在管中能实现低频范围内对一定长度的海底固定式线列阵声压灵敏度的测量。信号发射系统1和信号接收系统2均固定在三角调距支撑架3上，其中，信号发射系统与信号接收系统均由多个圆管换能器构成，两个系统的换能器个数与类型均一致，按照符合固定式线列阵结构的一定间距顺序排列，此时的间距能保证信号发射系统与接收系统处在平面波场，得到的信号可以通过线缆传输到数据处理系统6中，进行数据的计算与处理，从而利用各组的转移阻抗计算出测量段的线列阵各个阵元的灵敏度。

如图3所示，本发明的原理流程为首先利用待测线列阵的排列以及测量环境的结构计算出信号发射系统和信号接收系统的间距，通过调节三角调距支撑架来实现换能器间距的调节，通过软件算法控制信号发射系统和信号接收系统的幅值和相位，使测量环境中充满平面波，进行一定长度的线列阵灵敏度测量，得到的三组转移阻抗作为一个单元输入到数据处理系统中处理及保存，结束一个段的线列阵测量后，电控系统收到信号对机械行走机构进行控制，拖动三角调距支撑架进行行走一个测量段的距离，此时，电控系统停止，继续进行下一个线列阵段的转移阻抗对的测量，直到整个阵列测量完毕，数据均保存在数据处理系统中进行后续的处理和计算。

利用本发明测量时，在半封闭的刚性壁管的低频校准环境下，首先将三角调距支撑架按照计算调整好间距，将发射换能器和接收换能器阵列对应固定在三角调距支撑架上，利用固定的绳索将三角调距支撑架穿过固定式线列阵进入管中，调节信号发射系统和接收系统，同时进行多个三组转移阻抗对的测量，得到的数据经过数据处理系统计算得到线列阵阵元的灵敏度，按照测量环境补偿后的互易常数公式为

因此被测线列阵阵元灵敏度计算公式可以写为：

通过电控系统控制行走机构实现三角调距支撑架的移动，从而可以在半封闭泥沙管环境下实现对线列阵灵敏度的低频测量。

以下为本发明的具体实施例：

1)在半封闭的刚性壁管的低频校准环境下，首先将三角调距支撑架按照计算调整好间距，将发射换能器和接收换能器阵列对应固定在三角调距支撑架上，利用固定的绳索将三角调距支撑架穿过固定式线列阵进入管中。

2)调节信号发射系统和接收系统的发射接收幅值和相位，使泥沙管中充满平面行波场。

3)在此平面行波场中同时进行多个三组转移阻抗对的测量，得到的数据经过数据处理系统计算得到线列阵阵元的灵敏度。

4)通过电控系统控制行走机构实现三角调距支撑架的移动，从而可以在半封闭管内实现对整个线列阵灵敏度的低频测量。

Claims (5)

1.一种海底固定式线列阵阵元灵敏度校准方法，其特征在于：主要由信号发射系统、信号接收系统、三角调距支撑架、机械行走机构、电控系统及数据处理系统等部分组成，信号发射系统和信号接收系统均由换能器阵列组成，连接数据处理系统，信号发射系统和信号接收系统按照顺序安装在可调整换能器阵列间距的三角调距支撑架上，跟随三角调距支撑架一起放入海底固定式线列阵管中进行半封闭的管中互易法测量，电控系统连接行走机构，用来控制三角调距支撑架的移动，在管中能实现低频范围内对海底固定式线列阵声压灵敏度的测量。

2.根据权利要求1所述的一种海底固定式线列阵阵元灵敏度校准方法，其特征在于：所述的测量环境即线列阵所在的泥沙管两端为开放的，管中放入固定了信号发射系统和信号接收系统的三角调距支撑架以及连接行走机构的固定绳索，能完成对线列阵阵元灵敏度的准确测量。

3.根据权利要求1所述的一种海底固定式线列阵阵元灵敏度校准方法，其特征在于：所述的信号发射系统和信号接收系统均采用多个薄壁短陶瓷圆管作为敏感元件。

4.根据权利要求1所述的一种海底固定式线列阵阵元灵敏度校准方法，其特征在于：建立适用于海底固定式线列阵的半封闭的低频测量系统，在管中可以通过三角调距支撑架调节换能器阵列之间的距离，能实现不同间距排列类型的线列阵在平面波场中数据的接收与灵敏度测量。

5.根据权利要求1所述的一种海底固定式线列阵阵元灵敏度校准方法，其特征在于：在半封闭的刚性壁管的低频校准环境下，首先将三角调距支撑架按照计算调整好间距，将发射换能器和接收换能器阵列对应固定在三角调距支撑架上，利用固定的绳索将三角调距支撑架穿过固定式线列阵进入管中，调节信号发射系统和接收系统，同时进行多个三组转移阻抗对的测量，得到的数据经过数据处理系统计算得到线列阵阵元的灵敏度，通过电控系统控制行走机构实现三角调距支撑架的移动，从而可以在半封闭管内实现对线列阵灵敏度的低频测量。

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