一種平面多極子矢量接收陣系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及的是一種可以在20-1000Hz低頻范圍內(nèi)工作的、具有高陣增益、小尺度窄波束的平面多極子矢量接收陣系統(tǒng)。平面多極子矢量接收陣系統(tǒng)，包括9個矢量陣元、圓柱形耐壓陣體及上下蓋板、27路信號放大濾波電路單元、1套信號采集單元和1塊供電電池單元以及連接導線，9個矢量陣元在圓柱形陣體上蓋板上排成3x3平面陣型，采用Ｏ型圈將陣元與陣體上蓋板之間水密，并用螺栓固定，27路信號放大濾波電路單元、1套信號采集單元和1塊供電電池單元以及連接導線置于圓柱形陣體內(nèi)部，整體系統(tǒng)無電纜輸出。本發(fā)明體積小、重量輕、使用方便，而且能夠在低頻段獲得良好的陣處理增益和理想的波束寬度，可以大大提高水聲探測系統(tǒng)的技術(shù)水平。
【專利說明】一種平面多極子矢量接收陣系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及的是一種可以在20-1000HZ低頻范圍內(nèi)工作的、具有高陣增益、小尺度窄波束的平面多極子矢量接收陣系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]在平面多極子矢量接收陣系統(tǒng)中，用來接收水下聲場中聲信號的接收陣元是一種能夠同時獲取水下聲場中傳播的聲壓標量信號和質(zhì)點振速矢量信號的組合式接收器——矢量水聽器。
[0003]矢量水聽器，與經(jīng)典的聲壓水聽器相比，具有更高的低頻靈敏度、更理想的低頻余弦指向特性和小巧的體積、較輕的質(zhì)量(在水下基本呈中性浮力)，因此在水聲工程各個方面得到廣泛的應(yīng)用。
[0004]隨著矢量水聽器應(yīng)用技術(shù)的不斷發(fā)展，基于矢量水聽器的各種陣處理技術(shù)得到空前的關(guān)注，比如，2001年惠俊英的《聲矢量陣指向性》，2003年孟洪的《組合矢量水聽器及其成陣技術(shù)研究》，2004年呂錢浩的《矢量傳感器陣列技術(shù)研究》，2005年張攬月的《基于ESPRIT算法的L-型矢量陣源方位估計》、陳華偉的《聲矢量傳感器陣寬帶相干信號子空間最優(yōu)波束形成》，2007年付彥的《基于小尺度矢量陣的多目標分辨研究》，2009年鄒錦芝《稀疏矢量陣設(shè)計的模擬退火算法》、邢世文《三維矢量水聽器及其成陣研究》，2010年李秀坤《矢量水聽器陣時頻MUSIC算法研究》，2011年梁國龍《基于洛倫茲錐規(guī)劃的聲矢量陣寬容自適應(yīng)波束形成》，2012年楊德森《矢量圓陣測向方法》、付金山《基于稀疏分解理論的聲矢量陣信號處理》、葛曉洋《聲傳感器陣列的實驗研究》，2013年王鵬《基于MEMS矢量水聽器陣列的聲目標定向定位技術(shù)研究》，等等。國外在矢量陣技術(shù)研究方面起步較早，比如1995年，美國加利福尼亞海洋環(huán)境大學斯克利普斯研究所的Peter F.Worcester等人在其開展的海洋環(huán)境監(jiān)測項目(ATOC)中，通過在海底放置垂直矢量水聽器線陣來提取海洋環(huán)境數(shù)據(jù)，每條線陣安置 40 個水聽器(參見:Peter F.Worcester, Kevin R.Hardy, David Horwitt, andDouglas A.Peckham.A DEEP OCEAN DATA RECOVERY MODULE.);美國俄勒岡州立大學、北力口利福尼亞州立大學和隸屬于美國國家海洋大氣委員會的太平洋環(huán)境實驗室的研究人員在開展海底水文信息探測研究時，所用設(shè)備為垂直三元矢量線陣，成功的收集到該水域的海洋聲場信息(參見:H.Matsumoto, D.Bohnenstiehl, R.P.Dziakl, L.Williams, R.Gliege, C.N.Meinig and P.Harben.A Vertical Hydrophone Array Coupled via Inductive Modemfor Detecting Deep-Ocean Seismic and Volcanic Sources)。
[0005]但在國內(nèi)外，如上所述目前研究的矢量陣信號處理技術(shù)基本都是依托線列陣或十字交叉陣(L型陣或圓形陣)，而且陣列設(shè)計的理論基礎(chǔ)是依據(jù)聲壓陣(標量陣)的設(shè)計原理，即陣元間距大于1/2波長的理論。目前還未見到小型平面多極子矢量陣的文獻報道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于提供一種可以在20-1000HZ低頻范圍內(nèi)工作的、具有高陣增益、小尺度窄波束的平面多極子矢量接收陣系統(tǒng)。
[0007]本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的:
[0008]平面多極子矢量接收陣系統(tǒng)，包括9個矢量陣元、圓柱形耐壓陣體及上下蓋板、27路信號放大濾波電路單元、I套信號采集單元和I塊供電電池單元以及連接導線，9個矢量陣元在圓柱形陣體上蓋板上排成3x3平面陣型，采用O型圈將陣元與陣體上蓋板之間水密，并用螺栓固定，27路信號放大濾波電路單元、I套信號采集單元和I塊供電電池單元以及連接導線置于圓柱形陣體內(nèi)部，整體系統(tǒng)無電纜輸出。
[0009]矢量陣元由兩只獨立的振動傳感器和一只壓電圓環(huán)組成，兩只振動傳感器呈十字正交放置于壓電圓環(huán)中心處，再采用低密度復合材料將二者灌注在一起，并包覆聚氨酯材料外殼，陣元與基陣之間無連接線纜。
[0010]本發(fā)明的有益效果在于:
[0011]本發(fā)明可以廣泛應(yīng)用于低頻水聲探測各領(lǐng)域，工作頻率低、陣增益高、波束寬度窄，具有較強的抗干擾能力、結(jié)構(gòu)簡單可靠性強。它不僅體積小、重量輕、使用方便，而且能夠在低頻段獲得良好的陣處理增益和理想的波束寬度，可以大大提高水聲探測系統(tǒng)的技術(shù)水平。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1是矢量陣接收系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0013]圖2是單個矢量陣元結(jié)構(gòu)示意圖；
[0014]圖3是矢量陣元安放示意圖；
[0015]圖4是單個濾波放大電路單元示意圖；
[0016]圖5是信號采集單元結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017]圖6是多極子矢量陣波束形成圖。
【具體實施方式】
[0018]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做更詳細地描述:
[0019]它包括9個矢量陣元、圓柱形耐壓陣體及上下蓋板、27路信號放大濾波電路單元、I套信號采集單元和I塊供電電池單元以及連接導線。所述的每個矢量陣元由兩只獨立的振動傳感器和一只壓電圓環(huán)組成，兩只振動傳感器呈十字正交放置于壓電圓環(huán)中心處，再采用低密度復合材料將二者灌注在一起，并包覆聚氨酯材料外殼。9個矢量陣元在圓柱形陣體上蓋板上排成3x3平面陣型，每個陣元的聲中心間距120mm，陣元上有O型圈凹槽，采用O型圈將陣元與陣體上蓋板之間水密，并用螺栓固定。27路信號放大濾波電路單元、I套信號采集單元和I塊供電電池單元以及連接導線置于圓柱形陣體內(nèi)部的兩層隔板上，其中上隔板按順序排放27路信號放大濾波電路，下隔板中心處放置供電電池I塊、周邊放置信號采集單元I套。信號采集單元包括32路采集卡一塊、控制卡I塊、交換機I個、存儲硬盤I塊。存儲數(shù)據(jù)讀出端口、蓄電池充電端口均置放在圓柱形陣體的下蓋板上，并以密封蓋保護。
[0020]本發(fā)明提出了一種將矢量陣元器件與圓柱形耐壓陣體一體設(shè)計的新型水下矢量接收陣。設(shè)計中矢量陣元與基陣密封殼體之間無連接線纜，幾乎灌注在一起，大大減少了由于電纜傳輸帶來的干擾，以及陣體結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定和布放的操控難度，從而可以提高系統(tǒng)整體聲學性能和技術(shù)指標，提高其工程應(yīng)用中的可靠性。另外，矢量陣元的低噪聲放大電路采用單路封裝形式，也大大提高了系統(tǒng)的抗電噪聲干擾的能力。
[0021]本發(fā)明的基本理論依據(jù)是:
[0022]在平面波自由場中，對于一個9基元的矢量陣來說(如圖1所示)，通過不同基元之間的組合能形成多極子矢量接收陣。以陣中心5號基元作為參考基元，則不同基元所接收到的信號相對于參考基元來說其表達式如下:
[0023]1、各個基元聲壓通道接收的信號如下
[0024]
【權(quán)利要求】
1.一種平面多極子矢量接收陣系統(tǒng)，包括9個矢量陣元、圓柱形耐壓陣體及上下蓋板、27路信號放大濾波電路單元、I套信號采集單元和I塊供電電池單元以及連接導線，其特征是:9個矢量陣元在圓柱形陣體上蓋板上排成3x3平面陣型，采用O型圈將陣元與陣體上蓋板之間水密，并用螺栓固定，27路信號放大濾波電路單元、I套信號采集單元和I塊供電電池單元以及連接導線置于圓柱形陣體內(nèi)部，整體系統(tǒng)無電纜輸出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種平面多極子矢量接收陣系統(tǒng)，其特征是:所述的矢量陣元由兩只獨立的振動傳感器和一只壓電圓環(huán)組成，兩只振動傳感器呈十字正交放置于壓電圓環(huán)中心處，再采用低密度復合材料將二者灌注在一起，并包覆聚氨酯材料外殼，陣元與基陣之間無連接線纜。
【文檔編號】G01H17/00GK103940504SQ201410121008
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年3月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月28日
【發(fā)明者】陳洪娟, 楊士莪, 張虎, 王文芝, 郭西京, 樸勝春, 郭俊媛 申請人:哈爾濱工程大學