第五讲新型光纤水听器和矢量水听器

光纤水听器和矢量水听器作为当前水声研究领域最具有代表性的两大技术倍受业界关注.光纤水听器的重要贡献在于,从一个全新的角度出发,试图解决传统的水声传感和声纳数据传输一体化设计和实现的一系列问题,这有助于改善声纳系统的可靠性,并且有可能降低其制造、使用和维护的总成本.矢量水听器则由于其特有的指向性和矢量－相位处理方法,在低频和甚低频水声微弱目标探测方面具有潜在的优势.经过不懈的努力,光纤水听器和矢量水听器系统已经从实验室逐渐进入到工程应用阶段.这些对未来声纳系统的发展会产生相当重要的影响.文章尝试从声纳设计的角度对这两者的技术现状进行简要综述,包括它们各自的物理基础、工作原理、关键技术和应用领域.     

光纤矢量水听器指向性测试及锐化技术

光纤矢量水听器是一种新型的水听器,它兼具矢量水听器和光纤水听器的优点。矢量水听器具有自然的偶极子指向性,但是其-3dB带宽为90°,目标分辨能力有限,因此需要对其进行指向性锐化。本文对光纤矢量水听器的自然指向性进行了湖试测定,研究了基于最小方差无失真响应(MVDR)方法的指向性锐化技术,在湖试数据处理中,将其-3dB主波束宽度抑制在20°以内,取得了良好的效果。     

基于顺变柱体和膜片复合结构的压差式光纤矢量水听器研究

设计了一种基于顺变柱体和膜片复合结构的矢量光纤水听器。对水听器的传感原理和矢量生成原理进行了理论模型分析,得出了水听器相移灵敏度的数学表达式,讨论了传感器的设计参数,并按照设计参数制作了水听器探头。在国防水声一级计量站做了传感器相移灵敏度频响曲线和8字形方向图的测试实验。实验结果表明,当频率为800 Hz时,此种复合结构的水听器相移灵敏度很高,能达到-155 dBre rad/μPa(0 dB=1 rad/μPa),并且实验测试值与理论计算值基本吻合,偏差之处分析其原因主要由于理论模型不够精确和测试装置与固定装置有谐振造成。     

压阻式新型矢量水听器设计

本文介绍了矢量水听器的应用，分析了压阻式矢量水听器的基本工作原理。提出了采用压阻原理进行矢量水听器设计的方案思想，并从结构灵敏度、输出特性、谐振频率几方面进行了设计分析，展望了将MEMS技术应用于矢量水听器的远景优势。     

新型MEMS压电矢量水听器

对一种具有U形槽或双U形槽结构的MEMS压电式矢量水听器进行了仿真分析与优化,采用微机械加工技术研制出水听器芯片,并对芯片进行了封装与性能测试。提出了理论灵敏度和能量综合分析的方法,在考虑杂散电容的情况下,对敏感结构进行了更加精确的优化。从实验结果可以看出,所提出的优化方法比仅考虑理论灵敏度的传统优化方法具有更高的准确度。此外,具有双U形槽结构的矢量水听器的灵敏度比传统的单臂悬臂梁结构的灵敏度高约5.9dB,并且具有良好的指向性。     

第三讲让声纳系统耳目一新:新型水声换能器与换能器新技术

文章综述了新型水声换能器设计与换能器新技术的重要进展.主要涉及：稀土超磁致伸缩材料、弛豫铁电材料、压电聚合物薄膜等新材料的发展及其水声换能器的新设计,基于新结构的新型水声换能器,利用不同能量转换机理的新型水声换能器,宽带换能器新技术等等;对于接收型换能器着重介绍了光纤水听器和矢量水听器.     

第三讲 让声纳系统耳目一新：新型水声换能器与换能器新技术

文章综述了新型水声换能器设计与换能器新技术的重要进展.主要涉及：稀土超磁致伸缩材料、弛豫铁电材料、压电聚合物薄膜等新材料的发展及其水声换能器的新设计,基于新结构的新型水声换能器,利用不同能量转换机理的新型水声换能器,宽带换能器新技术等等;对于接收型换能器着重介绍了光纤水听器和矢量水听器.     

用于矢量水听器的弯曲圆盘型声压水听器

针对在同振型矢量水听器中有效地复合声压通道的问题,提出一种采用压电双迭片结构的弯曲圆盘型声压水听器。压电双迭片由中心开孔的压电圆片和金属背衬组成,采用弯曲振动工作模式。为提高声压水听器的灵敏度,分别通过理论计算和有限元仿真的方法对双迭片结构进行了分析与优化设计,并制作了一只声压水听器样机用于实验验证。测试结果表明,声压水听器的灵敏度为-157 dB(0 dB re 1 V/μPa),在25 Hz~1000 Hz频带内分布平坦,并具有全指向性的特点。综合理论研究与实验室测试结果,这种弯曲圆盘型声压水听器成功满足了低频宽带声信号接收的需要,达到了复合同振型矢量水听器对声压通道的设计要求。     

中频小型矢量水听器设计研究

中频小型同振式矢量水听器采用低密度复合材料作为矢量通道外壳、压电加速度计作为内部振动传感器，以拾取水下声场中的矢量信息。与以往同振式矢量水听器设计不同的是每个矢量通道中只放置一只压电加速度计，这样，不仅减小了矢量水听器的体积，降低了水听器的整体平均密度，而且消除了以往同振式矢量水听器设计中矢量通道采用两只配对传感器而引起的相位不一致给矢量水听器定向带来的影响。而声压通道采用PVDF压电薄膜作为敏感元件，以拾取水下声场中的标量信息。     

新型AGC电路在光纤水听器中的稳幅作用

在相位载波(Phase Generated Carrier,PGC)解调的基础上,分析了新型自动增益控制(Auto Gain Control,AGC)电路与PGC解调相结合的信号处理方式,并进行了MATLAB仿真.理论推导和MATLAB仿真的结果说明新型AGC电路在光纤水听器中能起到稳定输出信号幅度的作用.     

光纤水听器探头技术研究

光纤水听器的探头技术是光纤水听器系统的基础，本给出了国内外光纤水听器探头设计的一些典型方案。并对它们进行对比分析。就光纤水听器探头技术的几个重要参数指标进行了评价。     

光纤水听器的原理与应用

为适应水声学应用特别是水下反潜战的需要，在光纤技术不断发展的基础上，光纤水听器应运而生．光纤水听器是一种基于光纤、光电子技术上的新型水下声传感器，因其在军事、民用各领域应用广泛，目前光纤水听器在国内外发展迅速，已经到达实用状态．全光光纤水听器系统的湿端采用全光实现，信号传感与传输皆基于光纤技术．具有抗电磁干扰、重量轻和造价低等优点．文章简述了光纤水听器的发展历史、现状，论述了光纤水听器的原理及其应用前景．     

拖曳线列阵用光纤水听器的研究

报道了光纤水听器用于拖曳线列阵的研究结果。在保证光纤水听器声相位灵敏度的前提下, 优化设计了光纤水听器的结构,降低了光纤水听器的加速度灵敏度36dB。实验测得在20-1600Hz 频段,该光纤水听器的相位灵敏度为-162．7dB,频段内灵敏度的起伏为±0．7dB,加速度灵敏度小于-30dB。     

一种基于光纤激光水听器的PGC改进解调算法

基于分布反馈式（DFB）光纤激光水听器,针对传统相位生成载波（PGC）解调方案中的不足,提出了一种新型的单路微分相除（PGC-SDD）解调算法。与传统的微分交叉相乘（PGC-DCM）和反正切（PGC-Arctan）解调算法相比,该方法仅需要双通道的1路信号作微分处理,以较少的运算步骤和计算量达到解调信号的目的。PGC-SDD算法能够更有效地应对环境引起的光强扰动和调制深度引起的谐波畸变,使解调结果更接近待测信号。对3种解调算法进行仿真和实验验证,结果表明:采用PGC-DCM解调其信噪比约12.4 dB,PGC-Arctan算法的信噪比约13.9 dB,PGC-SDD算法的信噪比达到了17.5 dB。     

数字化相位载波解调方案在光纤水听器系统中的实现

本文分析了干涉型光纤水听器内调制相位载波(PGC)调制解调的原理，提出了PGC调制解调的全数字化方案，通过计算机仿真，并在光纤水听器系统中实现了PGC的数字化解调。实验室光纤水听器与标准水听器对比测试以及实际海况试验都证明，数字化PGC解调技术在光纤水听器系统的实现对水声信号的检测是有效的。