大深度矢量水听器用于深海声传播测量的实验研究

矢量水听器可以同步共点地接收声场的标量和矢量信息,增加了信息的种类和数量,可以改善水声系统的性能.相比于标量声信号,矢量声信号包含更加丰富的声场信息,可应用于目标的识别和定位.为了获取深海声矢量信号,哈尔滨工程大学自行设计了大深度矢量水听器.2014年夏季,在某深海开展了一次深水矢量水听器远距离声传播实验,实验中大深度矢量水听器被放置在3146 m,得到了包含多个会聚区和影区的数百公里的声标量场和声矢量场数据.本文对实验数据中的声标量场和声矢量场进行了处理,计算得出各通道传播损失曲线,并与距离有关声学模型(Range-Dependent Acoustic Model,RAM)计算得出的声压场和声矢量场理论预报结果进行了比较,证明二维抛物方程模型RAM可以有效地进行深海远距离声标量场和声矢量场的预报.     

基于矢量水听器的水下战武器二维弹道测量研究

 水下弹道测量是水下战武器试验的重要内容。本文基于矢量水听器测量水中目标航行噪声,利用矢量水听器测向原理,经过数字信号处理器对矢量信号进行分析处理,得出武器水下航行的二维弹道轨迹。介绍矢量水听器测量原理和矢量浮标阵纯方位定位原理。通过实验室消声水池测试对矢量水听器声压与振速相位差进行修正,利用湖上试验对矢量水听器的测向误差进行修正。采用DGPS水面定位与水下水声定位相结合的方法,研制了水下战武器二维弹道测量系统,介绍测量系统的3个主要组成部分及其主要功能,并在海上实际试验中验证了基于矢量水听器的水下武器弹道测量方法先进可行、实时性强、测量精度高、使用方便,可以满足实际使用要求。     

一种基于大深度矢量水听器的深海直达波区近水面声源定位方法

矢量水听器因能够同时获取声场的声压和三维质点振速分量而倍受关注.矢量水听器在浅海环境下的研究及应用工作较多.2014年在某深海海域进行的水声综合考察实验中,矢量水听器被布放在水下3146 m深处,并成功地接收到了深度为140 m的拖曳声源发射的信号.本文首先结合实验海域环境,分析了深海近水面声源直达波区的声线到达结构以及直达声与海面反射声到达大深度接收器的掠射角,发现二者的均值随距离单调变化,且声源深度变化对其影响较小;然后对实验中两条航线上10 km范围内的信号进行分析,获取目标声源的方位角以及到达矢量水听器的直达声和海面反射声的掠射角,再根据该掠射角对目标声源的距离进行估计,实现了对目标声源在二维平面上的定位,定位结果与目标的GPS航迹符合较好.     

水声通信网络信道建模与仿真研究进展

水声通信网络在海洋目标定位和导航、资源勘探和开发、环境感知和监测等领域有重要应用,其中水声信道特性研究及其建模与仿真是建立通信网络的基础,而目前水声通信网络中的信道建模与仿真尚未有公认的标准方法.因此,基于对水声信道传播特性的分析,探讨了典型水声信道特性给水声通信网络设计带来的挑战;对比了经验模型、声场模型、基于本征路径的多径信道模型和基于统计特性的时变信道模型等水声信道模型,仿真结果表明:水声信道结构的变化明显影响接收性能;阐述了基于水声信道特性的水声网络仿真工具和方法,分析了其特点;最后进行了总结,并展望了未来水声通信网络信道建模与仿真的发展方向.     

仿生矢量水听器透声帽的实验测试与研究

由中北大学研制的MEMS仿生矢量水听器具有低频、小尺寸、灵敏度高等性能特点;但是由于受封装结构的影响,该水听器的灵敏度和频率响应还不太理想。为此,研究了聚氨酯透声帽封装对水听器性能的影响。首先,采用ANSYS对封装结构进行仿真,将仿真结果与自由场中液体质点的振动位移进行了对比分析。然后,通过实验对比有无封装两种情况下的水听器性能。最终得出:封装结构的固有机械特性耦合作用于水听器MEMS芯片上,导致水听器频率响应起伏较大,并在透声帽的共振频率处出现峰值;自由场中,透声帽随声波摆动的偏斜量与液体质点位移不相符导致水声衰减引起水听器灵敏度下降。     

基于矢量水听器的噪声声强测量技术

介绍了矢量水听器的测量模型及噪声声强测量原理。针对在消声水池对矢量水听器测量系统和传统声压水听器测量系统进行的比对测量,检测了系统的整体测试性能,分析比较了各自获得的信噪比情况,验证了矢量水听器测量系统的无指向性特性。水池试验表明,矢量水听器测量系统能量著抑制各向同性噪声,提高测量系统信噪比,可用于低噪声舰船辐射噪声的测量。     

水中目标回声特性测试3D微视频虚拟仿真实验

水声测量技术被广泛应用于海防、油气勘探、地貌成像、探寻沉船等领域,同时是海洋技术、海洋测绘、海洋科学等方向学科人才培养的关键理论和实验教学内容之一。运用SolidWorks软件设计实验系统所需的接收和发射换能,以及不同种类3D虚拟模型,结合V-Ray虚拟仿真渲染、AI配音等多媒体技术搭建虚拟实验场景,以板块元算法和COMSOL声固耦合-频域有限元法理论为基础,完成不同目标散射声场数值仿真计算,模拟3D场景的水中目标声特性测试虚拟仿真实验。虚拟仿真实验通过3D微视频方式展示,不仅可以用来辅助教学,提高学生对水中目标测试技术的深度认知,同时可对普通民众进行声呐技术的科普教育。系统集水声工程科学研究、培育人才和服务社会功能集于一体。研究成果为扩大水声技术影响力和覆盖面发挥作用,为水下目标探测技术创新发展提供参考。     

粗糙海面对空气中声源激发水下声场的影响

提出一种计算粗糙海面条件下空气中声源激发水下声场的方法,并通过数值仿真研究粗糙海面对水下声场的影响.在波数积分模型的基础上,采用微扰法将声场分为平均声场和散射声场之和.其中,平均声场采用国际流行的波数积分模型OAST计算,散射声场采用自相容扰动法计算.对不同风速、不同声源频率条件下的声场进行仿真,结果表明风速越大、声源频率越高,总声压变化范围越大,同时,水下接收到的平均声压和均方声压受到的影响越大.     

水下甚低频目标的深度分类及布放预报

基于水下目标在甚低频段(10~100 Hz)其主要声学特征较为明显的现状,采用声压水平振速互谱的有功分量(PHVCA)进行了水面船和水下目标的区分.基于Pekeris波导模型,提出了被动垂直双矢量水听器的深度布放预报公式,用于指导双矢量水听器的实际布放.通过公式推导及仿真分析指出:当双矢量水听器布放深度之和等于有效深度时,PHVCA的正负号分布不再随着水平距离的变化而变化;在有效深度内,整个声场的PHVCA被分为三个不同符号的水平区域(负-正-负),两临界面之和等于有效深度,若第一临界面小于有效深度与实际水深之差,则第二临界面大于实际水深,从而实现水下目标的深度分类.仿真验证了该算法及布放深度预报公式的有效性.     

矢量水听器阵列超复数模型及在高分辨率波达角估计中的应用

将超复数代数引入矢量水听器信号处理领域,用超复数来整体表示了矢量水听器输出的4个信号分量,并建立了矢量水听器阵列的超复数模型.在此基础上应用基于超复数奇异值分解的超复数MUSIC算法进行波达角估计并进行计算机仿真.仿真时与长矢量方法进行了比较,理论分析表明,运用超复数模型,算法所需的存储量和除法运算量都减少了75%;仿真结果显示,在取得上述优点的同时,超复数MUSIC算法在性能上没有损失.     

低噪声水声信号前置放大器设计

水下信息的发送与接收主要通过声信号的传播,水听器作为常用的水声信号接收装置,需要前置放大器来提高所获取信号的质量。文中选用AD8421仪表放大器芯片与OP2177精密运算放大器芯片设计了一种低噪声水声信号前置放大器,该电路增益为26 dB,工作带宽为100 Hz～20 kHz,输出信号为差分形式,同时具有小体积、低功耗的特点。通过连接某型压电水听器,测试了电路工作性能以及对水听器信号的调理效果。实测结果表明,该前置放大器能满足设计技术指标要求,在实际工作中取得了良好的效果。     

基于矢量水听器测向交汇的浮标定位系统设计

矢量水听器同时获取声压和振速信息,通过具有方向性的振速矢量场信息实现对目标定向。以矢量水听器高精度测向为基础,通过多点测向交汇实现对水下噪声源的定位跟踪。本文介绍了定位系统的结构设计,分析其关键技术。该方案经过功能扩展,还可应用于对击水声等瞬态信号的定位。     

水听器法测量功率超声振动珩磨空化声场分布

为了直接、简便地研究功率超声振动珩磨作用下的空化效应,对其声场建立数学模型,采用水听器对功率超声振动空化声场参数进行了定点测量,对数学模型所得到的仿真结果进行验证。为了研究流体介质中超声空化声场的分布情况,采用水听器法对不同功率与不同种类液体介质中的辐射超声场进行了多点声压测量。通过对比试验数据分析发现,声波沿换能器截面方向成对称分布,沿换能器轴向方向随距离的增加而衰减;不同种类的液体介质也会影响声压的分布以及空化效应的强弱。该方法可以直观的评价超声振动珩磨作用下的空化声场的强度和分布情况,对后续研究超声珩磨的空化泡动力学行为以及对超声振动珩磨装置的优化设计具有一定的实际应用价值。     

水雷上浮弹道水声脉冲编码跟踪定位技术研究

根据同步水声脉冲测距定位原理,利用水下多信道GPS声纳浮标阵-雷载3D段定位技术,对上浮水雷进行跟踪定位。利用多频水声脉冲编码技术扩展水声脉冲发射周期,解决了测量周期模糊与测量数据量匮乏的问题。利用水雷状态感知和节能技术设计的雷载3D,段具有工作状态转换和长时间水声信号发射功能。利用球面交汇定位解法建立了系统跟踪定位精度仿真模型,通过仿真预测出系统同步精度、水声信号时延检测精度、GPS定位精度、水听器位置精度和声速测量精度对系统定位精度的影响,为此项技术的可行性和相关系列测控装备的研制提供了依据。     

水下声基阵—接收相控阵

根据水声技术的发展,特别是水下相控基阵的使用推广,人们发觉水声基阵的实际设计和使用存在许多问题有待解决。经研制组科技人员几年的刻苦攻关,该题完成了如下的研究成果:1)在换能器组成的相控接收阵中,阵元的声耦合作用和它对阵元指向性与相控接收阵指向性的影响,首次提出互耦合系数的计算方法,为设计多元相控阵提出定量的理论估计和设计参考。2)在声波作用下弹性—粘弹性复合障板声散射近场特性的理论和实验研究,提出了     

基于MEMS矢量水听器阵列的潜标系统

为研究MEMS矢量水听器在潜标中的应用,设计了一种可搭载其矢量阵列的潜标系统。系统阵列由4个矢量水听器组成,其姿态信息通过三维姿态传感器实时给出。矢量水听器的输出信号经前置放大电路预处理后传输至数据记录器,经采样后和姿态信息一起存储在Flash Memory中。对系统进行了海上试验,试验结果表明:潜标系统在水下工作稳定,可正确记录海洋中的水声信号。     

基于量子阱薄膜的纳机电矢量水听器设计

根据介观压阻效应原理以及柱体声学理论,提出了一种基于量子阱薄膜的纳机电矢量水听器,期望利用量子阱薄膜材料的高灵敏度压阻效应以及水听器精巧的微结构,提高矢量水听器的灵敏度,实现水听器的低频特性及结构微小型化。首先概括地描述了介观压阻效应原理以及柱体声学理论;完成了水听器的结构设计;采用GaAs基微机械加工工艺完成了水听器的加工并对水听器进行了封装,最后对研制出的水听器的性能指标进行了测试,测试结果表明：纳机电矢量水听器不但体积小、质量轻、结构简单,而且能够获取水下声场的质点振动信息,具有＂8字型＂的指向性,可进行水下声信号的定位探测。     

超声多普勒信号的谱卷积与谱组成理论

通过分析具有任意运动矢量的单散射子所产生的接收频谱，研究了超声多普勒信号的频谱卷积定理．即使在无损媒质和单频声场的假设条件下，超声散射回波信号在频域上也是一个具有一定带宽的频谱，它可以表示为４个子频谱的卷积．在此基础上，讨论了某些特定情况下，尤其是多散射子相干散射条件下的接收频谱组成．由频谱卷积定理，可以从理论上理解和分析多普勒检测信号的频谱组成情况．     

波形未知的水声脉冲信号双阵元相关匹配场定位

针对波形未知的水声脉冲信号,提出一种基于双阵元的相关匹配场定位方法.通过水听器所接收到的信号和声场传播模型算得的海洋信道脉冲响应,对所划分的搜索网格区域采用时域最小二乘的方法获得每个网格点位置上发射信号的估计值.由估计出的发射信号与信道脉冲响应卷积产生相应的拷贝场信号;通过计算双阵元接收信号的相关函数与拷贝场信号的相关函数之间的误差,构造定位函数的模糊表面,实现双阵元对波形未知的水声脉冲信号的匹配场定位.采用2种声传播模型分别对连续波(CW)脉冲信号与线性调频(LFM)脉冲信号进行仿真实验,结果表明,该方法不受信号形式和声传播模型的限制,克服了传统匹配场处理由于阵元个数过少而导致的定位模糊表面旁瓣过高的问题,具有较好的定位效果.     

在扩散声场中水听器的互易校正

在扩散声场中校正水听器,常采用比較法,我們利用互易法在扩散声场中对水听器进行了絕对校正。工作分二部分:一是建立混响水槽,以获得扩散声场;二是在混响水槽的扩散声场中进行水听器互易校正。 1.建立混响水槽:考虑到对水而言,混凝土的声刚性較差,我們采用了玻璃水槽。因为玻璃壁較薄而四周又为空气,这样就有可能获得較好的反射界面而有利于建立混响声场。我們用的水槽大小約为2×0.8×0.8米(这一体型对建立混响声场很不利,因迁就现有設备,故采用之)。四周玻璃壁厚1厘米,底为鋼板。用白噪声作声源,为了激发尽可能多的簡正振动,作为声源的換能器放在水槽中心。接收換能器通过1/3八度音