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

背景技術(shù)：

進(jìn)入21世紀(jì)后，各國海軍根據(jù)自身需求加強了對未來海軍發(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)展時期，我國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)反射聲波的時間延遲、方位和強度等信息實現(xiàn)對目標(biāo)的識別和探測。因此在潛艇聲吶投入到實際的應(yīng)用中之前，需要對潛艇聲吶的重要聲學(xué)性能如聲源級、指向性或波束角等指標(biāo)進(jìn)行測量校準(zhǔn)。

傳統(tǒng)的發(fā)射聲源級和指向性測量方法是在實驗室大水池中安裝吸聲尖劈來模擬海洋環(huán)境進(jìn)行測量。然而近年來艦艇裝備的水下探測聲吶向著大尺寸、大功率的方向發(fā)展，在對其遠(yuǎn)場性能進(jìn)行測量評價時，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量技術(shù)——近場測量法。但是艦艇聲吶系統(tǒng)在裝備后，會受到船體本身結(jié)構(gòu)的影響，聲吶系統(tǒng)在安裝過程中性能也會發(fā)生變化、聲吶陣元的性能隨工作溫度、深度也會發(fā)生改變，為了更準(zhǔn)確、實時掌握艦船聲吶裝備的性能，必須在實船狀態(tài)下對聲吶系統(tǒng)進(jìn)行性能檢測。在國內(nèi)，目前尚無實船聲吶的校準(zhǔn)和測量技術(shù)，無法真實地評價艦船聲吶的性能，對聲吶裝備的驗收依靠對潛艇目標(biāo)的探測距離確定，受環(huán)境因素的干擾較多。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有設(shè)備無法滿足實船聲吶的校準(zhǔn)和測量無法真實地評價艦船聲吶性能的問題，基于近場測量法原理提出一種測量水下聲源聲場特性的離散陣列。

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傳輸電路板上的濾波電路板相連；多通道采集存儲傳輸電路板上的基于FPGA的多通道采集存儲電路板通過杜邦線與電源控制電路板相連；多通道采集存儲傳輸電路板上設(shè)有與基于FPGA的多通道采集存儲電路板網(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個水聽器線性陣列沿水密罐周向均布，每個水聽器線性陣列包括炭纖維桿和線性排布的四個水聽器振源，k≥6，n＞2k；所述的炭纖維桿上開設(shè)等距布置的五個圓孔，外側(cè)的四個圓孔插入四個水聽器振源，最內(nèi)側(cè)的圓孔將四個水聽器振源的線引出與八芯電纜一端相焊接，電纜每兩芯分別連接一個水聽器振源的正負(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，且電纜的另一端每兩芯做成插頭接入對應(yīng)的一個放大電路板中；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)有三對通孔，其中兩對通孔的中心距與炭纖維桿的外徑相等；測試狀態(tài)下，炭纖維桿沿圓柱鋼板徑向設(shè)置，夾具的一對通孔內(nèi)設(shè)置一個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，經(jīng)過放大電路板將信號放大后，傳給濾波電路板濾掉高頻信號，再通過AD轉(zhuǎn)換電路將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后傳入基于FPGA的多通道采集存儲電路板中進(jìn)行處理，最后經(jīng)過以太網(wǎng)控制器將信號傳輸?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第二定位孔分別與一個第一長桿螺絲的底部螺紋連接，放大電路總電路板與四個第一長桿螺絲頂部的螺紋孔均通過螺栓連接；多通道采集存儲傳輸電路板與四個第二長桿螺絲頂部的螺紋孔均通過螺栓連接，四個第二長桿螺絲的底部與水密罐底部的四個第三定位孔分別通過螺紋連接。

所述的電池組為兩個。

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)換電路的型號為AD7606，太網(wǎng)控制器的型號為DP83848，基于FPGA的多通道采集存儲電路板型號為XC3S500E-4PQ208I。

本發(fā)明的有益效果是：

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

附圖說明

圖1為本發(fā)明工作時的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明的信號傳輸結(jié)構(gòu)框圖。

圖3為本發(fā)明中放大電路板的電路圖。

具體實施方式

下面結(jié)合實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

如圖1和圖2所示，測量水下聲源聲場特性的離散陣列，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)，安裝了兩個電池組于水密罐內(nèi)。電池組6與水密罐7底部的四個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底部的四個第二定位孔分別與一個第一長桿螺絲的底部螺紋連接，放大電路總電路板5與四個第一長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)置多通道采集存儲傳輸電路板4；多通道采集存儲傳輸電路板4與四個第二長桿螺絲頂部的螺紋孔均通過螺栓連接，四個第二長桿螺絲的底部與水密罐7底部的四個第三定位孔分別通過螺紋連接；第一長桿螺絲和第二長桿螺絲的設(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傳輸電路板4上的濾波電路板相連，實現(xiàn)通路。多通道采集存儲傳輸電路板4上的基于FPGA的多通道采集存儲電路板通過杜邦線與電源控制電路板3相連，基于FPGA的多通道采集存儲電路板起到信號的采集與存儲作用。多通道采集存儲傳輸電路板4上設(shè)有與基于FPGA的多通道采集存儲電路板網(wǎng)絡(luò)通信的網(wǎng)線接口，可將信號傳輸?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傳輸電路板4的電池插孔電連接，對電池組的開關(guān)起到控制作用；電源控制電路板3有三個檔位，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)。六個水聽器線性陣列8沿水密罐7周向均布，每個水聽器線性陣列8包括炭纖維桿和線性排布的四個水聽器振源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)等距布置的五個圓孔，外側(cè)的四個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)的圓孔用來將四個水聽器振源的線引出與八芯電纜一端相焊接，電纜每兩芯分別對應(yīng)一個水聽器振源的正負(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，且每兩芯做成插頭接入對應(yīng)的一個放大電路板中。記住每兩芯對應(yīng)的水聽器振源序號方便后續(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，同時也將水聽器振源固定。為保證水聽器線陣在測量時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)有三對通孔，其中兩對通孔的中心距與炭纖維桿的外徑相等。為了實際使用方便，本發(fā)明的炭纖維桿有兩種狀態(tài)：運輸狀態(tài)、測試狀態(tài)。實現(xiàn)的方法是：在測試狀態(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通孔內(nèi)設(shè)置一個螺栓即可將水聽器線陣固定；而當(dāng)運輸狀態(tài)時，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通孔內(nèi)均設(shè)置螺栓進(jìn)行夾緊固定。

在工作時，船體聲吶發(fā)出信號，二十四個水聽器振源將信號采集過來，經(jīng)過放大電路板11將信號放大后，傳給濾波電路板12濾掉高頻信號，再通過AD轉(zhuǎn)換電路13將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后傳入基于FPGA的多通道采集存儲電路板14中進(jìn)行處理，最后經(jīng)過以太網(wǎng)控制器15將信號傳輸?shù)诫娔X16；AD轉(zhuǎn)換電路的型號為AD7606，太網(wǎng)控制器的型號為DP83848，基于FPGA的多通道采集存儲電路板的型號為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。

在近場測量法中，為得到水聲換能器的輻射聲場，可在距離聲源一定距離處選取一個測量平面，每一個測量點對應(yīng)的聲壓可看作一個獨立的聲源，由此，在整個傳播方向空間的聲場即這些點源傳播的疊加，將等效源面上的離散點源通過積分進(jìn)行計算與重建，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，利用上述近場測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)場性能，如發(fā)射聲源級和指向性等。利用近場測量法推算遠(yuǎn)場性能時，希望測量點數(shù)多，聲場泄露小，這樣推算遠(yuǎn)場性能時精度高。但是考慮到測量效率以及測量成本，測量點數(shù)選取太多并不符合實際。故在選取測量點數(shù)以及測量面積時既要考慮測量效率也要考慮包含聲場中的絕大部分聲能。具體在實驗過程中需要根據(jù)當(dāng)時的環(huán)境條件來進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪x取，總體遵循以下幾個原則：1、聲吶裝備的波束寬度大，相應(yīng)的測量面積增大；2、水深變深，測量面積增大；3、測量點間隔一般要小于信號波長的三分之一。本實施例設(shè)計了6個線陣，每個線陣上有4個振源共計24個。