平面矢量傳感器陣的研制及校準(zhǔn)研究.pdf

1、隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，水面艦船和水下潛艇的整體輻射噪聲水平一直處于快速下降中。特別是現(xiàn)代安靜型潛艇，其整體噪聲水平已經(jīng)和海洋環(huán)境噪聲相當(dāng)。但是受目前減震降噪技術(shù)條件的限制，在500Hz以下的低頻段上其輻射噪聲仍具有較強(qiáng)的低頻線譜特征。而基于傳統(tǒng)聲壓水聽(tīng)器構(gòu)成的陣列，雖然能有效的探測(cè)低頻、低噪聲目標(biāo)，但由于自身成陣技術(shù)條件的限制，其陣列設(shè)備體積龐大，使用極為不便。因此，為了解決遠(yuǎn)距離低噪聲目標(biāo)測(cè)量的需求，亟待需要一種小尺寸、低頻遠(yuǎn)程探測(cè)

2、能力強(qiáng)，且工程使用方便可靠陣列設(shè)備。矢量傳感器的出現(xiàn)，使這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)成為現(xiàn)實(shí)。
　　矢量傳感器不但可以測(cè)量聲場(chǎng)中最常見(jiàn)的聲壓量，而且還可以直接、同步測(cè)量聲場(chǎng)中同一點(diǎn)處媒體介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)振速的方向和大小，從而直接獲得聲場(chǎng)的多種信息，這不僅有助于改善水聲系統(tǒng)的性能，而且也拓寬了后置信號(hào)處理空間，特別是它具有體積小、重量輕、低頻靈敏度高以及不隨頻率變化的余弦指向性，和抑制各向同性噪聲等諸多優(yōu)點(diǎn)，為解決低頻低噪聲目標(biāo)的遠(yuǎn)程探測(cè)提供了新的思路和

3、方法。
　　本文在回顧了矢量傳感器及其基陣的發(fā)展歷程和研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，以柱形同振式矢量傳感器為基元，對(duì)一種小于六分之一波長(zhǎng)等間距排列的9元平面矢量傳感器陣進(jìn)行了研制和校準(zhǔn)。
　　論文首先針對(duì)小尺寸、高靈敏度的柱形同振式矢量傳感器研制困難的問(wèn)題，對(duì)柱形矢量傳感器的工作原理和設(shè)計(jì)思想進(jìn)行了梳理。然后通過(guò)理論分析加Comsol有限元仿真計(jì)算的方法，對(duì)小尺寸柱形同振式矢量傳感器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。同時(shí)，在同振式矢量傳感器懸掛使用

4、方式上，選擇將矢量傳感器及其懸掛系統(tǒng)放置在能和使用平臺(tái)固定連接使用的基元外殼內(nèi)部的設(shè)計(jì)方式，避免了矢量傳感器傳統(tǒng)的外懸掛方式而帶來(lái)的使用不便問(wèn)題。
　　在充分的理論分析和仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)制作了9只工作頻帶為20~500Hz，加速度靈敏度為3V/g的小型矢量傳感器基元。利用矢量傳感器駐波管實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)系統(tǒng)對(duì)每只基元的指向性和靈敏度進(jìn)行了測(cè)量校準(zhǔn)。測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，單只矢量傳感器基元在工作頻帶內(nèi)具有良好的余弦指向特性。而在其靈敏度

5、的測(cè)量中發(fā)現(xiàn)，聚氨酯外殼的透聲性能要優(yōu)于不銹鋼外殼約17dB，因此最終選擇聚氨酯外殼的矢量傳感器基元，制作了小于六分之一波長(zhǎng)等間距排列的3×3平面矢量傳感器陣樣機(jī)。
　　這種小尺寸的平面矢量傳感器陣，由于排列間距小于六分之一波長(zhǎng)，基元之間不可避免的存在互散射的影響，而這種散射及其它干擾項(xiàng)所引起的陣列誤差主要體現(xiàn)在陣列基元間的信號(hào)相位誤差上。為了準(zhǔn)確有效的測(cè)量相位誤差，針對(duì)性的提出了利用信號(hào)幅度大小測(cè)量精度高的優(yōu)勢(shì)來(lái)計(jì)算相位差的校準(zhǔn)