驻波管测试下压差式光纤矢量水听器的改进

压差式矢量水听器基于声场有限差分原理进行声压梯度测量,而光纤声压传感器结构相对复杂,在工艺上难以保证传感器间的灵敏度一致性。研究了声压传感单元不一致对压差式光纤矢量水听器的影响,指出声压传感基元灵敏度不一致对实际应用中的行波场条件下的测量影响更严重,采用传统的驻波管校准后的压差式光纤矢量水听器在实际运用中就会造成声压的相位测量误差。提出了可通过一维方向上采用双干涉仪结构来克服此问题,并分析了该结构的压差式光纤矢量水听器的驻波管校准方法,依据该方法进行测试,可克服声压传感基元灵敏度不一致的影响,使其能在实际中得以应用。

压差式光纤矢量水听器声压相位灵敏度研究

该文介绍了压差式光纤矢量水听器及其基元的工作原理,并分析了光纤层等效处理对仿真结果的影响。基于有限元法对压差式光纤矢量水听器的基本性能进行了仿真分析,根据仿真模型所选定的参数研制压差式光纤矢量水听器样品,并对样品在频率为20~1000 Hz时进行了测试。测试结果表明,声压相位灵敏度的仿真计算结果与实验测试结果基本一致,平均差值约为1.0 dB。研究结果表明,采用有限元法对压差式光纤矢量水听器的声压相位灵敏度进行仿真具有可行性。

压差式光纤矢量水听器驻波场校准特性研究

利用压差式光纤矢量水听器获取复声阻抗下的声场信息,不仅需对实声阻抗下声信号的相位进行校准,还必须对虚阻抗下声信号的幅度作校准。驻波场下声阻抗为虚数,可实现声信号幅度的校准,由于2个传感基元灵敏度存在差异,声压梯度值与理论值存在幅度的差异,指向性特性为一大一小的"8"字型,凹点发生偏移。采用双光纤干涉仪结构的一维压差式光纤矢量水听器进行测试,证明了上述结论,采用灵敏度修正,可将两基元灵敏度非一致对指向性造成的影响消除,得到较理想的指向性曲线,实现对声信号幅度的校准。

三维压差式光纤矢量水听器设计与实验

阐述了压差式光纤矢量水听器的基本原理,分析了基元灵敏度及间距对其声压灵敏度的影响,进行了三维压差式光纤矢量水听器探头结构设计,研制了二维压差式光纤矢量水听器样品,并进行了性能指标测试。测试结果表明,在20~1 000Hz频段内,压差式光纤矢量水听器的声压灵敏度与理论计算结果基本吻合,在500Hz具有良好的指向性。

改进的压差式水听器侦察声纳角度测量方法

压差式矢量水听器是现有侦察声纳体制之一,但是其角度测量原理假设阵元间隔远小于波长,严重地影响了测角精度,因此需要对压差式矢量水听器的角度测量方法进行改进。提出两种角度测量的改进方法,一是压差矢量幅比反函数多项式拟合方法,通过对压差矢量幅度比与角度函数的反函数多项式逼近,利用压差矢量幅度比估计角度;二是比相测角信息融合方法,利用余弦偶极子和正弦偶极子分别进行比相测角,采用角度的预估值确定融合比,对两个比相结果进行信息融合。仿真结果验证了两种改进方法的有效性。

压差式矢量水听器驻波场校准实验研究

压差式矢量水听器的校准一直是国内尚未解决的难题,针对此问题设计了一种基于光纤传感的压差式矢量水听器,对其传感原理进行了理论分析,为其设计了驻波场校准方案,对驻波场校准此类压差式矢量水听器进行了理论分析和计算机仿真,最后对此压差式矢量水听器进行了声压灵敏度和方向性的测试,实验结果与理论分析和计算机仿真比较吻合.这些研究对压差式矢量水听器的应用具有重要的意义.

单个压差式矢量水听器MVDR波束形成的优化研究

从矢量水听器和声压阵两个角度,研究了单个二维压差式矢量水听器的最小方差无失真响应(minimum variance distortionless response,MVDR)波束形成的优化技术。针对压差式矢量水听器半径波长比大于0.1时,利用它进行方位估计性能恶化的问题,提出了一种修正的单个压差式矢量水听器MVDR波束形成处理方法。仿真和湖上试验的结果表明:修正的压差式矢量水听器MVDR处理方法对阵元间距的变化具有更好的稳健性;在半径波长比小于0.1时具有更好的估计性能,在半径波长比大于0.1的一定范围内依然具有良好的方位估计能力。

基于二维压差式矢量水听器源估计误差分析

由于组成二维压差式矢量水听器的4阵元间的幅频和相频响应不一致造成了其运用声能流进行方位估计时会产生误差,而这一误差大小对二维压差式矢量水听器的制作和实际工程有很重要的意义。因此将针对二维压差式矢量水听器声能流方位估计误差进行了推导和分析。文章主要分为以下4个部分:①二维压差式矢量水听器的结构;②声能流方位估计的原理;③分析了由于组成二维压差式矢量水听器的各声压水听器不一致导致的方位估计误差;④对信号方位角度为30°时,在不同信噪比条件,4声压水听器不一致情况进行了方位估计误差仿真。文中给出了仿真结果。仿真结果表明在相同信噪比条件下,由于相位偏差对压差式矢量水听器方位估计产生误差远大于由于幅度偏差而产生的方位估计误差。

压差式矢量水听器方位估计中的干扰抵消

矢量水听器由于能获取声场中标量(声压)和矢量(振速)信息,因此单个的矢量水听器就可实现目标方位估计。单个矢量水听器是利用信号的声压和质点振速之间相关性进行信号方位估计,但是当存在干扰,并且干扰和信号之间相关时,如果对运用能量流进行方位估计的方法不加改进,则会出现很大的误差,甚至出现错误的估计。本文提出一种存在已知噪声干扰情况下的干扰抵消方法,并针对该方法进行了仿真试验,最后运用湖试数据进行了验证。结果表明,该方法能有效地减弱相干干扰对信号的影响,实现对信号的方位估计。

基于压差式矢量水听器的多目标分辨

矢量水听器是一种既能测量声场中的声压信息,又能测量声场中的振速信息的换能器。矢量特性使得单个矢量水听器就可以实现信号的方位估计,但是传统的矢量水听器处理方法只是利用了信息量增加这一优点,因而提出了一种利用单个压差式矢量水听器进行非相关目标方位估计方法,该方法有效利用声场中声压和质点间振速之间的互相关性,仿真和测试结果表明该方法能有效地进行双目标分辨。

压差式矢量水听器指向性分析

0引言矢量水听器在复杂的水下环境中有突出的优势,在实际应用中变得更加广泛[1]。压差式矢量水听器在低频段工作时有指向性好和灵敏度高等优点,相对于同阵型矢量水听器压差式矢量水听器不用考虑悬挂方式带来的影响。但是在压差式矢量水听器的设计和实际应用中都要考虑其尺寸、工作频段和指向性性能之间的关系。

驻波场条件下压差式矢量水听器相移灵敏度的研究

压差式矢量水听器的校准一直是一个尚未解决的问题,针对此问题文章设计了一中基于光纤传感的压差式矢量水听器对其传感原理进行了理论分析,并为其设计了驻波场校准方案,对驻波场校准此类压差式矢量水听器进行了理论分析和计算机仿真并作比较。此类研究方法对压差式矢量水听器的应用具有重要的作用和意义。

一种新型压阻式硅微仿生矢量水听器的设计

介绍了一种新型的基于压阻效应的硅微仿生矢量水听器,详细叙述了该矢量水听器的结构设计方法,利用有限元软件ANSYS对矢量水听器结构进行了模态分析,采用振动台标定与低频校准装置测试相结合的方法对水听器进行测试,并给出了检测单元的加速度频响特性曲线和声压灵敏度曲线,以及矢量水听器在水下测试的接收灵敏度曲线和指向性图的测试结果。通过此实验方法,不仅验证了该矢量水听器设计的合理性,而且验证了它适用于低频检测,应用于水声探测具有一定的可行性。实验证明,该矢量水听器的接收灵敏度在500Hz时达到-189.6dB(0dB=1V/μPa),并具有良好的"8"字形的指向性。

大深度同振式矢量水听器耐压结构设计

针对当前矢量水听器工作深度小,无法在水下滑翔机、剖面浮标等大深度水下无人平台上应用的问题,设计了一种大深度同振式矢量水听器的耐压结构。通过分析同振式矢量水听器的拾振原理可知,在设计大深度矢量水听器时,要在满足耐压要求的前提下,使其平均密度与水相当,并使其体积尽量小。采用胶囊形铝合金薄壳方案设计耐压结构,并对该结构的强度失效和稳定性失效临界压力进行了理论计算和有限元仿真,计算和仿真结果显示该耐压结构能够承受20 MPa的压力。最后对矢量水听器样品进行了声学性能测试和耐压测试,该矢量水听器声学性能良好,耐压能力为20 MPa。海上试验表明,该同振式矢量水听器可以在“海燕-Ⅱ”水下滑翔机等大深度水下无人平台上应用。

单压差型矢量水听器方位估计的优化研究

针对压差型矢量水听器的直径波长比大于0.2时,利用它进行方位估计性能恶化的问题,提出一种修正的单个压差型矢量水听器多重信号分类(MUSIC)算法。修正方法通过修正压差型矢量水听器的阵列流型,提高了单个压差型矢量水听器MUSIC算法方位估计的估计精度,且在直径波长比大于0.2时依然保持较好的估计精度和稳健性。仿真结果表明,单个矢量水听器MUSIC算法相对于声强法在低信噪比时具有更好的方位估计性能,修正的压差型矢量水听器MUSIC算法在直径波长比大于0.2时依然具有良好的估计性能。湖上试验的数据处理结果进一步验证了单个压差型矢量水听器的修正MUSIC方位估计方法在实际系统中是有效的,且其估计性能优于原MUSIC方法。

压差矢量水听器阵波束形成的优化

以各向同性噪声作为背景噪声场,对矢量水听器阵波束形成的优化方法进行了系统的研究。在分析各向同性噪声场中声压、振速相关性的基础上,利用最大信噪比准则推导了基阵的最佳增益与噪声场特性和阵列流形之间的关系,提出利用最佳增益权对阵列接收信号进行波束形成处理。通过对矢量水听器阵进行分解,将最佳增益波束形成引入矢量阵信号处理中。以二维压差矢量水听器阵作为接收基阵进行了仿真计算和湖上试验,结果表明,矢量阵的最佳增益波束形成可以获得性能更优的波束和更大的空间处理增益。

同振式矢量水听器耐压球壳优化设计

针对深水矢量水听器的结构耐压问题,推导外压球壳最大应力公式,分析同振式球形矢量水听器的材料和尺寸对其声学性能和耐压性能的影响。基于此,给出一种最小平均密度薄壁耐压球壳的设计方法。从典型深海工程材料中优选7075T6铝合金材料,设计、制作一型设计耐压深度3000 m的同振式球形矢量水听器。对该水听器耐压结构进行了有限元仿真,并对其灵敏度、指向性和耐压能力进行了测试。结果表明:该矢量水听器具有良好的余弦指向性,500 Hz处灵敏度为-188 dB,能够耐受37.5 MPa外压;最小平均密度薄壁耐压球壳的设计方法及工程样机设计方案是合理和可行的。

面向水下滑翔机平台的耐压复合同振式矢量水听器

针对水下声学滑翔机样机研制对小尺寸、耐压复合同振式矢量水听器的迫切需求,设计面向水下滑翔机平台的耐压复合同振式矢量水听器。根据矢量水听器工作原理,对其声压通道和矢量通道进行声学设计;仿真分析压电陶瓷元件和薄壁铝合金壳体耐压特性,完成矢量水听器整体结构设计与制作;进行矢量水听器耐压能力及电声参数测试,将该水听器集成应用于水下声学滑翔机。在南海某海域开展海上试验,采集100~3000 Hz范围内水下声场信息,给出不同频点噪声级随时间的变化曲线,且得到了水面航船经过时不同频点的噪声级变化。结果表明,矢量水听器在1200 m深处可靠工作,设计的矢量水听器满足水下声学滑翔机样机研制应用需求。

混合集成型压阻式矢量水听器设计

提出一种小型化新型压阻式矢量水听器的设计、制作工艺方法。详细分析通过混合集成工艺技术制作的压阻式矢量水听器的性能指标:灵敏度、频率响应。实际设计、制作混合集成型压阻式矢量水听器并进行测试。得出采用本工艺制作出外形尺寸只有φ22mm×40mm的三维矢量水听器具有良好的三轴正交性,每轴向具有良好的"8"字型指向性,且具有良好的低频特性,声压灵敏度可达到-190dB。

ZnO薄膜硅微压电矢量水听器

提出了一种基于ZnO压电薄膜的硅微压电矢量水听器,其核心部件是利用微电子机械系统(MEMS)技术制作的悬臂梁结构压电加速度计。由近似解析和有限元分析,得出加速度计的灵敏度和谐振频率,并在此基础上对其进行了优化设计。研制了MEMS压电加速度计,并装配后构成MEMS矢量水听器。测试结果表明:加速度灵敏度在20~1,200 Hz范围内约为0.83 mV/(m/s^2)。经过液柱法测量,在1 kHz时,MEMS矢量水听器等效声压灵敏度为-229.5 dB(ref.1V/μPa),比同类型压阻式MEMS矢量水听器的灵敏度高17 dB以上。