学术交流 参量阵技能在水声工程中的运用及其相关问题研讨

发布时间:2022-06-05 06:31:10 | 作者:环球体育竞猜

  从水声工程的视点来看,由两个高强度声波发生差频波,即一般所说的参量阵,因其具有不同于惯例线性声场的特色,使得声学换能器能够在分辨力上打破瑞利限,因而具有较大的运用价值。从20世纪60年代起,国内外针对参量阵技能展开了许多的理论、试验和设备研讨,本文回忆了参量阵技能首要的水声工程运用前史,剖析了阻止其取得更广泛运用的技能瓶颈以及针对这些技能瓶颈所展开的研讨。一

  依据线性声学的原理,假如声场中一起存在着两个不同频率的声波,总的声场仅仅这两个声波的线性叠加,他们彼此之间并不发生相互作用。可是,从非线性声学的视点来看,假如空间存在两个不同频率的声波,则每个声波的传达都是在被另一个声波扰动了的介质中进行的,不再能看成是在均匀介质中的传达,因而会因为介质不均匀而发生散射。这种声波遭到被另一个声波扰动的不均匀介质的散射的现象,一般称为“声散射声”。因为介质是被另一个声波扰动的,能够定性地理解为散射声中存在被另一个声波所调制的频率成分,即存在着两个声波的差频及和频成分。

  两列同向传达的平面波(原频波),在笔直于传达方向的平面上发生的声散射声的相位相同。关于没有频散效应的介质,各种频率成分以相同的波速传达。因为两个原频波在传达进程中不断发生声散射声,其正向散射部分(与原频波传达方向相同的部分)同相叠加到前些时间发生的散射声上得以逐步加强。这个进程可看作空间有一个由无数个发生二级声场的虚源组成的体积阵,一般称为参量(发射)阵,如图1所示。图1 参量(发射)阵原理图

  参量阵的二级声场包含差频声场、和频声场和谐波声场,从声纳运用视点来看,差频声场特性是参量阵声场所首要重视的。

  参量阵声场因为是一个累加场,差频波的总能量是跟着传达间隔的添加而添加的,扣除差频波的吸收效应今后,近场丈量的声源级要比远场丈量的声源级低。因而要精确丈量参量阵的声源级,丈量点有必要间隔声源满意远。

  从参量阵的物理和数学模型中能够知道,其首要长处有三点:⑴能够在小孔径下完成低频窄波束,即具有超指向性才干;⑵一般没有可观察到的旁瓣;⑶简单完成高带宽。其缺点是转化功率低,因而差频声源级不大。实践上前期人们疏忽了参量阵还有别的一个缺点:完成多波束困难。

  从参量阵的优、缺点能够看出,其首要的运用方向是在要求窄波束、低频率而换能器尺度又不能太大的场合,最典型的水声运用是高分辨率海底地层剖面仪,其他如埋葬物体勘探、大深度多普勒计程仪、水声通讯等范畴国内外也有运用研讨,直到最近国外才呈现了比较老练的根据参量阵技能的水下小方针勘探声纳。

  海底地层的声吸收十分大,一般只要很低频率(几百赫兹到几千赫兹)的声波才干穿透底层抵达海底以下几十到数百米深的当地;选用线性声纳原理的惯例海底地层剖面仪一般波束很宽,在40~60之间,因而径向分辨率很低,并且十分简单遭到海面回波的搅扰,且因为宽波束构成的侧向回波与正向回波时延相差很大,使得界面混响大幅度下降了设备的轴向分辨率,即便选用拖曳阵接纳也只能处理一维问题。这个缺点使得惯例海底地层剖面仪在地质勘探中的运用价值一向不高。当海底地层剖面仪的波束宽度小于5时,上述问题则能够根本得到处理。可是假如用惯例线性声纳办法来完成这么窄的波束宽度,对换能器孔径的要求极大(几米到十几米的平面阵),一般是不现实的,而参量阵技能的低频、小尺度、高指向性特色正好能满意要求。

  中国科学院声学研讨所东海研讨站曾于20世纪80年代仿ATLAS公司的海底地层剖面仪研发了线性调频参量阵海底地层剖面仪,抵达了差频(8kHz左右)4.5束宽,声源级195dB左右的功能指标。作业办法为单波束。

  德国的Innomar公司于上世纪末推出了轻便式参量阵海底地层剖面仪,其原频频率为100kHz,差频频率为4~12kHz,差频束宽3.6,作业办法为单波束。

  ATLAS公司于2004年推出了最新的参量阵测深、海底地层剖面两用声纳PARASOUND,其最大差频声源级能够抵达206dB,测深深度可达10000m,海底地层剖面深度可达200m。其原频频率规模为18~39kHz,差频频率规模为0.5~6.0kHz,典型差频波束宽度为4.5×5.0。PARASOUND能够选用13个独立波束的发射,据介绍是选用线性调频信号和Barker码信号,并且能够答运用户自己编码。可是多波束并不是其老练功用。

  中国科学院声学研讨所东海研讨还曾选用参量阵技能研发了水库堤堰安全检测设备,其运用类似于地层剖面仪。其间选用了电子波束旋转技能,完成了16的波束旋转,可是不具备一起区别不同方向回波的才干,依然有必要等候一个方向勘探完成后,再旋转到别的一个方向勘探,只不过电子旋转替代了以往国内的机械旋转办法。

  多普勒计程仪进步测速灵敏度需求窄波束;高频声波在几千至上万米的海水传达中吸收很大,须挑选低频;上述两项要求使得参量阵技能是一种较好的挑选,因而20世纪七八十年代美国研发过参量阵大深度多普勒计程仪,作业深度达6000m,可是终究没有取得广泛的运用(或许是因为相关测速技能的展开使得低频宽指向性惯例声纳得以运用)。

  20世纪90年代是世界各国竞相研发海底埋葬雷勘探声纳的时期,其时的欧共体数国曾联合研发试验了参量阵探雷声纳,国内也同期展开了相应的研讨。但到现在为止,参量阵技能并没有能够在埋葬雷勘探声纳中取得广泛运用,其间有一个重要的原因便是军用声纳对勘探功率要求较高,而参量阵声纳的多波束技能还处于探究阶段,现在一般只能以单波束办法作业,因而尽管参量阵声纳常常是试验室和海上进行埋葬物勘探试验的首选,却没有能够成为老练的配备。

  参量阵的低频、窄波束、高带宽、简直无旁瓣的特性有必定的水声通讯运用价值。关于浅海远间隔高速率的水声通讯,要求低频以满意作用间隔,宽带以满意通讯速率,窄波束以减小浅海界面的多途效应,参量阵技能是一个较好的挑选;英国伯明翰大学在上世纪末本世纪初进行了相关的理论和试验研讨。

  本世纪初,美国Nuvosonic公司推出了SeaScout港口戒备声纳。其原频频率规模为21~33kHz,差频频率规模为4~7kHz,5kHz时的声源级超越200dB;差频波束宽度为7×8,声称作用间隔超越2000m。该声纳选用相控阵发射和接纳(收发分置),选用杂乱长脉冲信号(PCW及编码脉冲信号,典型脉宽100ms,最大脉宽3S),其与以往参量阵技能的水声工程运用的最显着的区别是选用了相对杂乱的信号处理技能,但从其运用办法判别仍为单波束。

  从以往的工程运用中能够看出,参量阵技能在水声工程中的最首要、最成功的运用是高分辨率海底地层剖面仪。这个运用最大极限地回避了参量阵声纳面对的两个首要问题:⑴转化功率低因而差频声源级不高;⑵完成多波束很困难。

  参量阵完成多波束困难首要是工程范畴的问题,而不是物理范畴的问题。因为海底地层中的声吸收随频率的升高急剧添加,参量阵因转化功率低带来的差频声源级的丢失相比较频率添加带来的吸收丢失要小许多,因而在要求小体积、窄波束的状况下,其相对较低的声源级可是频率很低的特色,比起较高声源级但吸收丢失很大的高频声波依然有显着的优势;再者,海底地层剖面仪一般没有多波束要求,笔直向下的单个波束具有最佳穿透功率。

  而因为参量阵差频声源级较低、完成多波束困难,其在惯例的水下方针勘探声纳中则一向没有取得很好运用;一起,国内外针对参量阵的这两个缺点的研讨也一向在进行。

  进步参量阵转化功率,因而进步差频声源级有3个或许的途径:⑴改动介质参数;⑵进步原频声源级;⑶进步差频频率。

  经过发射波形挑选能够使差频声源级相关于两个单频波发射的状况有几分贝的改进,可是实践运用历来都不是选用两个单频信号,因而一般不将这种发射信号办法的挑选认为是进步差频声源级的办法。

  最早的进步参量阵转化功率的研讨都是从改动介质参数下手,假如介质的密度减小、声速减小、非线性参数增大,差频声源级会显着增大。硅橡胶、气泡层作为进步转化功率的手法都取得了试验验证,可是明显这两种物质都不或许大规模地呈现在勘探声纳的前方,因而不具有在水声工程中实践运用的价值。

  进步原频声源级也是常用的进步参量阵转化功率的手法,可是原频声源级的进步也是有约束的,即便能够忍耐声饱满效应对参量阵功能带来的恶化,声空化也将约束原频声源级的进步。一般状况下声源级仅合适进步到弱饱满的状况(即SLc量级)。

  再有一个手法则是进步差频波的频率。这个手法以往较少选用,首要有两个原因:一是进步差频波的频率意味着要进步换能器的带宽,这关于换能器的要求很高;二是进步了差频波的频率,也就添加了其吸收丢失,并且波束宽度变窄的比率相比较而言没有更低的差频频率状况下那么显着。

  跟着宽带换能器技能的展开,进步差频频率变得比较简单后,较高的差频频率、即小下移比(原频和差频频率的比值)的状况越来越多地呈现在了国外参量阵技能的水声工程运用中。比方Parasound的下移比抵达了6,而Topas的下移比抵达了3~4,比以往常用的10左右的下移比大大减小了,致使差频声源级能够进步十几分贝,因而声源级大于200dB在国外近年的海底地层剖面仪中比较常见。

  因为一般的勘探声纳关于勘探速度都是有必定的要求的,单波束办法较低的勘探功率也是参量阵声纳取得更广泛运用的一个约束要素。假如说进步参量阵的转化功率、使差频声源级根本抵达水声工程的实用阶段在国外现已根本完成了的话,多波束参量阵技能则是国内外都还在持续探究的课题。

  早年面的剖析可知,参量阵的低频窄波束特性是在换能器发射的声波的传达进程中发生的,而其声波的接纳办法一般为低频宽波束接纳(假如选用低频窄波束接纳,必定接纳阵的孔径很大,失去了参量阵声纳换能器孔径小这一最首要的长处),因而不具有惯例多波束声纳经过接纳多波束来区别不同方向的信号的才干。

  选用电子扫描办法完成参量阵声纳的波束旋转,在国内(如前述中国科学院声学研讨所东海研讨的水库堤堰安全检测设备)和国外都有运用,但都不是真实意义上的多波束,因为有必要等候一个方向的信号回波抵达后波束才干旋转到别的一个方向,不然宽指向性接纳时无法区别不同方向的回波信号。只要电子扫描多波束发射的各个方向的波束之间的相关性很小时,宽指向性接纳状况下才有或许经过信号相关检测来区别不同方向的信号,完成真实的多波束发射(即不需求等一个方向的信号回来之后再发射另一个方向的信号)。

  从信号的空间特性视点来区别不同方向的波束首要能够选用频分和码分的办法,能够有多种信号办法,可是考虑到在杂乱的海洋环境下实践勘探时对信号带宽、脉冲长度的要求,按捺混响的要求,以及参量阵信号的自解调效应等等要素,许多办法的实践运用作用都遭到约束。国内在这方面做了一些仿真和试验研讨,研讨了包含频分多址和码分多址技能运用于参量阵的多波束发射的或许性,可是国内外都没有相关的老练的工程运用的报导。

  国外在Parasound的功能介绍中提到了13个独立波束,其是否是真实的多波束发射、功能怎么,从其技能人员的介绍来看并不达观。选用正交编码的办法来构成多个发射波束有两个问题:一是高功率地发生双极性码调制的正弦信号,关于参量阵的非线性自解调效应来说并不是很简单,二是因为不同的编码办法占用的是同一个频带,在强混响环境下会添加混响强度,此刻的混响强度须按接纳的宽波束考虑,而不是如单波束参量阵声纳那样按发射的窄波束考虑。而选用频分的办法来构成多个发射波束也有问题,会大幅度下降单个波束的带宽,对声纳的间隔分辨率和抗混响特性都会发生较大的影响。怎么在浅海混响环境下完成参量阵声纳的有用的多波束发射仍是一个有待深入研讨的课题。

  因为介质的非线性,两个同向传达的高强度声波可发生具有累积效应的同向传达的差频波,此即参量阵技能的根本物理原理。参量阵技能的首要特色是能够用小孔径的换能器发生高指向性的低频声波,且波束根本无旁瓣,较简单完成大带宽。其在水声工程中首要运用在高分辨率海底地层剖面仪上,在埋葬物体勘探、大深度多普勒计程仪、水声通讯等运用范畴也有相关研讨,最近还呈现了根据参量阵技能的水下小方针勘探声纳。

  约束参量阵技能在水声工程中、特别是在水下方针勘探中被广泛运用的首要问题是:差频声源级较低以及构成多波束较困难。对这两个问题的研讨现在都有一些发展,但仍有待进一步进步,现在能完成的差频声源级比惯例线性声纳常用的声源级还低一个量级,在多波束功能上还不能很好地满意浅海高混响环境下的运用。假如在两个问题的研讨上能更进一步,参量阵技能将在声纳范畴有更好的运用。

  作者:李颂文,1966年出世,上海船只电子设备研讨所水声对立技能国防科技要点试验室,研讨员,研讨方向为水声信号处理、水下声成像和非线性水声学

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