本發(fā)明屬于傳感器技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種測(cè)量水下聲源聲場(chǎng)特性的離散陣列。

背景技術(shù)：

進(jìn)入21世紀(jì)后，各國(guó)海軍根據(jù)自身需求加強(qiáng)了對(duì)未來海軍發(fā)展戰(zhàn)略的論證，提出未來幾十年海軍裝備建設(shè)的發(fā)展途徑和設(shè)想，聲吶系統(tǒng)成為重要的組成部分。從第二次世界大戰(zhàn)開始到現(xiàn)在，潛艇聲吶系統(tǒng)進(jìn)入高速發(fā)展時(shí)期，我國(guó)目前已有多種水面艦和潛艇投入裝備使用。這些艦艇均裝備了不同類型的聲吶裝備，在探潛、測(cè)深、避障、探雷等方面起重要作用。艦殼聲吶通過發(fā)射聲波，并根據(jù)反射聲波的時(shí)間延遲、方位和強(qiáng)度等信息實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的識(shí)別和探測(cè)。因此在潛艇聲吶投入到實(shí)際的應(yīng)用中之前，需要對(duì)潛艇聲吶的重要聲學(xué)性能如聲源級(jí)、指向性或波束角等指標(biāo)進(jìn)行測(cè)量校準(zhǔn)。

傳統(tǒng)的發(fā)射聲源級(jí)和指向性測(cè)量方法是在實(shí)驗(yàn)室大水池中安裝吸聲尖劈來模擬海洋環(huán)境進(jìn)行測(cè)量。然而近年來艦艇裝備的水下探測(cè)聲吶向著大尺寸、大功率的方向發(fā)展，在對(duì)其遠(yuǎn)場(chǎng)性能進(jìn)行測(cè)量評(píng)價(jià)時(shí)，往往受到水下空間大小的限制。為解決上述聲吶校準(zhǔn)中存在的問題，引入一種新的水聲測(cè)量技術(shù)——近場(chǎng)測(cè)量法。但是艦艇聲吶系統(tǒng)在裝備后，會(huì)受到船體本身結(jié)構(gòu)的影響，聲吶系統(tǒng)在安裝過程中性能也會(huì)發(fā)生變化、聲吶陣元的性能隨工作溫度、深度也會(huì)發(fā)生改變，為了更準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)掌握艦船聲吶裝備的性能，必須在實(shí)船狀態(tài)下對(duì)聲吶系統(tǒng)進(jìn)行性能檢測(cè)。在國(guó)內(nèi)，目前尚無實(shí)船聲吶的校準(zhǔn)和測(cè)量技術(shù)，無法真實(shí)地評(píng)價(jià)艦船聲吶的性能，對(duì)聲吶裝備的驗(yàn)收依靠對(duì)潛艇目標(biāo)的探測(cè)距離確定，受環(huán)境因素的干擾較多。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有設(shè)備無法滿足實(shí)船聲吶的校準(zhǔn)和測(cè)量無法真實(shí)地評(píng)價(jià)艦船聲吶性能的問題，基于近場(chǎng)測(cè)量法原理提出一種測(cè)量水下聲源聲場(chǎng)特性的離散陣列。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

本發(fā)明包括水密罐、電池組、網(wǎng)線、電源控制電路板、放大電路總電路板、放大電路板、多通道采集存儲(chǔ)傳輸電路板、炭纖維桿、聚氨酯和水聽器線性陣列。所述的電池組與水密罐底部的四個(gè)第一定位孔通過螺栓固定；放大電路總電路板固定設(shè)置在電池組頂部，多通道采集存儲(chǔ)傳輸電路板固定設(shè)置在放大電路總電路板頂部；放大電路總電路板的正反面各設(shè)有n個(gè)用于插放放大電路板的插孔，n≥16；放大電路總電路板上還設(shè)有用于將水聽器振源接入放大電路板的插孔；放大電路板用杜邦線與多通道采集存儲(chǔ)傳輸電路板上的濾波電路板相連；多通道采集存儲(chǔ)傳輸電路板上的基于FPGA的多通道采集存儲(chǔ)電路板通過杜邦線與電源控制電路板相連；多通道采集存儲(chǔ)傳輸電路板上設(shè)有與基于FPGA的多通道采集存儲(chǔ)電路板網(wǎng)絡(luò)通信的網(wǎng)線接口；水密罐的上蓋設(shè)有連接網(wǎng)線一端的水密接口，網(wǎng)線另一端插入網(wǎng)線接口；多通道采集存儲(chǔ)傳輸電路板上設(shè)有電池插孔，電池組插入電池插孔；電源控制電路板安放在水密罐上蓋，通過杜邦線與多通道采集存儲(chǔ)傳輸電路板的電池插孔電連接，控制電池組的開關(guān)；水密罐的上蓋裝有吊環(huán)螺釘；k個(gè)水聽器線性陣列沿水密罐周向均布，每個(gè)水聽器線性陣列包括炭纖維桿和線性排布的四個(gè)水聽器振源，k≥6，n＞2k；所述的炭纖維桿上開設(shè)等距布置的五個(gè)圓孔，外側(cè)的四個(gè)圓孔插入四個(gè)水聽器振源，最內(nèi)側(cè)的圓孔將四個(gè)水聽器振源的線引出與八芯電纜一端相焊接，電纜每?jī)尚痉謩e連接一個(gè)水聽器振源的正負(fù)極；電纜的另一端通過水密罐底部的水密頭進(jìn)入水密罐中，且電纜的另一端每?jī)尚咀龀刹孱^接入對(duì)應(yīng)的一個(gè)放大電路板中；炭纖維桿的所有空隙用聚氨酯填滿，電纜的焊接處埋入聚氨酯中；水密罐通過螺釘固定在圓柱鋼板頂面，夾具通過螺釘固定在圓形鋼板底面；所述夾具的兩側(cè)開設(shè)有三對(duì)通孔，其中兩對(duì)通孔的中心距與炭纖維桿的外徑相等；測(cè)試狀態(tài)下，炭纖維桿沿圓柱鋼板徑向設(shè)置，夾具的一對(duì)通孔內(nèi)設(shè)置一個(gè)螺栓將水聽器線陣固定。

所述的水聽器振源采集船體聲吶發(fā)出的信號(hào)，經(jīng)過放大電路板將信號(hào)放大后，傳給濾波電路板濾掉高頻信號(hào)，再通過AD轉(zhuǎn)換電路將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后傳入基于FPGA的多通道采集存儲(chǔ)電路板中進(jìn)行處理，最后經(jīng)過以太網(wǎng)控制器將信號(hào)傳輸?shù)诫娔X；放大電路板、AD轉(zhuǎn)換電路、基于FPGA的多通道采集存儲(chǔ)電路板和太網(wǎng)控制器均與電源控制電路板連接，都由電池組提供電壓。

所述水密罐底部的四個(gè)第二定位孔分別與一個(gè)第一長(zhǎng)桿螺絲的底部螺紋連接，放大電路總電路板與四個(gè)第一長(zhǎng)桿螺絲頂部的螺紋孔均通過螺栓連接；多通道采集存儲(chǔ)傳輸電路板與四個(gè)第二長(zhǎng)桿螺絲頂部的螺紋孔均通過螺栓連接，四個(gè)第二長(zhǎng)桿螺絲的底部與水密罐底部的四個(gè)第三定位孔分別通過螺紋連接。

所述的電池組為兩個(gè)。

所述的電源控制電路板設(shè)有工作檔位、停止檔位和充電檔位。

所述AD轉(zhuǎn)換電路的型號(hào)為AD7606，太網(wǎng)控制器的型號(hào)為DP83848，基于FPGA的多通道采集存儲(chǔ)電路板型號(hào)為XC3S500E-4PQ208I。

本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明所制作的離散陣列，將近場(chǎng)測(cè)量法運(yùn)用到實(shí)際中去，解決了我國(guó)目前尚無實(shí)船聲吶的校準(zhǔn)和測(cè)量技術(shù)的這一問題，可以更準(zhǔn)確的和實(shí)時(shí)的測(cè)量艦船聲吶裝備的各項(xiàng)指標(biāo)性能。此外，為了避免運(yùn)輸麻煩，本發(fā)明設(shè)計(jì)了兩種形態(tài)，使得本陣列系統(tǒng)更人性化。

附圖說明

圖1為本發(fā)明工作時(shí)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明的信號(hào)傳輸結(jié)構(gòu)框圖。

圖3為本發(fā)明中放大電路板的電路圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

如圖1和圖2所示，測(cè)量水下聲源聲場(chǎng)特性的離散陣列，包括水密罐7、電池組6、網(wǎng)線、電源控制電路板3、放大電路總電路板5、放大電路板、多通道采集存儲(chǔ)傳輸電路板4、炭纖維桿、聚氨酯和水聽器線性陣列8。為了保證足夠的電量供應(yīng)，安裝了兩個(gè)電池組于水密罐內(nèi)。電池組6與水密罐7底部的四個(gè)第一定位孔通過螺栓固定。在電池組頂部設(shè)置放大電路總電路板5，水密罐7底部的四個(gè)第二定位孔分別與一個(gè)第一長(zhǎng)桿螺絲的底部螺紋連接，放大電路總電路板5與四個(gè)第一長(zhǎng)桿螺絲頂部的螺紋孔均通過螺栓連接；放大電路總電路板5頂部設(shè)置多通道采集存儲(chǔ)傳輸電路板4；多通道采集存儲(chǔ)傳輸電路板4與四個(gè)第二長(zhǎng)桿螺絲頂部的螺紋孔均通過螺栓連接，四個(gè)第二長(zhǎng)桿螺絲的底部與水密罐7底部的四個(gè)第三定位孔分別通過螺紋連接；第一長(zhǎng)桿螺絲和第二長(zhǎng)桿螺絲的設(shè)置給電池組的安裝節(jié)省了空間；放大電路總電路板5的正反面各設(shè)有十六個(gè)用于插放放大電路板的插孔；放大電路總電路板5上還設(shè)有用于將水聽器振源接入放大電路板的插孔；放大電路板用杜邦線與多通道采集存儲(chǔ)傳輸電路板4上的濾波電路板相連，實(shí)現(xiàn)通路。多通道采集存儲(chǔ)傳輸電路板4上的基于FPGA的多通道采集存儲(chǔ)電路板通過杜邦線與電源控制電路板3相連，基于FPGA的多通道采集存儲(chǔ)電路板起到信號(hào)的采集與存儲(chǔ)作用。多通道采集存儲(chǔ)傳輸電路板4上設(shè)有與基于FPGA的多通道采集存儲(chǔ)電路板網(wǎng)絡(luò)通信的網(wǎng)線接口，可將信號(hào)傳輸?shù)诫娔X中去，進(jìn)行后續(xù)的數(shù)據(jù)處理。水密罐的上蓋設(shè)有連接網(wǎng)線一端的水密接口2，可以保證罐子不會(huì)進(jìn)水而罐內(nèi)網(wǎng)線與罐外網(wǎng)線相通，網(wǎng)線另一端插入網(wǎng)線接口。在多通道采集存儲(chǔ)傳輸電路板4上設(shè)有電池插孔，電池組6插入電池插孔；電源控制電路板3安放在水密罐上蓋，通過杜邦線與多通道采集存儲(chǔ)傳輸電路板4的電池插孔電連接，對(duì)電池組的開關(guān)起到控制作用；電源控制電路板3有三個(gè)檔位，分別是工作檔位、停止檔位和充電檔位，這樣在安裝好之后就不用反復(fù)的開啟，使用起來更加方便。水密罐的上蓋裝有吊環(huán)螺釘1，在實(shí)際的使用過程中用繩子套在吊環(huán)螺釘1上來進(jìn)行吊放，吊環(huán)螺釘1為螺釘頂部固定吊環(huán)的結(jié)構(gòu)。六個(gè)水聽器線性陣列8沿水密罐7周向均布，每個(gè)水聽器線性陣列8包括炭纖維桿和線性排布的四個(gè)水聽器振源10，水聽器振源采用壓電陶瓷材料。炭纖維桿使結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)固，炭纖維桿上開設(shè)等距布置的五個(gè)圓孔，外側(cè)的四個(gè)圓孔用來將圓柱形的水聽器振源插入炭纖維桿中，最內(nèi)側(cè)的圓孔用來將四個(gè)水聽器振源的線引出與八芯電纜一端相焊接，電纜每?jī)尚痉謩e對(duì)應(yīng)一個(gè)水聽器振源的正負(fù)極；電纜的另一端通過水密罐底部的水密頭進(jìn)入水密罐7中，且每?jī)尚咀龀刹孱^接入對(duì)應(yīng)的一個(gè)放大電路板中。記住每?jī)尚緦?duì)應(yīng)的水聽器振源序號(hào)方便后續(xù)的處理。由于水聽器振源的引線與八芯電纜的焊接處是裸露的，在使用中會(huì)有水從裸露處通過電纜線擠進(jìn)水密罐中，因此用聚氨酯將炭纖維桿中的所有空隙填滿，并將電纜的焊接處埋入聚氨酯中，起到絕水的作用，同時(shí)也將水聽器振源固定。為保證水聽器線陣在測(cè)量時(shí)保持在同一水平面又不影響水密罐的密封性，水密罐7通過三個(gè)螺釘固定在圓柱鋼板9頂面。夾具通過螺釘固定在圓形鋼板9底面，夾具的兩側(cè)開設(shè)有三對(duì)通孔，其中兩對(duì)通孔的中心距與炭纖維桿的外徑相等。為了實(shí)際使用方便，本發(fā)明的炭纖維桿有兩種狀態(tài)：運(yùn)輸狀態(tài)、測(cè)試狀態(tài)。實(shí)現(xiàn)的方法是：在測(cè)試狀態(tài)下，炭纖維桿屬于展開形式，炭纖維桿沿圓柱鋼板徑向設(shè)置，因此，只需要在夾具的一對(duì)通孔內(nèi)設(shè)置一個(gè)螺栓即可將水聽器線陣固定；而當(dāng)運(yùn)輸狀態(tài)時(shí)，炭纖維桿沿圓柱鋼板軸向設(shè)置，炭纖維桿的兩側(cè)需要中心距與炭纖維桿的外徑相等的兩對(duì)通孔內(nèi)均設(shè)置螺栓進(jìn)行夾緊固定。

在工作時(shí)，船體聲吶發(fā)出信號(hào)，二十四個(gè)水聽器振源將信號(hào)采集過來，經(jīng)過放大電路板11將信號(hào)放大后，傳給濾波電路板12濾掉高頻信號(hào)，再通過AD轉(zhuǎn)換電路13將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后傳入基于FPGA的多通道采集存儲(chǔ)電路板14中進(jìn)行處理，最后經(jīng)過以太網(wǎng)控制器15將信號(hào)傳輸?shù)诫娔X16；AD轉(zhuǎn)換電路的型號(hào)為AD7606，太網(wǎng)控制器的型號(hào)為DP83848，基于FPGA的多通道采集存儲(chǔ)電路板的型號(hào)為XC3S500E-4PQ208I。放大電路板、AD轉(zhuǎn)換電路、基于FPGA的多通道采集存儲(chǔ)電路板和太網(wǎng)控制器均與電源控制電路板3連接，工作時(shí)所需的電壓都由電池組6來提供。放大電路板的具體電路如圖3所示，水聽器振源采用的信號(hào)由SIN端口輸入，經(jīng)放大后由VOUT端輸出給濾波電路板。

在近場(chǎng)測(cè)量法中，為得到水聲換能器的輻射聲場(chǎng)，可在距離聲源一定距離處選取一個(gè)測(cè)量平面，每一個(gè)測(cè)量點(diǎn)對(duì)應(yīng)的聲壓可看作一個(gè)獨(dú)立的聲源，由此，在整個(gè)傳播方向空間的聲場(chǎng)即這些點(diǎn)源傳播的疊加，將等效源面上的離散點(diǎn)源通過積分進(jìn)行計(jì)算與重建，便可以得到重建面上的聲壓分布。

聲吶波束具有一定的范圍，而離散陣的孔徑有限，利用上述近場(chǎng)測(cè)量法將得到的聲壓數(shù)據(jù)正向重建便可得到聲吶的遠(yuǎn)場(chǎng)性能，如發(fā)射聲源級(jí)和指向性等。利用近場(chǎng)測(cè)量法推算遠(yuǎn)場(chǎng)性能時(shí)，希望測(cè)量點(diǎn)數(shù)多，聲場(chǎng)泄露小，這樣推算遠(yuǎn)場(chǎng)性能時(shí)精度高。但是考慮到測(cè)量效率以及測(cè)量成本，測(cè)量點(diǎn)數(shù)選取太多并不符合實(shí)際。故在選取測(cè)量點(diǎn)數(shù)以及測(cè)量面積時(shí)既要考慮測(cè)量效率也要考慮包含聲場(chǎng)中的絕大部分聲能。具體在實(shí)驗(yàn)過程中需要根據(jù)當(dāng)時(shí)的環(huán)境條件來進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪x取，總體遵循以下幾個(gè)原則：1、聲吶裝備的波束寬度大，相應(yīng)的測(cè)量面積增大；2、水深變深，測(cè)量面積增大；3、測(cè)量點(diǎn)間隔一般要小于信號(hào)波長(zhǎng)的三分之一。本實(shí)施例設(shè)計(jì)了6個(gè)線陣，每個(gè)線陣上有4個(gè)振源共計(jì)24個(gè)。