矢量拖线阵不同形状水听器流噪声响应特性

拖线阵声呐流噪声大小与水听器形状密切相关,为了揭示矢量拖线阵流噪声响应特性,研究了不同形状矢量水听器滤波特性及其噪声抑制特点。基于波数-频率谱分析方法,导出了圆柱形、球形、胶囊形矢量水听器的波数响应函数以及噪声功率谱解析表达式;并根据湍流边界层压力起伏Carpenter模型数值计算了矢量水听器波数响应函数、流噪声响应特性与水听器形状和几何尺寸之间的变化规律,得到了不同形状矢量水听器抑制流噪声特点。研究结果表明,细长胶囊形矢量水听器具有较好的流噪声抑制性能。      

矢量拖线阵水听器流噪声响应特性

针对传统拖线阵流噪声理论的局限性, 建立了完善的矢量拖线阵流噪声理论分析方法, 可全面准确地揭示矢量拖线阵流噪声响应特性. 基于细长圆柱的湍流边界层压力起伏Carpenter模型, 采用波数-频率谱分析方法对矢量拖线阵流噪声响应特性进行了理论研究, 导出了圆柱形矢量水听器流噪声响应的声压和振速自功率谱及其互功率谱的解析表达式, 定量分析了流噪声响应功率谱与拖曳速度、水听器尺寸、套管尺寸和材料等参数之间变化规律; 另外, 还讨论了圆柱形矢量水听器偏离护套轴线时矢量拖线阵流噪声响应, 导出了流噪声响应的声压、径向和轴向振速自功率谱及其互功率谱的解析表达式, 数值计算结果表明: 轴线偏移距离对声压和轴向振速的高频噪声的影响要大于对低频噪声的影响, 而对径向振速的全频段噪声都有明显影响, 且对振速分量影响要远大于对声压影响.     

湍流边界层起伏压力谱和聚偏氟二乙烯薄膜(PVDF)水听器响应的实验研究

利用一个 φ８ ｍｍ水听器和一个 ２０元阵在水洞中测量了湍流边界层起伏压力的点功率谱密度和波数频率谱密度。点功率谱密度测量结果的无量纲表示和 Ｂｕｌｌ　Ｍ． Ｋ．等人风洞中的测量结果相吻合。波数频率谱的测量结果中能清楚地看到迁移峰,从而可进一步从迁移峰所在的位置求得迁移速度。同时还测量了一个接收面积为 １００ ｍｍ×６０ ｍｍ的 ＰＶＤＦ水听器对湍流边界层压力起伏的响应谱,将其结果和 φ８ ｍｍ水听器测量结果的对比,可以清楚看到 ＰＶＤＦ水听器对湍流边界层压力起伏的空间滤波作用。     

水听器非轴线布放时的拖线阵流噪声响应

对拖线阵流噪声理论做出两项改进.(1)对Corcos/Carpenter两种压力起伏模型以及相应的拖线阵流噪声响应进行了全面的比较; (2)讨论了有限水听器非轴线布放时的拖线阵流噪声响应,并导出了噪声功率谱的解析表达式.结果表明,这两种压力起伏模型的波数谱、流噪声响应具有一定差别;流噪声响应与拖曳速度、套管外径以及轴线偏移距离有着密切关系.基于Carpenter模型的数值分析表明,拖曳速度提高一倍,噪声功率谱增加约24 dB,且随着套管外径的增大而减小、轴线偏移距离的增大而增大.套管外径以及轴线偏移距离对高频噪声的影响要大于其对低频噪声的影响.     

矢量水听器拖曳阵的信号模拟器设计

本文中所设计的基于矢量水听器的拖线阵声纳模拟器,仿真了拖线阵的拖船干扰时域信号和空间传播特性,以及矢量水听器偶极子指向性。对于拖船干扰的仿真用Ecs模型来设定宽带功率谱,以AR模型来拟合指定功率谱,利用海底、海面对声场的一次反射作用仿真了拖船干扰的空间多途信道。利用插值滤波器的方法按照设定的时间精度仿真了宽带信号的阵元间精确延时。处理该模拟器所产生阵元时空采样仿真信号而得到的波束形成结果验证了该模拟器的有效性。     

一种矢量水听器基阵模拟器的设计

矢量水听器的每个阵元同时测量声场中声矢量和质点振速的3个分量,相对于声压水听器阵来说,矢量阵获取声场中更多的信息。利用矢量阵所获得速度场的信息可以去除目标方位估计中的 180°模糊。模拟器可以模拟实际海洋环境中目标的辐射特性和噪声特性,应用模拟器可以有效地缩短声纳的研制周期。本文提出一种矢量水听器基阵模拟器的设计方案,该方案解决了矢量阵中宽带信号的90°移相问题、时延精确控制问题和宽带噪声的谱状控制问题。     

基于多途信道的舰船辐射噪声功率谱密度估计*

针对低信噪比下利用单水听器估计辐射噪声功率谱密度精度较差的问题,提出一种基于多途信道传输函数估计的垂直阵测量估计1 m处舰船辐射噪声功率谱密度的方法。该方法将信道传输函数表示为多途路径近场阵列流形向量的叠加,较快地估计了信道传输函数,将其用于舰船辐射噪声功率谱密度估计,可较简便地估计距声中心1 m处辐射噪声的功率谱密度,即谱源级。分析了产生功率谱密度估计误差的原因,包括信道估计误差和环境噪声引起的误差,为降低估计误差提供了理论依据。仿真结果表明,该方法估计1 m处辐射噪声功率谱密度的性能良好。     

用垂直阵和单水听器测量水下目标辐射噪声的误差分析及其修正方法

文章给出了水声波导模型下垂直阵和单水听器测量水下目标辐射噪声的误差和修正方法,以便使两种测量结果一致和统一。在设定典型水声波导的参数后,用波数积分方法计算出声源到垂直阵各阵元的信道传输函数,再推导出垂直嵌套阵聚焦波束的信道传输函数,从而得到单水听器和垂直嵌套阵的测量误差。数值计算表明在70 m海深条件下,不同深度单水听器测量单频信号频谱级起伏达15 dB以上,总声级测量误差的均值为3 dB,而垂直嵌套阵测量单频信号频谱级起伏仅4 dB,总声级测量误差的均值趋于0 dB。海上实验测量单频信号声源级的结果与数值计算的起伏一致,海试中垂直阵获得较高的空间增益。结论是在浅海条件下垂直阵的测量精度高于单水听器的测量精度,用单水听器测量的目标总声级需要修正时可以修正,而用单水听器测量的单频信号声源级则难以修正。     

一种基于矢量水听器阵的归一化加权Capon波束形成方法

矢量水听器同时拾取声场的标量信息声压和矢量信息振速。本文在分析了各向同性噪声场下矢量水听器阵Capon波束形成方位谱的基础上，提出了一种归一化加权Capon波束形成的改进算法，并给出了方位谱的表达式。本方法不需要特征分解，并且得到的是通常意义上的功率谱(可用于估计信号的能量)。仿真计算表明，此方法的性能优于Capon法，可大大提高方位估计的精度。     

基于矢量水听器的声压和质点振速的空间相关系数

矢量水听器同步测量声场空间一点处的声压和质点振速的三个正交分量,由此得到的幅度和相位信息有利于改善声呐的检测和估计性能。对三维球形各向同性噪声场中声压和质点振速的时空相关性本文进行了研究,推导了矢量水听器的噪声协方差矩阵的理论表达式;给出了矢量水听器水平线阵和垂直线阵的协方差矩阵;研究单个矢量水听器的噪声协方差矩阵,并给出了浅海近岸水域的试验结果;利用上述理论结果推导了矢量水听器阵列的声能流阵增益。     

大面积高分子压电薄膜水听器对湍流边界层压力起伏的自噪声响应

分析大面积高分子压电薄膜水听器（PVDF）水听器在湍流边界层压力起伏（TBLPF）作用下的电压响应。推导了利用TBLPF的波数频率谱密度和水听器的响应函数来计算TBLPF激励下水听器输出电压的自功率谱密度的一般表达式,并利用转移矩阵法求解了水听器理论模型的响应函数。还计算了该水听器的灵敏度和其对TBLPF响应的等效平面波声压谱密度级。结果表明,大面积PVDF水听器的灵敏度和其对TBLPF的响应谱可能出现弯曲振动谐振峰,这些峰仅靠增加表面覆盖层的厚度是难以抑制的。讨论了避免或抑制这些峰的可能方法。     

随机共振法估计二水听器时延差

针对二元阵航船目标方位估计问题,提出了一种基于随机共振滤波的航船辐射噪声双水听器时延差估计方法。设计了一种随机共振滤波器,提取航船螺旋桨旋转噪声在水听器接收信号中出现的本地时间,并通过滤波结果的互相关来估计目标辐射噪声分别到达两个水听器的时延差。在5 dB的输入信噪比下进行200次仿真,提出方法时延估计的归一化均方误差要低于互谱方法一个数量级。对于海试中的非合作航船,提出的方法可以在1 km距离下准确估计出目标辐射噪声到达双水听器的时延差,从而为在二元阵上实现对航船目标的准确测向提供基础。      

基于矢量水听器阵列空域预滤波处理的多重信号分类算法研究

矢量水听器能同时拾取声压和振速信息,在相同的信噪比、阵元数及阵列孔径下,矢量阵定向性能优于声压阵列。目前,以多重信号分类算法(Multiple signal classification,MUSIC)为代表的高分辨定向算法已经广泛应用于矢量水听器阵列中。但是随着信噪比降低、信号源方位间隔减小,传统MUSIC算法定向精度及分辨概率显著下降。本文采用最小二乘法设计适用于矢量水听器水平阵列的矩阵空域滤波器,用于阵列数据的空间滤波预处理,可以对阻带扇面噪声进行有效抑制。由滤波后的数据协方差矩阵可以得到新的噪声子空间,在传统MUSIC算法基础上修正通带扇面内阵列流型的畸变后即可得到滤波后MUSIC算法的方位谱。仿真结果表明,当信噪比较低时,改进算法有效提高了通带扇面内目标方位分辨性能。最后本文对四基元矢量水平阵列海试数据进行了处理,改进算法对窄带信号定向较常规算法-3 dB束宽减小了13°,旁瓣级降低约8 dB。对有一定带宽的行船辐射噪声定向处理得到了更加精确的航迹图,海试数据处理结果证明了该算法的可行性和有效性。     

矢量拖曳线列阵声呐流噪声的空间相关性研究

根据湍流边界层脉动压力谱的Corcos模型,采用频率-波数域上的二维谱分析方法对矢量拖曳线列阵声呐拖缆护套管内的流噪声场进行了研究,得到了流噪声声压和振速的一般表达式。在此基础上,计算了管内流噪声场的空间相关性。数值计算结果表明:(1)流噪声的轴向相关性随阵元间距的增加而迅速衰减,不同矢量阵元所接收的流噪声可近似认为是彼此互不相关的;(2)在拖缆的径向上,流噪声的低频分量是高度相关的,而其高频分量的相关性则可近似忽略。     

利用水平阵模态域波束形成判别声源深度*

针对近水面声源和水下声源的深度判别问题,根据近水面声源难以激发低阶模态的物理现象,研究利用声源波数谱结构和波数位置的不同来分辨近水面声源和水下声源。通过采用MVDR的谱估计方法进行模态域波束形成,补偿水平阵各阵元之间各号简正波的相位差,获得主瓣窄、旁瓣低的声源信号波数谱。波数谱的波数位置与频率呈近似线性关系,水中声速剖面、海底参数、海深都会影响波数谱的具体结构和位置。此外,声源信号的到达角估计误差同样也会影响波数谱主瓣的位置估计。数值仿真结果表明,在浅海负跃层声速剖面条件下,可利用水平阵模态域波束形成判别声源深度,区分近水面声源和水下声源。     

弱反射光纤光栅水听器拖曳线列阵

提出一种细尺寸、大孔径、高增益的弱反射光纤光栅水听器拖曳线列阵。根据匹配干涉方法选用反射率一致、中心波长相同以及3 dB带宽较宽的弱反射光纤光栅阵列;根据水声传感原理确定弱反射光纤光栅阵列的栅距以应用于5～10 Hz甚低频水声信号探测。采用光纤涂覆机对弱反射光纤光栅阵列二次涂覆,阵列中心波长整体一致漂移,栅距基本不变。采用扎纱机和护套机在二次涂覆弱反射光纤光栅阵列外铺设凯夫拉纤维和聚氨酯保护套形成水听器拖曳线列阵。测试拖曳线列阵水听器单元的声压-相位灵敏度在1 rad/μPa条件下分别为-136.97 dB@5 Hz、-139.64 dB@7.5 Hz、-139.36 dB@10 Hz;分析流噪声引起的水听器自噪声功率谱,拖速为8 m/s、频段为1～100 Hz的谱值在45～95 dB(1μPa~2/Hz)范围内。实验和分析结果表明,所提出的弱反射光纤光栅水听器拖曳线列阵甚低频段灵敏度高、流噪声低,有望增强无人航行器的甚低频水声信号探测功能。     

一种用于大坝混凝土声层析成像的水听器线阵

声层析成像技术可以用图像的方式精确完整地反映层析面上检测体内部质量,是一种有效的无损检测手段,在大坝混凝土的安全隐患检测中发挥着越来越重要的作用。本研究旨在研制成像用的接收声波的水听器线阵,该水听器线阵由12个水听器阵元组成,阵元间隔2 m,水听器由直径40 mm的接收型压电圆管和前置放大器组成。水听器在低于20 k Hz的频率范围内,自由场接收电压灵敏度为-173±3 d B,在2 MPa静水压力下灵敏度下降不超过2 d B。制作了2例具有清晰接收波形、一致性和可靠性好的水听器线阵,最终为客户在现场实地获得了高质量的层析图像。     

水下蛙人被动探测测向实验研究

为了对携带开式呼吸器的水下蛙人进行被动探测,本文采用四个水听器组成的十字阵在浅海水域对水下开式蛙人进行了被动探测、测向实验。结果表明:蛙人辐射噪声具有周期性特征,其周期与蛙人的呼吸频率有关;另外,蛙人呼吸辐射噪声具有显著频带,并且其频带与蛙人携带的呼吸器有关。根据蛙人辐射噪声的显著频带和周期性特征,设计信号处理算法实现了对蛙人的被动声学探测识别。使用互相关方法处理一对水听器的接收信号,可以确定蛙人的方位,但是根据理论分析会出现一个假方位。对比十字阵中两对水听器的测向结果可确定蛙人的准确方位。     

基于波数分辨的低相干干涉台阶高度测量系统的研究

提出一种基于波数分辨的低相干干涉台阶高度测量系统。由宽带光源发出的光通过光纤迈克耳孙干涉仪获取被测量信息,色散光栅将宽谱干涉光束色散成波长在空间连续分布的光片,由线阵CCD探测。将线阵CCD的各个像元探测到的各个波长干涉信号转换成对应的波数干涉信号。对于波数干涉信号,相邻两个干涉信号峰值之间的波数变化量与干涉仪光程差的绝对值呈正比。因此,利用此测量系统可实现对台阶高度等物理量的绝对测量。利用缩短测量系统中光纤迈克耳孙干涉仪的两个干涉臂的长度减小环境干扰对测量系统的影响,获得高测量精度。本测量系统的测量分辨率为6.03 nm。对一个高度为50μm的台阶重复10次测量,测量结果的标准差为6.8 nm。     

一种用于大坝混凝土声层析成像用水听器线阵

声层析成像技术可以用图像的方式精确完整地反映层析面上检测体内部质量,是一种有效的无损检测手段。在大坝混凝土的安全隐患检测中发挥着越来越重要的作用,本研究旨在研制成像用的接收声波的水听器线阵,水听器线阵由12个水听器阵元组成,阵元间隔2m,水听器由直径40mm的接收型压电园管和前置放大器组成,水听器在低于20kHz的频率范围内,自由场接收电压灵敏度为-173±-3dB,在2MPa静水压力下灵敏度下降不超过2dB。制作了二例了具有清晰接收波形、一致性和可靠性好的水听器线阵,最终为客户在现场实地获得了高质量的层析图像。