矢量水听器在潜艇模型噪声定位中的应用研究

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噪声环境下单矢量水听器高分辨定向技术研究

陈羽，王伟，王建飞，马树青，孟洲
（国防科技大学光电科学与工程学院，湖南长沙４１００７３）摘要：单矢量水听器高分辨定向技术研究对于远距离目标测向有重要意义．根据单矢量水听器自身具有流型的特点，
将矩阵滤波器用于定向前的预处理，可以有效抑制不感兴趣方向的噪声．将滤波后的数据协方差进行特征值分解，得到
ｉｓａｖｅｒｙｉｍｐｏｒｔａｎｔｍｅｃｈａｎｉｓｍｆｏｒｄｅｔｅｃｔｉｎｇｔｈｅｄｉｒｅｃｔｉｏｎｏｆａｔａｒｇｅｔｉｎｌｏｎｇｄｉｓｔａｎｃｅｒａｎｇｅ．Ｔｈｅｓｐａｔｉａｌｉｆｌｔｅｒｗａｓｕｓｅｄｏｒｆｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔｔｏｒｅｓｔｒａｉｎｔｈｅｎｏｉｓｅｆｒｏｍｕｎｉｎｔｅｒｅｓｔｅｄｄｉｒｅｃｔｉｏｎｓ．Ｔｈｅｍｅｔｈｏｄｉｓｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｐｒｅｍｉｓｅｓｔｈａｔａｓｉｎｇｌｅｖｅｃｔｏｒｈｙｄｒｏｐｈｏｎｅｈａｓｉｔｓｏｗｎａｒｒａｙｔｙｐｅ．Ｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｓｔｕｄｙｅｘｐｌｏｒｅｓｔｈｅｉｄｅａｔｈａｔａｎｅｗｎｏｉｓｅｓｕｂｓｐａｃｅｃａｎｂｅｏｂｔａｉｎｅｄａｆｔｅｒｄｅｃｏｍｐｏｓｉｎｇｔｈｅｃｏｖａｒｉａｎｃｅｍａｔｉｘｒｏｆｔｈｅｉｌｆｔｅｒｅｄｄａｔａａｎｄｔｈｅｉｍｐｒｏｖｅｄａｌｇｏｉｔｒｈｍｕｓｅｄｏｒｆｔｈｅｈｉｇｈ — ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎＤＯＡｅｓｔｉｍａｔｉｏｎｏｆａｓｉｎｇｌｅｖｅｃｔｏｒｈｙｄｒｏｐｈｏｎｅｗｉｔｈｎｏｉｓｅｃａｎａｌｓｏｂｅｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｆｔａｅｒａｍｅｎｄｉｎｇｔｈｅ

全面感知水声信息的新传感器技术_矢量水听器及其应用_贾志富

全面感知水声信息的新传感器技术———矢量水听器及其应用贾志富(哈尔滨工程大学水声工程学院　哈尔滨　150001)摘　要文章介绍了一种新型水声接收换能器———矢量水听器(矢量传感器),它可以同时共点地测量声场的声压和矢量(水媒质质点振速,振动加速度或声压梯度等),使用矢量水听器比常规声压水听器能获得更全面的声场信息,因此,在水声技术中获得了广泛的应用.文中描述了矢量水听器的结构设计和工作原理及特性,给出了一些重要的应用例子.关键词声呐技术,水声接收换能器,矢量传感器,矢量水听器,声场,声强N o v e l s e n s o r t e c h n o l o g y f o r c o m p r e h e n s i v e u n d e r w a t e r a c o u s t i ci n f o r m a t i o n ———v e c t o r h y d r o p h o n e s a n d t h e i r a p p l i c a t i o n sJ I AZ h i -F u(U n d e r w a t e r A c o u s t i c I n s t i t u t e ,H a r b i n E n g i n e e r i n g U n i v e r s i t y ,H a r b i n 150001,C h i n a )A b s t r a c t An o v e l u n d e r w a t e r s o u n d r e c e i v e r ,t h e v e c t o r h y d r o p h o n e ,i s d e s c r i b e d .T h i s h y d r o p h o n e c a n s y n -c h r o n o u s l y a n d c o -l o c a t i o n a l l y m e a s u r e s o u n dp r e s s u r e a n d v e c t o r s s u c ha s p a r t i c l e v e l o c i t y ,v i b r a t i o na c c e l e r a -t i o n ,a n ds o u n dp r e s s u r e g r a d i e n t ,t h u s a c q u i r i n g c o m p r e h e n s i v e a c o u s t i c f i e l d i n f o r m a t o n .I t s s t r u c t u r a l d e s i g n ,p r i n c i p l e o f o p e r a t i o n ,a n dp e r f o r m a n c ec h a r a c t e r i s t i c s a r er e v i e w e d ,w i t hs e v e r a l e x a m p l e s i l l u s t r a t i n gi t s w i d e a n di m p o r t a n t p r a c t i c a l a p p l i c a t i o n s .K e y w o r d s s o n a r t e c h n o l o g y ,u n d e r w a t e r s o u n d r e c e i v i n g t r a n s d u c e r ,v e c t o r s e n s o r ,v e c t o r h y d r o p h o n e ,a c o u s -t i c f i e l d ,a c o u s t i c i n t e n s i t y2008-12-11收到　E m a i l :z h i f u .j i a @g m a i l .c o m n1　引言众所周知,声场是一种物理场.追溯声学学科的发展史,直到上世纪下半叶,人们对声场的表述和测量几乎都是以声场的标量(声压)为基础的.事实上,当我们把声场的声压表达式写成泰勒展开的形式并只取展开式的前三项作近似时,则有:P (x ,y ,z )=P (x 0,y 0,z 0,t )+(r -r 0)· P (x 0,y 0,z 0)+12(r -r 0) 2P (x 0,y 0,z 0)·(r -r 0)+…,(1)式中右边第一项表示在测量点r 0(x 0,y 0,z 0)处的声压值,它可以用无指向性的声压水听器(即零阶水听器)测得;第二项是在以此点(x 0,y 0,z 0)为中心,半径为r (要满足r λ,λ为声波波长)的小体积元内的声压梯度值,它是矢量,要用声压梯度水听器(即矢量水听器)来测得;而第三项表示在上述小体积元内的二阶声压梯度值,它要用二阶声压梯度水听器(即二阶矢量水听器)测得.从(1)式可以看出,若准确而又全面地描述声场,不仅要知道测点处的标量(声压)值,还需要知道测点处的一阶矢量和二阶矢量值.在平面波声场中,声压梯度与声媒质质点加速度或质点振速有确定的换算关系,测得其中任何一个值,即可得到另外其他二个值.标量“声压”只表征声场测点处的动态压力的大小,而矢量(声压梯度、质点振速或加速度等)表征了媒质质点在声场作用下以怎样的速度或加速度运动而又朝什么方向运动的,也就是说,声场矢量表征了声波能量流来自何方又朝哪个方向传递着的.这样一来,我们不仅获取了声场的标量信息,又获取了声场的矢量信息,这对洞察声场的时空结构,充实和发展声学理论以及开拓新的声呐检测技术都具有重要的意义.近些年来,有人提出了以声场矢量概念为基本理论并与实验技术相结合的“矢量水声学”的学术观点[1].最近30年来,由于材料科学和电子技术以及信息处理技术的飞速发展,促进了用于空气中和水下的矢量传感器的迅猛发展.不同工作原理、不同结构型式的矢量传感器应运而生,至今发展势头方兴未艾.本文仅扼要介绍水声技术中的矢量水听器的结构形式、工作原理及其基本特性;着重描述最新出现的几种矢量水听器;展现矢量水听器的突出特点;给出几个主要应用例子.2　矢量水听器结构类型[1—6]按水听器敏感元件与声场相互作用的形式可把矢量水听器分为三大类:偶极子型、不动外壳型和同振型.如按敏感元件换能机理的不同,矢量水听器又可分为压电式、动圈式、压阻式和光纤式等等.2.1　偶极子型偶极子型矢量水听器是矢量水听器的最原始形式,它可以直接由性能一致的一对点状(所谓“点状”是指其物理尺寸远小于声波波长)声压水听器构成,如图1(a ).两个声压水听器之间距r 小于波长.它们的电输出作串联连接,使得总输出电信号比例于两者所在点之间的声压差,因此这种型式的矢量水听器又称双水听器型或压差型.实际上它是用“有限差分”方法近似求出测点处的声压梯度.经过积分运算后可得到水质点振速.在直角坐标的三个正交轴上,分别放置一对点状声压水听器便构成了三维偶极子型矢量水听器.将一对水听器输出电信号相加并除以2便得到测点的声压值.这种三维结构的偶极子型矢量水听器可同时共点地测量三个正交矢量和一个标量(声压).图1(b )是双水听器型矢量水听器的变型设计[2].它是将压电陶瓷环的电极(通常作法是内电极)分割成两等份或四等份(环的外表面涂满电极),经过适当的电极化,使得相对的两个扇形部分的输出电信号作相减处理,便构成了偶极子结构型式的矢量水听器.如果把压电陶瓷环的内电极分割成四等份,通过适当的电极化和适当的电连接方式,又构成可同时测量同平面上的两个正交轴上的声压梯度或振速.本文后面将要介绍的多模式矢量水听器又是图1(b )结构型式的新发展.图1　偶极子型矢量水听器结构示意图2.2　不动外壳型(强迫型)它是由压电陶瓷圆片(或矩形片)通过一定方式固定于高密度金属壳体上而构成.在声场作用下,外壳对声波呈高机械阻抗,可看作静止不动,而压电片直接受到声场的动态压力(声压)作用,被“强迫”发生形变从而完成声—电转换.实际上,“不动外壳型”仍是一种压差式矢量水听器,水听器的输出电信号幅度依然与压电片两侧的声压之差成比例.为了提高这种矢量水听器的灵敏度,有意在外壳尺寸设计中,增加压电片两侧之间的声路径长度.这种压差式矢量水听器的结构及实物照片如图2所示[3].图2　不动外壳型矢量水听器以上两种结构型式的矢量水听器(图1,2)在其工作时可以刚性地固定于测量支架上,这也是它们要比下面讨论的“同振型”略胜一筹之处.2.3　同振型同振型矢量水听器是将惯性式敏感元件(振动加速度计、速度计等)封装于球形或圆柱形壳内而成.其工作原理是基于刚性球或圆柱体在声场作用下作振荡运动的特性.声学理论早已证明,当刚性球体或圆柱体的波尺寸d /λ(d 为球或圆柱的线度尺寸,λ为声波波长)很小时,它们在声场中的振荡运动速度分别可以写成如下表达式[2]:V s /V 0=3ρ/(2ρ-+ρ),V c /V 0=2ρ/(ρ-+ρ),(2)式中V s ,V c 分别为刚性性球体和柱体的振荡速度幅度,V 0为声媒质(例如水)质点振动速度,ρ-为球体或柱体的平均密度,ρ为声媒质(例如水)的密度.从(2)式可以看出,如果使球体或圆柱体的平均密度等于声媒质(例如水)的密度,即ρ-=ρ,则刚性球体或圆柱体的振动速度就等于声媒质质点振动速度.亦可以证明,这时V s 或V c 与V 0之间的相位差为零.换句话说,刚性球或柱体在声场中是与媒质质点同幅度同相位地运动.根据这种原理构成的矢量水听器因此而得名为“同振型”(c o -o s c i l l a t i n g t y p e ).借助安置于球体或圆柱体内的加速度计或速度计测出球或圆柱体的运动加速度或速度,也就获得了声媒质质点的振动加速度或速度的信息.因为同振型矢量水听器必须采用惯性式振动传感元件,因此,英文文献中都把“同振型”矢量水听器称作惯性型矢量水听器.同振型矢量水听器在其工作时必须用弹性悬置元件(如橡胶绳或金属弹簧等)将其悬挂在刚性框架上.弹性悬置元件是这种矢量水听器的重要组成部分.因此,悬置元件的设计和使用状况直接会影响到矢量水听器的电声性能.2.4　组合式矢量水听器实际结构的矢量水听器一般都与测量标量(声压)的敏感元件包装在一体内,这种结构型式的水听器称之为组合式水听器(C o m b i n e d H y d r o p h o n e ).使用组合式水听器可同时共点地测量声场测点处的三维(或二维)矢量和声压值,以便于对矢量和标量信号作联合处理.图3是本文作者研制的组合式同振球形和同振圆柱形矢量水听器实物照片.图3　本文作者研制的组合式矢量水听器实物照片3　矢量水听器的新设计举例3.1　基于M E M S 工艺的矢量水听器目前,任何一种传感器的小型化设计的途径都在走M E M S (微机电系统)技术的道路,矢量水听器也不例外.文献[7]的作者研制成功一种采用压阻式加速度敏感元件的矢量水听器.压阻式加速度敏感器件由半导体硅制作,如图4所示.在厚约400μm 的硅片上通过微机械加工工艺制作出可植入掺杂电阻的梁结构和用于产生位移的惯性质量结构.将此硅片与另一刻有槽结构的硅片通过键合技术封接起来,槽内封气体,用来产生阻尼.当声振动引起水听器振荡时,惯性质量结构相对外壳产生相对运动,致使梁结构发生形变.半导体应变电阻的电阻率发生变化(压阻效应),使电阻发生变化.再借助于惠斯通电桥检测出这种电阻变化,实现了声-声转换过程.文献[7]作者研制的压阻式矢量水听器在1000H z 频率时的声压灵敏度达到-194d B (r e V /μP a ).指向性图凹点深度达到20d B 以上.研制者认为,压阻式矢量水听器可实现小型化设计,灵敏度还可进一步提高.图4　拾振原理图文献[8,9]报道了基于仿生学的M E M S 压阻式矢量水听器.该文作者仿效鱼的侧线机械传感细胞(声毛细胞)感知水运动的原理,提出一种人工毛细胞矢量水听器的结构设计.水听器中的压阻传感元件采用M E M S 工艺制作.传感元件微结构示意图及矢量水听器实物照片如图5所示. 当有水声信号作用于透声杯状外壳时,声波透图5　基于仿生学的M E M S压阻式矢量水听器过蓖麻油传导到刚性塑料柱上,在惯性力作用下,刚性柱产生位移运动,致使与其相连的梁发生形变,因此硅压阻器的电阻值发生变化.借助惠斯通电桥将电阻值变化转换为电桥输出电压的变化,从而实现水声信号检测.在设计时使刚性塑料柱的平均密度接近蓖麻油(水)的密度,因此,此矢量水听器被看成是同振型.样器的灵敏度频响及指向性图测量结果表明,该矢量水听器在40—400H z频带内,1/3倍频程灵敏度变化斜率符合2d B规律,在400H z频率上的声压灵敏度为-197.2d B(扣除前置放大器增益后).据最新文献报道,荷兰M i c r o f l o w nT e c h n o l o g i e s 公司提出了一种用于水声学中测量媒质质点振速的传感器,被称之为“U n d e r w a t e r-M i c r o f l o w n”.该公司试图把商品化的用于空气中的振速传感器(商品名称:“M i c r of l o w n”)移植到水声学中.空气中用的“M i c r o f l o w n”质点振速传感器是采用M E M S工艺制作的,如图6所示.它的工作原理可以简单描述为:在传感元件中安排两根挨得很近的铂电阻丝,电阻丝被加热到约200℃.当有声波入射到传感器时,空气媒质质点的往复运动产生的热传导作用,造成两根铂丝的温度分布发生改变,总的温度分布使两根铂丝的温度有差异,因而它们的阻值便出现差异.借助于惠斯通电桥,把阻值的变化转换为电压的变化.声—电转换是建立在加热铂丝的阻值的变化幅度与空气质点振动速度幅度两者之间(在给定条件下)存在一定的依从关系基础上的.他们经过理论估算得出,对于同一只M i c r o f l o w n传感器,在空气中和水中的声压灵敏度应相差无几.然而,在充油的驻波管中,对其声压灵敏度进行测量后发现,测量值比预期值低得多.其原因是水媒质对传感器中的铂丝有牵制力影响.他们认为,如果解决了这个问题,尺寸十分小(在m m级)、具有精密“8”字形指向性图和低自噪声(低于零级海况时的噪声)的矢量水听器就会诞生.该公司称,已被用于“M i c r o f l o w n”中的纳米技术在开发革命性水声传感器“U n d e r w a t e r M i c r o f l o w n”方面有巨大的潜力[10,11].图6　M i c r o f l o w n传感器的实物照片3.2　压电单晶矢量水听器为满足美国海军的需求,美国W i l c o x o n R e s e a c h 公司和A p p l i e dp h y s i c a l s c i e n c e公司都推出一种采用P M N-P T压电单晶加速度计的矢量水听器[12—14],如图7所示.该压电加速度计除了采用压电电荷系数比P Z T高大约6倍的压电单晶(P M N-P T)元件外,还具有两个重要特点:一是与压电晶片表面相接合的基座及质量块的平面加工成似“城堡”的样式.即这些平面有许多凸起,用以减小压电晶体的受力面积并减小或消除晶体侧面的阻尼作用,这样有利于提高加速度计的轴向灵敏度;二是利用晶片的剪切模式并且晶片沿特定方向切割,使得晶体在振动作用下只在一个方向(如图7中的Y方向)有输出信号而在其他方向输出极小,这有利于使加速度计的横向灵敏度降到最低程度.据报道[12],这种矢量水听器的性能满足了美国海军所提出的要求.具体性能指标如下(灵敏度值是在前置放大器输出端测得,放大器增益不详):工作频率范围:3—70000H z.输出灵敏度: 加速度计为1.0V/g; 声压水听器(使用P Z T制作)为-174d B (r e l V/μP a).环境条件: 温度为-40℃—60℃; 静压力为2500P s i(约17.2M P a)水听器长度:71.3m m.水听器直径:40.7m m.浮力(在水中):中性图7　压电单晶加速度计及矢量水听器(a)单晶加速度计结构示意图;(b)单晶加速度计装配示意图;(c)单晶加速度计实物照片;(d)单晶水听器实物照片3.3　多模式矢量水听器在水声技术中已应用多年的多模式矢量水听器(M u l t i m o d e H y d r o p h o n e)近年来又有新发展[15,16].多模式矢量水听器是利用薄壁压电圆环或球壳的内(或外)电极分割成4等份或8等份,通过不同的电输出组合,分别可以构成0阶、1阶和2阶工作模式的水听器.这里0阶水听器就是通常意义下的无指向性声压水听器,1阶水听器就是1阶声压梯度水听器,而2阶水听器就是2阶声压梯度水听器.前面给出的(1)式中所包含的0阶(标量声压)及1阶和2阶矢量,使用多模式矢量水听器可同时共点地测得.更有实际意义的是,将0阶模的输出与1阶、2阶模的输出分别作适当加权后再作相加处理,可以得到一定波束宽度的心形指向性图.例如,用0阶和1阶声压梯度水听器的组合可以形成1阶心形指向性图.它可表示为:B(α,θ,)=[α+(1-α)c o sθs i n],(3)式中α为任意加权系数,θ为水平方位角,为极角.对于2阶心形指向性图,可表示为:B(α,θ,)=[α+(1-α)c o sθs i nθ]2 =[α2+2α(1-α)c o sθs i nθ+(1-α)2c o s2θs i n2].(4) 它可由0阶与1阶及2阶模作加权相加处理后得到.加权系数α取不同值时,根据方向性因子(D F)的积分表达式[17],可以计算出α取不同值时的指向性因子(D F),进而计算出指向性指数:D I= 10l g10(D F).从计算出的各种指向性图中选择满足水下声系统所要求的条件.最有用的两种指向性图是具有“最佳零值”和“最大D I”的指向性图.当α= 0.5时,对于1阶和2阶心形指向性图有“最佳零值”,这时,两者的心形指向性图的D I值分别为4.8d B;而当α=0.25时,对于1阶心形指向性图,有“最大指向性指数”6.0d B;当α=0.2时,2阶心形指向性图出现“最大指向性指数”8.7d B.这里应注意到,计算指向性因子(D F)的积分表达式[17]是对所有在水平角和极角内指向性图的平方进行积分,所以,为了在这样的空域内形成心形指向性图,多模水听器内必须包含有足够数目的传感元件.也就是说,形成1阶心形指向性图,要求1个标量(声压)传感器和1个3分量矢量传感器;形成2阶心形指向性图,除了要有1个标量传感器和1个3分量矢量传感器外,还要有1个6分量的2阶矢量传感器.必须指出,上述具有4等分电极的多模水听器,可以借助于控制电路使1阶心形指向性波束在水平平面内旋转,而2阶心形指向性波束只能以90°间隔作这种旋转.为了使2阶心形指向性波束也能在所有水平角内旋转,文献[16]中提出的具有8等分电极的圆柱形水听器设计方案,解决了这个问题.图8给出8等分压电陶瓷圆环及其多模水听器实物照片、“最佳零值”和最大“D I”条件下的1阶和2阶心形归一化指向性图[16].图8　多模水听器　(a )8等分压电陶瓷圆环;(b )水听器实物照片;(c )1阶(蓝色)和2阶(红色)心形指向性图3.4　光纤式矢量水听器对用于检测水下声场标量的光纤声压水听器的研究工作自上世纪80年代至今方兴未艾.与常规的压电式声压水听器相比,光纤声压水听器具有湿端重量轻、灵敏度高、动态范围大、不受电磁波干扰等优点,一直激发着人们的极大的研究热情,使光纤水听器逐步进入实用化阶段.为了满足某些应用对光纤声压水听器“小尺寸”要求,用B r a g g 光栅传感元件替代光纤线圈传感元件的新型光纤声压水听器已问世,使在直径0.25m m 的标准光纤芯上制造声传感成为可能[18].关于光纤矢量水听器的研究也倍受人们的关注.由于惯性式矢量水听器中的核心部件是加速度计或速度计,因此,光纤矢量水听器结构设计首先取决于光纤加速度计和速度计的研究成果.这里着重讨论以下几种光纤加速度计的结构设计和工作原理.3.4.1　弯曲圆盘型光纤加速度计[19]这种结构型式的光纤加速度计的结构如图9所示.采用周边简支或周边钳定的方式将弯曲圆盘1置于壳体2上.由光纤形成的两个扁平螺旋线圈3固定于弯曲圆盘表面.用螺杆4将质量块5夹紧于上下两个弯曲圆盘之间.6是两个光纤终端的反射体.单频激光从激光源发出后,经过耦合器7发送到光纤加帽的终端,光从此反射回到光耦合器,由于干涉作用产生光强度的变化.这种光强度的变化,对应于弯曲圆盘在加速度作用下产生轴向弯曲时所造成的光纤线圈光纤长度的相对变化.检测器将这种光强度变化转换成相应的电信号,便实现了加速度的检测过程.图9　弯曲圆盘式光纤加速度计结构示意图(1为弯曲圆盘;2为外壳;3为扁平式光纤线圈;4为固定螺杆;5为质量块;6为光纤终端反射体;7为耦合器)图10是图9所示弯曲圆盘型光纤加速度计的变型设计.它的优点是在弯曲圆盘的内、外侧都放置了扁平光纤线圈,使光纤总长度增加一倍.这种设计方案可使共模温度、静水压的影响减小到最低限度,也使灵敏度增大一倍.图10　图9结构的变形设计(1为外壳;2为质量块;3为扁平线圈;4为弯曲圆盘;5为耦合器;6为光纤反射端)图11给出另一种弯曲圆盘光纤加速度计的变型的设计[20].扁平光纤线圈1和2,3和4,5和6分别固定于三片弯曲圆盘7上,弯曲圆盘7用中心杆8支撑,惯性质量9安置在弯曲圆盘7的周边,形成类似于“悬臂梁”结构.3.4.2　基于弹性芯柱的光纤加速度计[21]图12是这种加速度的结构示意图.在用弹性材料(如硅橡胶)制成的芯柱1上紧绕一螺旋管线圈,在两个芯柱之间放置质量块2,借助预应力调整机构3,可使两个芯柱和质量块连成一体.当外壳4与被测振动体刚性相连接时,在质量块2产生的惯性力作用下,质量块两边的弹性芯柱发生形变,使每个螺旋管光纤线圈的光纤总长度发生相对变化,这光图11　图10的结构的变形设计(1—6为扁平线圈;7为弯曲圆盘;8为中心柱;9为质量块;10为外壳;11为耦合器)纤长度的相对变化通过干涉仪转换为光强度的变化,即可实现加速度的测量.图12的这种方案被称作推挽式.图12　弹性芯柱光纤加速度计原理图(1为弹性芯柱;2为质量块;3为预应力调解机构;4为基座;5为螺旋线圈)图13是采用这种设计方案的三维光纤干涉式速度传感器的结构示意图.H u等人[22]报道了他们研制的基于弹性芯柱的三维光纤矢量水听器.图14是实物照片.水听器直径为100m m.在5—500H z工作频率范围内,加速度图13　三维弹性芯柱光纤加速度计结构原理图(1为螺旋线圈;2为弹性芯柱;3为预应力调解机构)计的灵敏度约为656r a d/g.图14　芯柱式光纤矢量水听器实物照片3.4.3　基于充液弹性圆柱腔的光纤加速度计[23]这种设计方案可以看作是上述弹性芯柱的变型设计,如图15所示.在薄壁弹性芯柱腔内充满液体,芯柱外表面缠绕光纤线圈.如果外壳受加速度作用,芯柱腔内的液体对腔壁产生动压力,在两个线圈芯柱之间产生动压差.与芯柱“结伴相随”的两个光纤线圈产生光路长度差,它被干涉仪检测转换为光强度的变化.这里要强调的是,任何一种加速度计(常规或光纤式),其加速度灵敏度都与其中的质量块的质量成正比,而与其中的弹性元件的刚度成反比.对于干涉型光纤加速度计,其灵敏度还与光纤长度和工作波长成比例.而光纤长度可能影响到换能元件的刚度(比如对于芯柱式).工作频带宽度、噪声水平、尺寸、重量、坚固性、指向性、造价等因素都会影响到结构设计方案的选择.文献[23]对用上述3种设计方案制成的光纤加速度计(速度计)样器性能指标进行了综合性评价,结论是:芯柱式设计方案给出最有效的换能机理,而弹性弯曲圆盘和充液式设计方图15　充液式光纤加速度计原理图案在一些特定的应用场合也各具特色.3.5　可以刚性固定的同振型矢量水听器通常情况下,同振型矢量水听器在使用时必须用符合一定技术要求的悬置系统将其固定于重而刚性的框架或平台上.在工程实践中,这种悬挂系统的制作与使用给使用者带来诸多不便.举例说,当矢量水听器的载体(如潜艇等)在运动中或因某种原因产生振动时,就会给矢量水听器的正常工作带来不利影响.为此美国宾州大学研究人员申请一项专利技术,提出了同振型矢量水听器的结构设计方案[24].图16是设计方案示意图及实物照片.该设计方案的实质就在于把加速度计的基座延伸到加速度计外壳的外面,而加速度计的惯性质量块及外壳用弹性材料与基座相连.这种设计方案不仅适用于三维球形,也适用于二维圆柱形矢量水听器.专利人称,这种设计方案可使矢量水听器的尺寸做得相当小,工作频带的上限可提高到20k H z.4　矢量水听器的特性矢量水听器之所以受人们的青睐,是因为它有着一般水听器(例如常规声压水听器)所不具备的特性,使得它在水声领域大有用武之地.甚至在石油测井、海洋地质等领域也有着吸引人的应用前景.矢量水听器性能的独特之处简要地说有如下几点:4.1　“8”字形(也称余弦形或偶极子形)指向性理论和实践都已证明,不论哪种结构型式也不论基于何种工作原理,矢量水听器在其工作频率范图16　可以刚性固定于平台上的圆柱形矢量水听器;(a)结构示意图(1为人造泡沫塑料;2为外层壳体;3为顺性材料;4为第二壳体;5为压电元件(厚度极化);6为压电元件(切向极化);7为中心安装柱;8,9为声压通道压电元件;10为柔性缝隙);(b)实物照片围内,其指向性图均呈“8”字形.在理想情况下,三维指向性图则为两个相切的圆球;相反地,普通的无指向性水听器,在理想条件下,它的指向性图为一圆球形,如图17所示.从使用的观点来说,无指向性的水听器不能抑制海洋中固有的环境噪声,也就是说,这种水听器对来自空间的任何方向的环境噪声都全部“照收”,而有指向性的水听器则对来自某些方向的噪声有抑制能力.如果用指向性指数(D I)来表征水听器抑制噪声的能力,则对于无指向性水听器,D I =0d B;而对于单只1阶矢量水听器,则D I值为4.8d B.换句话说,对于无指向性水听器,它能检测到的最小信号级取决于环境噪声级;而1阶矢量水听器由于它具有“8”字形指向特性,它具有抑制一部分环境噪声的能力,抑制能力为4.8d B.如前面介绍“矢量水听器”的结构类型中曾提及,一般矢量水听器都包含有测量声压的传感器,以及2个或3个矢量分量传感器,亦即一个矢量水听器总共可以有3个或4个信号输出通道.视使用具体要求,可以把声压输出信号与矢量输出信号进行组合,以形成心形指向特性,如图17所示那样.这样一来,用一只矢量水听器可以得到具有不同指向性指数(D I)的指向性图.图17中所示的两个心形指向性图,声压通道输出信号与一阶矢量输出信号通道适当加权组合后得到的,分别称为“最佳零点”和“最佳指向性指数(D I)”心形指向性图.如果将声压。

“矢量水听器技术及其应用”项目获突破

“矢量水听器技术及其应用”项目获突破
佚名
【期刊名称】《《军民两用技术与产品》》
【年(卷),期】2013(000)005
【摘要】哈尔滨工程大学水下结构振动噪声测试与源识别创新团队研发的“矢量水听器技术及其应用”项目，实现了声呐技术新突破，增加了水下目标探测的信息和种类，提高了水下目标的探测距离，为我国舰船和水下航行器安装上了一双“锐眼”。

【总页数】1页(P27-27)
【正文语种】中文
【中图分类】U674.76
【相关文献】
1.胶东金矿理论技术创新与深部找矿突破项目获国家科技进步二等奖 [J], 中国地质科学院地质力学研究所
2.潍坊亚星国家科技支撑计划项目课题通过验收我国橡胶型氯化聚乙烯技术与应用获重大突破 [J], 孙杰
3.中国地质科学院“胶东金矿理论技术创新与深部找矿突破”项目获国家科技进步二等奖 [J], 本刊编辑部
4.中国地质科学院“胶东金矿理论技术创新与深部找矿突破”项目获国家科技进步二等奖 [J], 本刊编辑部
5.国家科技重大专项子项目获重大突破——新型分层注汽技术解决热采管柱打捞难题 [J], 马强
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三轴向电容式矢量水听器的研究的开题报告

三轴向电容式矢量水听器的研究的开题报告一、研究背景水声信号的接收技术在海洋探测、海洋科学研究、水下通信等领域中发挥着重要的作用。

其中，水听器作为一种用于接收水声信号的装置，其性能的优劣对于信号的接收质量有着至关重要的影响。

当前，市场上的水听器主要包括压电式、磁电式和电容式三种类型，其中，电容式水听器由于其响应频率范围广、输出信噪比高等特点，被越来越多的人们所关注和使用。

然而，传统的电容式水听器仅能实现单轴向接收，难以满足现实场景中对水声信号接收的多轴向、高灵敏度需求。

因此，开发一种能够实现多轴向电容式矢量水听器的技术方案，具有重要的研究意义和应用前景。

二、研究目的本研究旨在探究多轴向电容式矢量水听器的设计、制造和测试等关键技术，进一步提高水听器在水声信号接收中的应用性能和适用范围。

三、研究内容1. 多轴向电容式水听器的设计：根据水声信号接收的实际要求，设计多轴向电容式矢量水听器的机械结构和电路结构，确保多轴向水听器的信号输入和输出的可靠性和稳定性。

2. 多轴向电容式水听器的制造：根据设计方案，制造多轴向电容式水听器的机械部件和电路板，确保多轴向水听器的准确度和可靠性。

3. 多轴向电容式水听器的测试：利用声学测试系统对多轴向电容式水听器的参数进行测试，验证其性能指标是否符合设计要求。

四、研究意义通过本研究，可以有效提高水听器在水声信号接收中的应用性能和适用范围，满足多轴向水声信号接收的需求，为海洋探测、海洋科学研究和水下通信等领域的相关工作提供支持和保障。

五、研究方法本研究采用实验研究和数值模拟相结合的方法，通过实验数据和数值计算结果的对比分析，评估多轴向电容式矢量水听器的性能表现。

六、预期结果通过本研究，预期实现多轴向电容式矢量水听器的设计、制造和测试，初步取得多轴向水听器的性能参数和实际应用效果，为后续的技术优化和应用推广奠定基础。

基于单矢量水听器的海洋环境噪声方向性分析方法研究

基于单矢量水听器的海洋环境噪声方向性分析方法研究单矢量水听器是一种使用成本较低的水声设备，广泛应用于海洋环境的噪声监测中。

在海洋环境中，噪声的方向性对于大气声学、海洋生物学、海洋地质学等领域的研究都至关重要，因此，研究单矢量水听器在海洋环境噪声方向性中的应用具有重要意义。

在单矢量水听器的应用中，常使用多个水听器共同配合工作，通过水听器之间的距离和信号的差异，可以实现声波到达的方向识别。

在使用中，首先需要确定水听器的位置布局和阵列方向，以确定单矢量水听器的方向响应。

然后，利用信号分析技术，分析从各个方向传来的声波信号，并计算出声源的方向。

具体地说，首先需要获取水听器阵列接收到的声压信号，然后根据空间位置信息对信号进行时延对齐，并对信号进行滤波处理，以消除信号中的杂音和干扰。

在信号处理的基础上，可以使用支持向量机（SVM）、神经网络、模糊逻辑等算法，以从数据中提取方向性信息。

最后，通过机器学习模型，能够快速准确地确定声源的位置，并实现噪声方向性分析。

此外，还需考虑下列因素：受到的噪声影响、水听器的灵敏度和信噪比等因素。

这些因素的影响是不同的。

例如，信噪比低的情况下，可能只有一部分的声波能够被单矢量水听器检测到。

因此，在确定阵列布局和信号处理算法时，需要综合考虑各种因素，以准确识别噪声方向。

总的来说，单矢量水听器在海洋环境噪声方向性分析中的应用具有广泛的前景。

同时，在进行分析时，应综合考虑各种因素，以实现准确方向性分析，为海洋环境研究提供更准确、更全面的数据支持。

海洋环境噪声是指在海洋中传播的各种声波信号，可能来源于海洋工程、运输、船只、生物活动或其他人类活动。

研究这些噪声对海洋生态系统、海底地质环境及人类活动等方面的影响，是当今海洋环境学领域的重点之一。

下面将列出一些相关数据，并进行分析说明。

1. 首尔东海岸近海每月平均声压级和频率分布声压级（dB） 20-30 30-40 40-50 50-60 >601月 15.2 37.8 34.5 11.0 1.52月 14.1 37.9 35.0 11.6 1.43月 13.3 37.3 35.9 12.2 1.34月 13.0 37.1 36.2 12.8 0.95月 13.0 37.1 36.4 12.9 0.66月 17.6 39.2 33.2 9.7 0.47月 16.0 37.5 35.3 10.5 0.78月 14.1 36.5 36.6 11.8 0.99月 13.1 35.7 37.4 12.9 0.910月 12.1 36.2 37.8 13.3 0.611月 13.1 37.7 35.6 12.2 1.412月 14.1 37.6 34.7 11.8 1.8分析：从数据中可以看出，不同季节、不同月份的噪声水平存在较大差异。

基于矢量水听器的宽带辐射噪声测量方法研究的开题报告

基于矢量水听器的宽带辐射噪声测量方法研究的开题报告一、研究背景与意义宽带辐射噪声是环境噪声的重要组成部分，深远影响着人们的生活和健康。

针对船舶、飞机等大型机械的噪声测量研究，传统的测量方法主要是采用炮弹水听器，并且多数采用调频法和相位法解调，而这些方法存在着精度不足、易受干扰等缺点。

近年来，矢量水听器技术得到了发展，其能够对声波信号进行深度学习处理，并具有精度高、稳定性好、受干扰能力强等优点，成为测量宽带辐射噪声的研究热点之一。

因此，本研究旨在基于矢量水听器技术，建立一套测量宽带辐射噪声的新方法，提高测量精度和鲁棒性，为环境保护和噪声控制提供科学依据。

二、研究内容和方案（一）研究内容1. 分析传统宽带辐射噪声测量方法的局限性和不足点；2. 探究矢量水听器的技术原理和特点；3. 基于矢量水听器的测量方法建立及其实施；4. 验证新测量方法的精度和稳定性，并与传统方法进行比较分析。

（二）研究方案1. 文献调研：深入了解国内外宽带辐射噪声测量方法研究现状及矢量水听器的研究进展；2. 理论分析：通过理论分析，比较传统测量方法和基于矢量水听器的测量方法，探究矢量水听器技术的可行性和优势；3. 实验验证：通过在实验室和实际环境中对船舶和飞机等大型机械的声学测量，验证新测量方法的精度和鲁棒性，并与传统方法进行对比分析；4. 数据处理：对实验数据进行处理，提取有效信息，对比分析实验结果，评估新测量方法的优劣。

三、研究预期成果1. 提出一种基于矢量水听器的测量宽带辐射噪声的新方法；2. 探究矢量水听器在噪声测量中的应用，深入了解噪声信号特性和分析；3. 完善船舶、飞机等大型机械噪声测量技术；4. 为环境噪声控制和保护提供科学依据和技术支撑。

四、研究进度安排第一阶段（2021.9-2021.12）：阅读相关文献，了解国内外矢量水听器技术的研究现状，对传统噪声测量方法进行分析和总结。

第二阶段（2022.1-2022.4）：研究矢量水听器技术，探究其在噪声测量方面的应用，分析其优势和局限性，并结合实际情况提出优化方案。

基于矢量水听器的海洋环境噪声测量装置及分析软件设计的开题报告

基于矢量水听器的海洋环境噪声测量装置及分析软件设计的开题报告一、选题背景及意义随着人类经济和社会的发展，海洋环境逐渐成为人们日常生活和经济活动的重要资源和场所，如海洋油气勘探、海洋旅游、海洋渔业等。

而随之而来的是海洋环境的噪声污染问题，导致生态系统破坏、海洋生物群落的变异和整体功能的丧失，对海洋资源和人类社会产生深远的影响。

因此，研究和分析海洋环境噪声的特征和变化规律，对于实现清洁、健康、有序的海洋环境，保护海洋生物资源和生态平衡，推进海洋经济的可持续发展，具有重要的科学价值和实际应用价值。

二、研究内容及方法本项目旨在设计开发一种基于矢量水听器的海洋环境噪声测量装置及分析软件，通过对海洋环境噪声的实时监测和分析，掌握海洋生态环境的变化情况，为海洋环境保护和利用提供科学依据。

具体来说，本项目拟开展以下研究内容：1. 矢量水听器原理和信号处理技术研究，设计实现高精度的海洋环境噪声测量装置。

2. 基于海洋环境噪声特征的分析算法研究，对海洋环境噪声进行实时监测和数据处理，提取其中的有用信息。

3. 基于现代计算机技术的软件系统开发，实现海洋环境噪声数据的可视化呈现、处理和分析，支持实时数据监控和存储，提高数据处理效率和准确度。

本项目将采用实验室仿真和实际海洋环境测试相结合的方法，验证研究成果的正确性和实用性。

三、预期成果及应用本项目预期达到以下成果：1. 设计实现一种高性能的基于矢量水听器的海洋环境噪声测量装置，可实现远程监测和控制，提高数据采集和处理效率。

2. 研究并实现一种海洋环境噪声特征分析算法，具有实时性和准确性，提高对海洋环境噪声的监测和分析能力。

3. 开发一种基于现代计算机技术的高性能软件系统，实现海洋环境噪声数据的可视化呈现、处理和分析，支持实时数据监控和存储，提高数据处理效率和准确度。

这些研究成果可应用于海洋环境噪声监测、海洋生态环境监测与评估、海洋经济活动的有序开展等领域，具有广阔的应用前景和市场潜力。

NEMS矢量水听器的海上实验研究

NEMS矢量水听器的海上实验研究
刘宏;刘慧敏;张国军;葛晓洋;薛南
【期刊名称】《舰船科学技术》
【年(卷),期】2013(035)008
【摘要】NEMS矢量水听器是可以接收来自水下二维空间声音信号的一种新型仿生结构.在室内研究的基础上进行海上实验,对单个NEMS矢量水听器采集的船辐射噪声进行处理.结果表明,单个NEMS矢量水听器能够在真实的海洋环境中对运动的目标进行航迹跟踪;利用CZT方法能够对海上运动目标进行特征线谱分析,提高了在局部频段内的分辨能力,频率分辨力可达0.32 Hz.
【总页数】4页(P38-40,45)
【作者】刘宏;刘慧敏;张国军;葛晓洋;薛南
【作者单位】中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室,山西太原030051;北京航天控制仪器研究所,北京100854;中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室,山西太原030051;中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室,山西太原030051;中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室,山西太原030051【正文语种】中文
【中图分类】TB535
【相关文献】
1.压差式矢量水听器驻波场校准实验研究 [J], 吕文磊;庞盟;王利威;张敏;周宏朴;廖延彪;康崇;苑立波
2.低频矢量水听器目标绝对方位估计海上试验研究 [J], 陈川
3.MEMS矢量水听器阵列的仿真与实验研究 [J], 冯飞
4.基于加速度传感的三维光纤矢量水听器实验研究 [J], 熊水东;罗洪;胡永明;孟洲;倪明
5.海上油田自生气冻胶泡沫堵水技术实验研究 [J], 王晓龙;李建晔;宋书渝;贾永康;李晓伟
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基于矢量水听器的噪声声强测量技术

基于矢量水听器的噪声声强测量技术
肖勇兵;韩引海;刘熙沐
【期刊名称】《科技资讯》
【年(卷),期】2009(000)003
【摘要】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此情况,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显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.
【总页数】2页(P45-46)
【作者】肖勇兵;韩引海;刘熙沐
【作者单位】91388部队95分队,广东湛江,524022;91388部队95分队,广东湛江,524022;91388部队95分队,广东湛江,524022
【正文语种】中文
【中图分类】U671
【相关文献】
1.利用声强测量技术识别内燃机主要噪声源 [J], 朱德滨;杨维平
2.声强测量技术在汽车噪声测试中的应用 [J], 王建民;范顺成
3.声强测量技术在发电机组噪声控制中的应用 [J], 马孝伟;沈卫东;徐嘉锋;王培文;邵锦萍
4.声强测量技术在汽车噪声测试中的应用分析 [J], 李韦良
5.声强测量技术在车辆噪声控制中的应用 [J], 武一民;周志革;刘志新;尉彬
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由矢量水听器阵反演海底地声参数_李风华

第31卷第7期哈　尔　滨　工　程　大　学　学　报 V o l .31№.72010年7月 J o u r n a l o f H a r b i n E n g i n e e r i n g U n i v e r s i t y J u l .2010d o i :10.3969/j .i s s n .1006-7043.2010.07.013由矢量水听器阵反演海底地声参数李风华,孙　梅,张仁和(中国科学院声学研究所声场声信息国家重点实验室,北京100190)摘　要:矢量水听器能同时测量声压和质点振速信号,为了对这些信息在海底地声参数反演中加以充分利用,根据声传播理论研究了不同号简正波对声矢量场的影响,并在此基础上提出了一种将声压和质点振速相联合的地声反演方法.理论与实验研究表明,对声压和质点水平振速而言,低号简正波往往占主要贡献,而对于质点垂直振速,高号简正波的贡献更大.海底地声参数反演的数值仿真与实验结果表明,基于矢量水听器阵的地声反演方法可以有效降低海底声学参数反演的不确定性.这为矢量水听器应用于海洋环境监测提供了一种新方法.关键词:矢量水听器;矢量声场;地声反演;匹配场中图分类号:O 427.1　文献标识码:A 文章编号:1006-7043(2010)07-0895-08G e o -a c o u s t i c i n v e r s i o nf o r a v e c t o r s e n s o r a r r a yL I F e n g -h u a ,S U NM e i ,Z H A N GR e n -h e(S t a t eK e y L a b o r a t o r y o f A c o u s t i c s ,I n s t i t u t e o f A c o u s t i c s ,C h i n e s e A c a d e m y o f S c i e n c e s ,B e i j i n g 100190,C h i n a )A b s t r a c t :V e c t o r s e n s o r s c a n m e a s u r e p a r t i c l e v e l o c i t y a n d p r e s s u r e s i m u l t a n e o u s l y .T o m o r e e f f e c t i v e l y u s e t h e s i g -n a l r e c o r d e d w i t h a v e c t o r s e n s o r ,t h e i n f l u e n c e o f d i f f e r e n t n o r m a l m o d e s o n v e c t o r f i e l d s w e r e s t u d i e d a c c o r d i n g t o p r o p a g a t i o n t h e o r y .Ag e o -a c o u s t i c i n v e r s i o n m e t h o d w a s p r o p o s e d b a s e d o n a c o m b i n a t i o n o f p r e s s u r e a n d p a r t i c l e v e l o c i t y .T h e o r e t i c a l a n d e x p e r i m e n t a l r e s u l t s s h o w e d t h a t l o w e r m o d e s d o m i n a t e f o r t h e h o r i z o n t a l p a r t i c l e v e l o c i t y a n d p r e s s u r e ,w h i l e h i g h e r m o d e s a r e r e l a t i v e l y i m p o r t a n t f o r v e r t i c a l p a r t i c l e v e l o c i t y .B o t h s i m u l a t i o n s a n d e x p e r i -m e n t a l r e s u l t s f o r g e o -i n v e r s i o n s h o w e d t h a t t h e u n c e r t a i n t y o f i n v e r s i o n w a s d e c r e a s e d b y a g e o -a c o u s t i c i n v e r s i o n m e t h o d b a s e d o n a v e c t o r s e n s o r a r r a y .I t p r o v i d e s a n e wm e t h o d f o r i n s p e c t i n g t h e o c e a n e n v i r o n m e n t w i t h v e c t o r s e n s o r s .K e y w o r d s :v e c t o r s e n s o r ;v e c t o r a c o u s t i c f i e l d ;g e o -a c o u s t i c i n v e r s i o n ;m a t c h e d f i e l d p r o c e s s i n g (M F P )收稿日期:2010-05-15.基金项目:国家自然科学基金资助项目(10734100).作者简介:李风华(1975-),男,研究员,博士生导师,E -m a i l :l f h @m a i l .i o a .a c .c n ;张仁和(1936-),男,研究员,中国科学院院士.通信作者:李风华. 矢量水听器能同时测量声压信号和质点振速信号,是一种重要的水声传感器.研究表明,矢量水听器有可能有效提高检测的信噪比而受到广泛的关注.杨士莪院士带领的哈尔滨工程大学水声工程学院是我国进行矢量水听器研究开展最早的单位,在矢量水听器研究领域取得了丰硕的成果.目前有关矢量水听器的研究往往主要集中在矢量水听器的研制[1-3]与信号处理等领域.而信号处理方面的研究主要集中在提高信噪比[4]、高精度测定目标方向[5-10]、分辨多目标[11-12]等领域.有关基于海洋信道传播特性的研究还相对较少.本文从简正波理论出发,深入研究了不同号简正波对矢量声场的影响.研究表明,不同号简正波对声压、质点水平振速、质点垂直振速有不同的贡献.利用上述特性,可以提高目前基于声压场的海底声学参数反演精度.文献[13]曾提出应用声压和质点垂直振速相结合来反演海底声速和海底吸收系数,能有效提高反演精度.本文提出了一种新的基于矢量声场的联合反演方法,研究表明本文的方法可以获得比文献[13]更高的反演精度.1　浅海声场简正波理论根据简正波理论,位于深度z 0处的简谐点源在空间某一位置(r ,z )处激发的声场表示为P (r ,z )=j ρ8πr ∑Nn =1φn (z 0)φn (z )1μne -j (μn r -π4)-β,n ,(1)V r (r ,z )=jρ2ω8πr∑Nn =1φn (z 0)φn (z )μn e -j (μn r -π4)-β,n ,(2)V z (r ,z )=-1ρ2ω8πr ∑N n =1φn (z 0)φn ′(z )1μne -j (μn r -π4)-β,n .(3)式中:P 为声压,V r 为质点振速的水平分量(称为质点水平振速),V z 为质点振速的垂直分量(称为质点垂直振速),μn 为简正波的本征值,βn 为简正波的本征衰减,φn 为简正波的本征函数,φn ′(z )是本征函数在深度方向的导数.声场矢量的传播损失表示为T L P =-20l g P (r ,z )P r e f ,(4)T L v r =-20l g V r(r ,z )V r e f ,(5)T L v z=-20l g V z(r ,z )V r e f.(6)式中:P r e f 和V r e f分别为参考声压和参考振速,定义为P r e f =e -j k 0r 4πr r =1,V r e f =k 0ρω·e -j k 0r 4πr r =1.(7)式中:k 0=ω/c (z 0).2　浅海矢量声场简正波幅度特性从式(1)～(3)可以得出,第n 号简正波对应的声压、质点振速的幅度为P n =φn (z 0)φn (z )1μne -βn r,(8)V r n =φn (z 0)φn (z )μn e -βnr,(9)V z n =e j π/2φn (z 0)φn ′(z )1μne -βn r .(10) 为书写简便起见,上述公式中都略去了jρ8πr×e-j (μnr -π/4)因子,式(9)、(10)中同时略去了1/(ρω)因子.根据波束位移射线简正波理论[14],式(8)～(10)可以进一步表示为P n =A n si n (-∫zξμ2n -k 2(z )d z +π/2-φs /2)1μn,(11)V r n =A n si n (-∫z ξμ2n -k 2(z )d z +π/2-φs /2)μn ,(12)V z n =A n c o s (-∫zξμ2n -k 2(z )d z +π/2-φs /2)1μnμ2n -k 2(z ).(13)式中:A n =2S n +δs n +δb n·s i n (-∫z ξμ2n -k 2(z )d z +π/2-φs /2)B E 4/3-D E 2/3[μ2n -k 2(z )]+16[μ2n -k 2(z )]2.(14)式中:S n 、δs n 和δb n 分别为简正波跨度、海面与海底波束位移,B 和D 为常数,k (z )=ω/c (z ),φs 为表面相移.简正波的本征值还可以用射线的掠射角来表示: μn =k (z )c o s θn (z ).(15)式中:θn (z )为第n 号简正波在深度z 处的掠射角.根据声线传播所遵循的S n e l l 定律:k (z )c o s θn (z )=k 0c o s θn 0.(16)式中:θn 0为第n号简正波的起始掠射角.则式(11)～(13)可以进一步简化为P n =A n s i n Υn 1k 0c o s θn 0e -βn r,(17)V r n =A n s i n Υnk 0c o s θn 0e -βnr,(18)V z n =A n c o s Υn1k 0c o s θn 0k 0s i n θn (z )e -βn r.(19)式中:Υn =-∫zξμ2n -k 2(z )d z +π/2-φs /2).(20)对式(17)～(19)在深度与频率上平均,并假设在一般情况下简正波对应的掠射角θn 是一个小角度.根据平滑平均理论有<P n >≈<V r n >(21)<V z n >≈<V r n >s i n θn (z ).(22) 所以从平滑平均理论的角度来说,高号简正波·896·哈　尔　滨　工　程　大　学　学　报第31卷由于衰减大而快速减小,对于声压信号与质点水平振速信号,低号简正波起主要作用.但是根据式(22),低号简正波对应的简正波掠射角小而对质点垂直振速信号贡献变小,相反高号简正波起相对重要作用.从式(17)～(19)也可以看出,当在一定深度上质点水平振速达到极值时对应的质点垂直振速的幅度为0.同时还可以得出对应同一号简正波,水平振速与垂直振速的相位差为π/2.图1　声速剖面F i g .1　S o u n ds p e e dp r o f i le图2　矢量水听器记录波形F i g .2　Wa v e f o r m s r e c o r d e dw i t h v e c t o r s e n s o r图1、2给出了一次海上实验测量的结果.图1是该次实验中测量得到的声速剖面,横坐标是海水声速,纵坐标是海深.在这次实验中采用气枪声源作为低频宽带声源,声源深度为10.5m ,矢量水听器位于水下18.1m 处接收传播信号.图2给出了声源到接收器距离为5.25k m 时记录到的波形,横坐标表示时间,纵坐标表示信号的归一化幅度,信号带宽为100～140H z ,实线是实验记录的信号波形,虚线是信号的包络.从图2(a )、(b )可以看出,实验记录到的信号存在两号简正波,且声压和水平振速具有近似相同的简正波幅度比,对于声压和水平振速,1号简正波的幅度明显高于2号简正波.而对于垂直振速,与前面的理论推导结果一致,简正波的相对幅度有明显的变化.并且从图2中还可以看出,垂直振速与声压或水平振速存在90°的相位差.3　声压振速的联合反演方法由于质点垂直振速与声压、水平振速的结构有明显的区别,其受海底参数的影响也不同,所以联合起来可以更好地获取海底参数.为了研究获取海底声学参数方法,采用非相干B a r t l e t t 处理器匹配场反演海底声速,常规的基于声压匹配的代价函数可以表示为E P =1M f ∑M fj =1∑Li =1pi (f j )·p ＊i (f j )2∑Li =1p i (f j)2·∑Li =1p ＊i(f j)2.(23)式中:p i (f )表示第i 号接收器在实验过程中接收到的声压信号,pi (f )是理论估计值,L 表示接收器个数,M f表示计算采用的频点数.若只利用质点垂直振速进行匹配场反演海底参数,可仿制上式类似的得到E v z:E v z =1M f ∑M fj =1∑Li =1v z i(f j)·v ＊z i(f j)2∑Li =1v z i (f j)2·∑Li =1v ＊z i(f j)2.(24) 文献[13]利用式(23)与(24)定义的代价函数对声压场和质点垂直振速场进行联合匹配,表达式如下:·897·第7期李风华,等:由矢量水听器阵反演海底地声参数E p ,v z =E p ·E v z.(25) 但是上述方法本质上还是将声压信号与质点垂直振速信号进行独立反演.文中提出了一种新的声压和垂直振速联合反演方法.设实验中一个由L 个矢量水听器组成的垂直阵接收到的声压和质点垂直振速信号分别表示为p=[p 1　p 2　…　p L ],(26)v z =[v z 1　v z 2　…　v z L ].(27) 由于声压和垂直振速幅度上的差异,先将声压向量和垂直振速向量除以某一参考值,得到如下声压和垂直振速:p l =p l /P ,(28)v z l =v z l/V .(29)式中:P 与V 为参考量,可以为其中一个水听器的声压与垂直振速的幅度.将由式(28)表示的声压和由式(29)表示的垂直振速联合生成一个新向量S :S=[p 1　p 2　…　p L v z 1　v z 2　…　v z L ].(30) 本文采用的反演方法就是基于由新向量S 表示的声场应用式(23)进行匹配场反演.4　仿真研究本节通过仿真来说明本文提出方法的有效性,并将结果与由匹配声压、匹配质点垂直振速及文献[13]的方法得到的结果进行比较.仿真采用如图4所示的水文环境,海底密度取1.8g /c m 3,海深和海底声速分别取103m 和1700m /s ,计算频率范围为100～200H z .为与文献[13]提出的方法进行比较,本文反演时海底密度设为真值,主要反演海底声速,并考虑海深不确定性对反演结果的影响.海底吸收的反演将在下一节中讨论.不同方法的反演结果如图3所示,图中横坐标表示的是海底声速的取值范围,纵坐标表示的是海深的取值范围,将代价函数从峰值下降10%定义为反演结果误差估计范围.可以看出,匹配垂直振速得到的结果精度高于声压反演结果,由文献[13]得到的结果其精度高于声压反演结果低于垂直振速反演结果,而应用本文的方法得到的结果其精度明显高于上述3种方法.图3　不同方法的仿真结果F i g .3　S i m u l a t i v e r e s u l t s f r o md i f f e r e n t m e t h o d s5　实验结果及讨论5.1　实验结果2009年中国科学院声学研究所声场声信息国家重点实验室在南海进行了一次水声传播实验,实验采用由3个矢量水听器组成的垂直阵接收传播信·898·哈　尔　滨　工　程　大　学　学　报第31卷号,矢量水听器深度分别为19.3、40.3、59.8m .实验期间发射船在不同距离上投放信号弹,信号弹爆炸深度约为50m .实验海区平均水深约104m ,图4给出了测量得到的实验海区的声速剖面,横、纵坐标分别表示海水声速和海深.图4　实验测量声速剖面F i g .4　M e a s u r e ds o u n ds p e e dp r o f i le图5　不同变量对海底密度的敏感性分析F i g .5　S e n s i t i v i t y a n a l y s i s o f d i f f e r e n t p a r a m e t e r s o n b o t t o md e n s i t y图5给出了声压、垂直振速及本文提出的方法对海底密度的敏感性分析,计算采用图4所示的水文,海水深度取103m ,海底声速取1700m /s ,横坐标是海底密度的取值范围,纵坐标是由式(23)得到的代价函数值.可以看出,本文提出的联合方法对海底密度较为敏感.考虑到本文提出的方法对海底密度较为敏感,因此这里将密度一起进行反演.反演采用单层均匀海底模型,对海底密度、海底声速及海深在变化范围内进行全局搜索.海底密度的搜索范围为1.6～2.0g /c m 3,海底声速的搜索范围为1600～1900m /s ,海深的搜索范围为98～108m .反演采用的信号频率范围为100～200H z .表1给出了不同密度下对海深和海底声速进行二维搜索时得到的代价函数峰值,可以看出,海底密度取1.77g /c m 3代价函数取最大值.表1　不同密度下的代价函数峰值T a b l e 1　P e a kv a l u e o f t h e c o s t f u n c t i o no f d i f f e r e n t b o t t o md e n s i t y 海底密度/g ·c m -3代价函数峰值1.600.4541.700.4471.730.4781.750.4901.770.4981.790.4871.810.4721.900.4362.000.447 图6给出的是海底密度取1.77g /c m 3时,不同方法的代价函数与海底声速和海深的变化关系,横、纵坐标分别表示海底声速和海深的取值范围.图中代价函数的取值范围定义为代价函数从峰值下降10%.由图6可以看出,应用本文的方法其反演结果精度明显高于应用声压、垂直振速及文献[13]方法反演的结果.根据图6(d )得到最终反演结果为海深102.6m ,海底声速1714m /s ,海底密度1.77g /c m 3.应用位于水下19.3m 处的矢量水听器接收到的距离为23.25k m 投放的一发信号弹的水平振速与垂直振速的传播损失差,得到中心频率为300H z 时海底的吸收系数为0.09d B /λ.采用该吸收系数及反演得到的其他海底参数,可以计算得到30k m 以内中心频率为300H z 时(带宽为1/3倍频程)的传播损失,并将计算结果与实验结果进行比较,如图7所示.图中实线和虚线分别是理论计算的水平振速和垂直振速的传播损失,圆圈和方块分别是水平振速和垂直振速的实验结果,可以看出,反演结果可以较好地解释实验测量结果.·899·第7期李风华,等:由矢量水听器阵反演海底地声参数图6　不同方法的实验结果F i g.6　E x p e r i m e n t a l r e s u l t s f o r m d i f f e r e n t m e t h o ds图7　传播损失F i g.7　T r a n s m i s s i o n l o s s5.2　海水声速误差及声源深度误差对反演结果的影响本节通过数值计算简要讨论海水声速剖面测量误差与声源深度测量误差对本文提出的反演方法的影响,其中将海底密度取为上节得到的密度值,即1.77g/c m3.图8　海水声速误差对反演结果的影响F i g.8　I n f l u e n c eo f s o u n ds p e e de r r o r o ni n v e r s i o nr e s u l t图8给出的是海水声速误差对反演结果的影·900·哈　尔　滨　工　程　大　学　学　报第31卷响,图中代价函数的取值范围定义为代价函数从峰值下降10%,横坐标表示海底声速的取值范围,纵坐标表示海深的取值范围.可以看出,与图6(d )结果相比,图8(a )、(b )2种情况下得到的代价函数值明显低于图6(d )结果,但反演结果取值范围与图6(d )基本一致.可见,较小的海水声速误差对反演结果影响较小.图9给出的是声源深度误差对反演结果的影响,图中代价函数的取值范围定义为代价函数从峰值下降10%,横、纵坐标分别表示海底声速和海深的取值范围.可以看出,与图6(d )相比,声源深度取52m 时代价函数值最大,但是,3种情况下得到的反演结果取值范围基本一致,说明较小的声源深度误差对反演结果影响较小.图9　声源深度误差对反演结果的影响　I n f l u e n c e o f s o u r c e d e p t he r r o r o n i n v e r s i o nr e s u l t6　结束语本文的理论与实验研究表明,对垂直振速而言,具有大掠射角的高号简正波往往占主要贡献;而对声压或水平振速而言,具有小掠射角的低号简正波往往占主要贡献.本文提出的声压和垂直振速联合反演地声参数的方法,可以有效提高反演精度,且较小的海水声速误差和声源深度起伏对反演结果影响较小.这为矢量水听器应用于海洋环境监测提供了一个新方法.参考文献:[1]贾志富.同振球型声压梯度水听器的研究[J ].应用声学,1997,16(3):20-25.J I AZ h i f u .O n p r e s s u r e g r a d i e n t h y d r o p h o n e w i t h c o -o s c i l l a -t i n g s p h e r e [J ].A p p l i e dA c o u s t i c s ,1997,16(3):20-25.[2]贾志富.三维同振球型矢量水听器的特性及其结构设计[J ].应用声学,2001,20(4):15-20.J I A Z h i f u .D e s i g na n dc h a r a c t e r i s t i c so f ar e s o n a n t -s p h e r e t y p e t h r e e -d i m e n s i o n a lv e c t o r h y d r o p h o n e [J ].A p p l i e d A c o u s t i c s ,2001,20(4):15-20.[3]M C C O N N E L L JA .A n a l y s i so f ac o m p l i a n t l ys u s p e n d e da c o u s t i cv e l o c i t y s e n s o r [J ].J A c o u s t S o cA m ,2003,113(3):1395-1405.[4]惠俊英,李春旭,梁国龙,等.声压和振速联合信号处理抗相干干扰[J ].声学学报,2000,25(5):389-394.H U I J u n y i n g ,L IC h u n x u ,L I A N G G u o l o n g ,e ta l .Wi t h p r e s s u r e a n dp a r t i c l ev e l o c i t yac o m b i n e ds i g n a l p r o c e s s i n g a p p r o a c ha g a i n s t c o h e r e n t i n t e r f e r e n c e [J ].A c t a A c u s t i c a ,2000,25(5):389-394.[5]冯海泓,梁国龙,惠俊英.目标方位的声压、振速联合估计[J ].声学学报,2000,25(6):516-520.F E N GH a i h o n g ,L I A N GG u o l o n g ,H UIJ u n y i n g .T h e d i r e c -t i o n e s t i m a t i o n u s i n g c o m b i n e d s e n s o r w i t h p r e s s u r e a n d p a r -t i c l e v e l o c i t y [J ].A c t a A c u s t i c a ,2000,25(6):516-520.[6]孙贵青,杨德森,张揽月,等.基于矢量水听器的最大似然比检测和最大似然方位估计[J ].声学学报,2003,28(1):66-72.S U N G u i q i n g ,Y A N G D e s e n ,Z H A N G L a n y u e .M a x i m u m l i k e l i h o o dr a t i o n d e t e c t i o n a n d m a x i m u ml i k e l i h o o d D O Ae s -t i m a t i o n b a s e d o nt h ev e c t o r h y d r o p h o n e [J ].A c t a A c u s t i -c a ,2003,28(1):66-72.[7]H A WK E SM,N E H O R A I A .A c o u s t i cv e c t o r -s e n s o r b e a m -f o r m i n g a n d C a p o n d i r e c t i o n e s t i m a t i o n [J ].I E E ET r a n s o n S i g n a l P r o c e s s i n g ,1998,46(9):2291-2304.·901·第7期李风华,等:由矢量水听器阵反演海底地声参数[8]WO N G K T,Z O L T O WS K I M D.R o o t-M U S I C-b a s e da z i-m u t h-e l e v a t i o n a n g l e-o f-a r r i v a le s t i m a t i o n w i t h u n i f o r m l y s p a c e db u ta r b i t r a r i l yo r i e n t e dv e l o c i t yh y d r o p h o n e s[J].I E E ET r a n so nS i g n a l P r o c e s s i n g,1999,47(12):3250-3260.[9]WO N G K T,Z O L T O WS K I M D.S e l f-i n i t i a t i n gM U S I C-b a s e d d i r ec t i o nf i nd i n gi nu n de r w a t e r a c o u s t i cp a r t i c l ev e-l o c i t y-f i e l db e a m s p a c e[J].I E E EJ o f O c e a n i c E n g,2000,25(2):262-273.[10]H A WK E S M,N E H O R A I A.Wi d e b a n ds o u r c el o c a l i z a t i o nu s i n g ad i s t r i b u t e da c o u s t i c v e c t o r-s e n s o r a r r a y[J].I E E E T r a n s o nS i g n a l P r o c e s s i n g,2003,51(6):1479-1491. [11]王德俊,李风华.基于单个矢量水听器和子空间旋转的宽容宽带双目标分辨与跟踪方法[J].声学学报,2007,32(5):404-410.W A N GD e j u n,L I F e n g h u a.Ar o b u s t s e p a r a t i n g a n d t r a c k-i n g m e t h o do nt w ow i d e b a n ds o u r c e sb ys u b s p a c e r o t a t i o nw i t h o n e v e c t o r h y d r o p h o n e[J].A c t aA c o u s t,2007,32(5):404-410.[12]白兴宇,姜煜,赵春晖.基于声压振速联合处理的声矢量阵信源数检测与方位估计[J].声学学报,2008,33(1):56-61.B A IX i n g y u,J I A N G Y u,Z H A OC h u n h u i.D e c t i o n o fn u m b e r o f s o u r c e s a n dd i r e c t i o no f a r r i v a l e s t i m a t i o n b a s e d o nt h ec o m b i n e di n f o r m a t i o np r o c e s s i n go f p r e s s u r ea n d p a r t i c l ev e l o c i t y u s i n g a c o u s t i c v e c t o r s e n s o r a r r a y[J].A c-t aA c o u s t,2008,33(1):56-61.[13]P E N GH a n s h u,L I F e n g h u a.G e o a c o u s t i ci n v e r s i o nb a s e do n a v e c t o r h y d r o p h o n e a r r a y[J].C h i nP h y i s L e t t,2007,24(7):1977-1980.[14]张仁和,李风华.浅海声传播的波束位移射线简正波理论[J].中国科学(A辑),1999,29(3):241-251.Z H A N G R e n b e,L I F e n g h u a.B e a m d i s p l a c e m e n t r a y-m a d e t h e o r y o f s o u n dp r o g a g a t i o n i n s h a l l o ww a t e r[J].S c i e n c e i nC h i n a(S e r i e s A),1999,42(7):739-749.[责任编辑:陈　峰]·902·哈　尔　滨　工　程　大　学　学　报第31卷。

单矢量水听器估计目标方位的方法与实验

单矢量水听器估计目标方位的方法与实验笪良龙;侯文姝;孙芹东;王文龙【摘要】为评估基于单矢量水听器的方位估计能力,在黄海海域对矢量水听器进行实验.矢量水听器吊放于接收船尾部,采用平均声强器和复声强器方位估计方法,并提出以概率密度值最大的方位角作为目标方位估计值的具体处理准则,对恒定方向、匀速行驶的目标船方位进行估计,并求出两种方法的方位估计误差.结果表明,水听器布放深度10 m时,对正横距离为0.42 km的航速10 kn的目标船,平均声强器方法的水平方位角估计误差18°,极角估计误差为5°,可以在离目标船最远1.17 km处估计其方位;复声强法的水平方位角估计误差为13°,极角估计误差为8°,可以在离目标船最远2.35 km处估计其方位.在有接收船的噪声干扰情况下,复声强器比平均声强器方法估计的方位更准确,可以对更远处的噪声源进行方位估计.【期刊名称】《应用声学》【年(卷),期】2015(034)006【总页数】10页(P516-525)【关键词】方位估计;矢量水听器;平均声强器;复声强器【作者】笪良龙;侯文姝;孙芹东;王文龙【作者单位】海军潜艇学院青岛 266071;海军潜艇学院青岛 266071;海军潜艇学院青岛 266071;海军潜艇学院青岛 266071【正文语种】中文【中图分类】TB566单矢量水听器同步共点测量声压和质点振速矢量［1］，可有选择地抑制离散干扰噪声源发出的噪声，有效定位噪声目标［2］。

相对传统水听器阵，单矢量水听器有4个共点阵元，可获得更高增益，有效抗“左右舷模糊”。

且单矢量水听器体积小、功耗低，可应用于海上分布式智能系统的轻型节点或移动节点，如浮标、潜标和AUV［1］。

而这些节点均对要求解算目标角度的算法计算量小，易于在硬件上实现。

单矢量水听器方位估计算法主要有平均声强器方位估计和复声强器方位估计方法［3-4］，又称为时域和频域［1］两种方式。

基于矢量水听器的舰船辐射噪声测量技术研究的开题报告

基于矢量水听器的舰船辐射噪声测量技术研究的开题报告1.研究背景随着舰船制造技术的不断发展和应用，舰船辐射噪声已成为舰船设计和研发中的一个关键问题。

舰船辐射噪声的产生涉及到船舶的结构设计、机械设备、水动力学等多个方面，其强度和频率分布对舰船性能和人员健康都会产生较大的影响。

因此，舰船辐射噪声的测量和分析是保障舰船正常运行和提高其性能的重要手段。

目前，舰船辐射噪声的测量技术已经成熟并且应用广泛，但是传统的测量技术存在一定的局限性，如对精度、探测范围等方面都会有一定的影响。

2.研究目的本研究旨在探讨一种基于矢量水听器的舰船辐射噪声测量技术，该技术基于声学原理，可以实现对舰船辐射噪声的快速、精确的测量和分析。

通过对矢量水听器的设计和算法进行优化和改进，可以提高其分析和处理辐射噪声的能力，从而实现对更广范围和更高精度的舰船辐射噪声的测量。

3.研究内容本研究的主要内容包括：3.1矢量水听器的设计和改进矢量水听器是一种基于声学原理的传感器，可以对周围环境的声音信号进行接收和分析，从而实现对舰船辐射噪声的测量。

本研究将对矢量水听器的结构和算法进行优化和改进，以提高其对舰船辐射噪声的探测和分析能力。

3.2舰船辐射噪声的测量和分析本研究将通过实验和数值模拟的方法，对矢量水听器的探测和分析能力进行测试和验证，同时还将对舰船辐射噪声的频率分布、强度等方面进行深入的分析和研究。

通过对实验数据的处理和统计，可以为舰船制造和设计提供可靠的测量和分析数据。

4.研究展望本研究的结果将为舰船辐射噪声的测量和分析提供一种新的方法和技术，同时也可以为舰船设计和制造提供更加可靠和精确的数据支持，从而实现对舰船的性能和运行状态进行更加全面和深入的分析和评估。

未来，我们还可以进一步优化和改进矢量水听器的设计和算法，拓展其在其他领域的应用。

哈尔滨工程大学科技成果——船载矢量水听器

哈尔滨工程大学科技成果——船载矢量水听器
项目概述本项目受国家自然科学基金项目资助。

主要研究障板条件下矢量声场分布和矢量水听器声学接收特性的变化规律，建立障板条件下矢量信号处理模型，为船载声纳高性能声纳的研究提供基础理论依据。

各种声学障板条件下矢量声场建模与矢量水听器接收性能的变化规律，在国内外未见报导，具有一定程度的开创性意义。

首先提出各种声学障板条件下矢量水听器信号处理模型的建立，国内外目前未见公开报道。

项目给出了典型声纳障板近场声散射声场的解析解，建立典型障板附近矢量水听器及其基阵声信号物理模型，并提出了相应的信号处理方法，通过此项技术的研究，对于提高我国船载声纳性能，增强我国海洋监测的科研能力具有重要的意义。

经过本项目的研究，后续推广科研项目7项（其中前5项已经获得批准开展研究），总经费1440万元。

2011年，“矢量水听器XX及其应用”获得国防科学技术进步一等奖。

2012年，“矢量水听器XX及其应用”获得国家科学技术进步二等奖。

2011年，项目研究成员胡博的博士论文“基于矢量阵近场声全息技术的噪声源识别方法研究”获得2011年全国优秀博士学位论文提名奖。

项目成熟情况根据技术成熟度的定义和划分，项目目前的技术成熟度为2级，正处于基础研究阶段。

应用范围船载声纳，浮标声纳，海洋监测。

基于矢量水听器的海洋环境噪声场相关特性研究的开题报告

基于矢量水听器的海洋环境噪声场相关特性研究的开题报告一、研究背景海洋环境噪声是海洋中普遍存在的自然噪声源，包括风浪、海底地震、海豚、鲸鱼等生物声音等。

随着人类活动的增加，包括船舶、石油勘探、军事活动等人为噪声源也越来越多，噪声污染也成为了影响海洋生态环境的一个重要问题。

因此，研究海洋环境噪声场的相关特性，对于了解海洋生物和海洋环境状况，制定更好的环保政策和开展更有效的海洋生态保护具有重要意义。

目前，常见的测量海洋环境噪声的方法主要有传统水听器和矢量水听器。

传统水听器只能测量声压级，而无法测量声场的相位信息，因此难以对声场的空间分布和相关特性进行分析。

相比之下，矢量水听器可以同时测量声场的振动压力和振动速度，具有良好的空间解析能力和较高的精度，因此在海洋环境噪声场研究中具有广泛的应用前景。

二、研究内容本研究旨在基于矢量水听器对海洋环境噪声场的相关特性进行研究。

具体研究内容包括：1.建立海洋环境噪声场测量系统：研究选用矢量水听器和相关信号处理设备，设计并搭建海洋环境噪声场测量系统。

2.测量海洋环境噪声场：在海洋环境中选定数个点位，对不同深度、不同位置的海洋环境噪声场进行测量，获取振动压力和振动速度信息。

3.分析海洋环境噪声场的空间分布：利用矢量水听器测量数据，结合声学理论，分析海洋环境噪声场在海水中的声传播规律，揭示声波在海洋环境中的复杂传播现象。

4.研究海洋环境噪声场的频谱特性：对海洋环境噪声场进行频谱分析，研究频率和振幅之间的关系，探究海洋环境噪声场中不同声源对频谱特性的影响。

三、研究意义本研究的意义在于：1.深入了解海洋环境噪声场及其相关特性，为海洋生态保护和环保政策制定提供基础数据和理论依据；2.探索矢量水听器在海洋环境噪声场测量中的应用，为后续相关研究提供参考和借鉴；3.拓展研究领域，加强海洋环境噪声污染防治的技术手段和方法。

矢量水听器(阵)及其在低频声源校准中的应用研究的开题报告

矢量水听器(阵)及其在低频声源校准中的应用研究的开题报告一、选题背景及意义矢量水听器是一种利用磁流体原理测量水中声压级和声方位的仪器，因其灵敏度高、频率响应范围广等特点被广泛应用于海洋科学领域，如水下声信号检测和声学成像等。

而在实际应用中，矢量水听器常常需要校准其频率响应和灵敏度系数，以确保其精确测量水中声学信号。

本文以矢量水听器(阵)及其在低频声源校准中的应用为研究对象，探究其在海洋科学领域中的应用及其校准方法，对推动水下声学技术的发展具有重要的理论和实践意义。

二、研究内容1. 矢量水听器的基本原理及结构；2. 矢量水听器阵列技术在低频声源定位中的应用；3. 低频声源校准中的矢量水听器(阵)设计及相关算法；4. 实验室及野外实验验证和分析。

三、研究方法1. 文献综述法：对相关领域内的研究成果进行文献综述，了解矢量水听器在低频声源校准及阵列技术应用方面的研究现状；2. 理论分析法：通过对矢量水听器原理及声学成像等相关理论的分析，探究其在低频声源定位中的应用；3. 实验研究法：设计利用矢量水听器校准低频声源的实验并进行实验室及野外实验，验证研究成果。

四、可行性分析本研究将应用文献综述法、理论分析法和实验研究法等方法，借助现有技术和设备，进行相关研究，并得到了良好的预期结果。

因此，该研究具有一定的可行性和可操作性。

五、预期成果1. 矢量水听器在海洋科学领域中的应用探讨；2. 矢量水听器阵列技术在低频声源定位中的应用研究；3. 低频声源校准中的矢量水听器(阵)设计及相关算法；4. 实验室及野外实验验证和分析；5. 提高矢量水听器在海洋科学领域的应用水平。

六、拟定计划1. 2022年6月-2022年8月：文献综述，了解矢量水听器在低频声源校准及阵列技术应用方面的研究现状；2. 2022年9月-2022年11月：理论分析，探究矢量水听器在低频声源定位中的应用；3. 2023年3月-2023年5月：实验研究，设计利用矢量水听器校准低频声源的实验并进行实验室及野外实验，验证研究成果；4. 2023年6月-2023年8月：数据分析，对实验结果进行分析、解释和总结。

光纤矢量水听器

光纤矢量水听器的设计与研究XX（安徽大学xxxxxxxxxxxxXX学院，安徽合肥）摘要：光纤矢量水听器是建立在光纤技术，光电子技术基础上的水下声信号传感器。

本文在介绍了强度型、干涉型和光纤光栅型矢量水听器原理的基础上，比较了它们的灵敏度、测量范围和抗干扰能力等参数。

干涉型光纤矢量水听器是通过水中声波对光纤的压力来改变纤芯折射率或长度,从而引起光纤中传播光束光程的变化，通过检测其相位差得到水声信息。

光纤矢量水听器被广泛的用于拖曳阵、固定阵、船壳阵和声呐浮标中，是现代海洋技术不可或缺的一部分。

关键词：光纤矢量水听器，强度型，干涉型，光纤光栅型，潜艇拖曳阵Design of Optical Fiber Vector HydrophoneGe Xin（Anhui University ，physics and Material science College，AnHui HeFei）Abstract：Optical fiber vector hydrophone is the underwater acoustic signal sensor,which is based on optical fiber technology and photoelectron technology.This paper compared their sensitivity, measuring range ,Anti-jamming capability and other Parameter, based on describing Strength Type,Interference type and optical fiber grating type.Interferometric fiber optic vector hydrophone obtain acoustic information by detecting the water pressure.Acoustic pressure of the water changes the length of the fiber core refractive index,which force the optical path difference changing.Optical fiber vector hydrophone is widely used for Towed Array,Fixed array ,Hull array and Sonar buoy,which is an integral part of marine technologyKey words：Optical fiber vector hydrophone,Strength Type,Interference Type, Optical fiber Grating Type,Towed Array光纤矢量水听器是建立在光纤技术，光电子技术基础上的水下声信号传感器，其信号的探测与传输均以光作为传输媒介，更具有体积小，重量轻，抗电磁干扰，灵敏度高等特性，被广泛的用于水下打捞作业，军事侦察，国防等重要方面。

矢量水听器的应用场景

矢量水听器的应用场景说到矢量水听器，很多人可能脑袋一懵，觉得这玩意儿是不是听水的设备？它的名字挺有意思，也有点儿科幻感，但它的应用可真不简单。

它的作用远不止“听水”，要知道它在很多领域都能派上大用场，简直是科技界的隐形英雄。

你说，它要是能讲个段子，估计是那种很低调，做事不张扬，但总能默默出彩的那种类型。

矢量水听器在海洋探测中可不容小觑。

大家知道，大海深处藏着不少“秘密”，有些地方我们人类就是去不了，或者即使去了，也根本弄不清楚到底发生了什么。

但矢量水听器可以通过接收水下的声音信号，帮助科学家了解海洋中的变化。

比如说，水下的鱼群在移动，它们发出的声音就能被矢量水听器捕捉到。

你想啊，水下的世界这么广阔，怎么可能眼睛看得清楚呢？只能借助“耳朵”——而矢量水听器恰恰就是这种“耳朵”。

通过对水下声波的精准捕捉，它能够帮助研究人员知道一些在水下“暗流涌动”的秘密。

更有意思的是，矢量水听器不光是监听自然的声音，甚至能通过声波分析判断水下的情况，像是探测潜艇、船只的位置，甚至还能帮忙发现一些意想不到的海洋生物。

说到潜艇，很多人脑海里可能会浮现出间谍电影里那种海底世界的“猫鼠游戏”。

这不是幻想，现实中潜艇就是在水下悄悄行动，目标是避免被敌方发现，而矢量水听器就是“破案高手”。

它可以非常精准地捕捉到潜艇发出的声音，哪怕是潜艇处在深海之中，它的“细微波动”也逃不过矢量水听器的耳朵。

所以，可以说矢量水听器不仅是海洋科学家的好帮手，它还为国家的海防贡献着自己的力量。

至于其他一些奇妙的应用，比如海底矿产勘探、航道测绘等等，也都是离不开这项技术的。

不过，矢量水听器的应用可不仅仅局限在大海里。

你要知道，它在水产养殖中也是个“大明星”。

大家想想，养殖场的水池里鱼群可不总是安安静静地待着，尤其是当它们集结成群的时候，声音可是会很“热闹”的。

如果养殖者能及时知道水下有什么状况，是不是能更加高效地管理水产？这时候矢量水听器就能大显身手了。

矢量矩阵处理在海面水声处理中的应用

矢量矩阵处理在海面水声处理中的应用崔秀梅【摘要】从最小二乘法的思想出发,研究海面上多干扰信号产生的无法探测区域及干扰信号和有用信号频谱无法区别的情形下,利用矩阵滤波器来抑制海上多目标干扰的情况,通过矢量矩阵对水下目标准确定位,实现有用信号的快速识别,最后通过实验证明本方法的有效性.【期刊名称】《舰船科学技术》【年(卷),期】2015(037)007【总页数】3页(P157-159)【关键词】矢量矩阵;最小二乘法;水声信号处理;矩阵滤波器【作者】崔秀梅【作者单位】烟台汽车工程职业学院,山东烟台265500【正文语种】中文【中图分类】U665.26随着科技的发展，世界各国越来越意识到开发海洋资源的必要性。

海洋环境具有很大的不确定性，受到风浪流等因素的影响，同时舰船的辐射信号中也含有海洋环境中的噪声，从而需要从中提取出舰船的固有信息，因而水声信号的处理技术得到广泛重视。

Vaccaaro等［1］利用矢量矩阵抑制深海中不感兴趣的干扰噪声，同时尽量的使感兴趣的信号保持原样。

鄢社峰等［2］从广义滤波器出发，利用恒定阻带抑制矩阵滤波器对深度域上的信号进行滤波抑制匹配噪声。

本文从最小二乘法的思想出发，研究海面上多干扰信号产生的无法探测的区域以及干扰信号和有用信号的频谱无法区别的情形下，利用矩阵滤波器来抑制海上多目标干扰的情况，通过矢量矩阵对水下目标准确定位，实现了有用信号的快速识别，最后通过实验证明本方法的有效性。

设垂直指向的水听器是K元且每个间距为d。

如图1所示，在海中存在1个目标源和2个干扰源。

按距离和深度划分实验海域，距离域上的网格数为M，深度域上的网格数为N。

令第(m，n)个网格的拷贝向量为v(m，n)，则感兴趣区域的向量为v(mp，np)，不感兴趣区域的向量为v(ms，ns)。

一般在感兴趣区域和不感兴趣区域有一个过渡区，是为了防止二者产生突然变化。

设矩阵滤波器H的维数为K×K，对均匀线性阵列进行阵元滤波，则输出v0(m，n) :因此对矩阵滤波器的设计可用下式进行表达:通过设置矩阵滤波器的幅度频谱来调节滤波器得到最好输出效果。

低频同振式矢量水听器在潜标中的应用研究

低频同振式矢量水听器在潜标中的应用研究
陈赓;聂嵩;郭飒君;刘浩;郝运博
【期刊名称】《声学与电子工程》
【年(卷),期】2024()1
【摘要】文章探讨了浅海坐底式采集系统的接收性能,研究了矢量水听器的通道组合形式和信噪比增益,利用湖试和海试数据,分析了信号和海洋背景噪声的相干性,最后利用线谱检测方法对组合通道输出的Lofar图中的低频部分进行了线谱提取,并对低频线谱目标进行了方位追踪。

海试数据验证,坐底式矢量接收系统具有更高的低频接收增益,结合线谱提取和矢量目标方位估计方法,能更好地对海洋目标进行跟踪。

【总页数】5页(P14-18)
【作者】陈赓;聂嵩;郭飒君;刘浩;郝运博
【作者单位】第七一五研究所
【正文语种】中文
【中图分类】TN9
【相关文献】
1.基于矢量水听器的振速梯度水听器
2.矢量水听器双潜标系统纯方位定位精度分析
3.基于MEMS矢量水听器阵列的潜标系统
4.潜标姿态变化对矢量水听器目标方位估计的影响
5.用于水下目标监测的低频同振式矢量水听器研制
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