本發(fā)明涉及的是矢量水聽器，具體地說是一種低噪聲矢量水聽器。
背景技術(shù)：
：近年來，隨著水下目標(biāo)輻射噪聲的降低，有些甚至低于零級(jí)海況，目標(biāo)的遠(yuǎn)程探測(cè)變得更加困難。雖然借助弱信號(hào)處理手段可以獲得一定的信噪比，將淹沒在海洋環(huán)境下的信號(hào)檢出，但是，如果水聽器的自噪聲高于接收信號(hào)的量級(jí)，那么信號(hào)將會(huì)完全淹沒到器件噪聲中。截至目前，沒有一種可靠的方法可以在該條件下將信號(hào)檢出。因此，水聽器的自噪聲對(duì)于聲納系統(tǒng)來說尤為重要，它是決定聲納系統(tǒng)性能的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)。對(duì)于聲壓水聽器來說，早在1962年，美國(guó)人R.S.Woollett就分析了前置放大器占主導(dǎo)地位的水聽器本底噪聲；1977年，J.W.Young又對(duì)壓電陶瓷水聽器的噪聲模型進(jìn)行了完善，他提出了利用信噪比惡化因數(shù)(Signal-to-NoiseDegradationFactor)表征水聽器的本底噪聲，并考慮了壓電材料噪聲、指向性、換能器與前置放大器匹配以及電纜帶來的噪聲，同時(shí)計(jì)算了電荷放大器的噪聲，至此建立了比較完善的聲壓水聽器噪聲模型。同時(shí)，在實(shí)際應(yīng)用上，多種商用聲壓水聽器的自噪聲均可在一定頻段內(nèi)以低于零級(jí)海況，例如丹麥公司的水聽器8106，丹麥RESON公司的水聽器TC4032以及美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室下屬的水聲標(biāo)準(zhǔn)部(UnderwaterSoundReferenceDetachment)生產(chǎn)的低噪聲水聽器H56，滿足了傳統(tǒng)聲納系統(tǒng)對(duì)于聲壓水聽器低噪聲的要求。相比于只能測(cè)量水中聲壓量的聲壓水聽器，矢量水聽器可以同時(shí)、共點(diǎn)的拾取水中的聲壓和質(zhì)點(diǎn)振速或加速度信息，因此近年來矢量水聽器發(fā)展迅速：各種不同類型的矢量水聽器，以及基于矢量水聽器的矢量陣列及信號(hào)處理方法層出不窮，為提高聲納設(shè)備的性能提供了良好的基礎(chǔ)。對(duì)于用于目標(biāo)探測(cè)的被動(dòng)聲納系統(tǒng)來說，雖然采用聲壓水聽器作為聲接收器，接收器自噪聲可以降到零級(jí)海況以下，但是，若要發(fā)揮矢量陣列的優(yōu)勢(shì)，需要使用矢量水聽器作為聲接收器，因此，矢量水聽器的自噪聲指標(biāo)變的尤為重要，其自噪聲的高低直接決定了聲納系統(tǒng)性能的優(yōu)劣。1991年，美國(guó)人T.B.Gabrielson發(fā)表了關(guān)于聲與振動(dòng)傳感器的自噪聲分析報(bào)告；2004年，F(xiàn).A.Levinzon闡述了壓電加速度計(jì)的本底噪聲模型，并在2012年發(fā)明了超低噪聲地震檢波器。以上文獻(xiàn)及成果雖然對(duì)聲與振動(dòng)傳感器的噪聲理論及應(yīng)用都做了較為完善的闡述，但都沒有涉及矢量水聽器，且并不是針對(duì)水聲工程領(lǐng)域所做的研究，因此參考價(jià)值一般。2014年，哈爾濱工程大學(xué)水聲工程學(xué)院的方爾正對(duì)MEMS型矢量水聽器的自噪聲進(jìn)行了理論分析，并給出了零級(jí)海況下航運(yùn)稀少和航運(yùn)中等條件下矢量水聽器的自噪聲要求。但是，對(duì)于矢量水聽器在低噪聲設(shè)計(jì)及制作方面，經(jīng)查閱國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)，均沒有發(fā)現(xiàn)相應(yīng)內(nèi)容，也未見低噪聲矢量水聽器相關(guān)實(shí)物的報(bào)道。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的在于提供一種能夠有效降低來自矢量水聽器內(nèi)部的自噪聲的低噪聲矢量水聽器。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：包括水下敏感探頭1、導(dǎo)線3、密封殼體4、安裝基座6、調(diào)理倉7、低噪聲調(diào)理電路8以及電纜9，所述的水下敏感探頭1通過內(nèi)部減振結(jié)構(gòu)2與密封殼體4相連接，密封殼體4與安裝基座6之間設(shè)置第一密封圈5，所述調(diào)理電路8安裝在調(diào)理倉7中，調(diào)理倉7與安裝基座6之間設(shè)置第二密封圈，經(jīng)過調(diào)理電路放大濾波調(diào)理后的信號(hào)經(jīng)由電纜9傳出。本發(fā)明還可以包括：1、所述水下敏感探頭1由敏感器件1a、支撐基座1b、空氣間隙1c、敏感器件保護(hù)殼1d、信號(hào)線1e以及信號(hào)線固定基座1f構(gòu)成，敏感器件1a通過支撐基座1b連接到敏感器件保護(hù)殼1d上，敏感器件1a送出的信號(hào)線1e通過信號(hào)線固定基座1f固定到敏感器件保護(hù)殼1d上。2、所述敏感器件1a由中心支撐結(jié)構(gòu)1b、壓電圓片1f、電極1g和信號(hào)線1e組成。壓電圓片1f為環(huán)形結(jié)構(gòu)，上中下三片電極1g也是環(huán)形結(jié)構(gòu)，中心支撐結(jié)構(gòu)1b依次交替穿過電極1g和壓電圓片1f，電極1g和壓電圓片1f使用導(dǎo)電膠粘接；信號(hào)通過上下電極1g從信號(hào)線1e導(dǎo)出。3、各通道調(diào)理電路布置在一個(gè)調(diào)理倉7中，每一通道調(diào)理電路8分別封裝在獨(dú)立金屬外殼中，所述調(diào)理電路8由屏蔽外殼8a、前放單元8b、帶通濾波單元8c及輸入輸出端子8d組成，屏蔽外殼8a固定安裝在安裝基座6上，每一通道輸出的信號(hào)經(jīng)過輸入輸出端子8d連接電纜9傳出。4、所述電纜由雙絞獨(dú)立屏蔽信號(hào)線和獨(dú)立屏蔽電源線以及總屏蔽線組成。本發(fā)明提供了一種能夠在20-200Hz頻率范圍內(nèi)、在水下聲場(chǎng)中獲取到(0.1～1)μg@100Hz質(zhì)點(diǎn)加速度信息的低噪聲矢量水聽器。本發(fā)明的低噪聲矢量水聽器包括水下敏感探頭、低噪聲電信號(hào)調(diào)理電路、低噪聲信號(hào)傳輸電纜以及減振安裝部件等。水下敏感探頭由敏感器件、支撐基座、空氣間隙、敏感器件保護(hù)殼以及線纜、內(nèi)部減震結(jié)構(gòu)和密封殼體、基座等組成；低噪聲電信號(hào)調(diào)理電路由低噪聲前置放大器和帶通濾波器組成；低噪聲信號(hào)傳輸電纜由低噪聲雙絞獨(dú)立屏蔽線和兩根電源線以及總屏蔽線等組成；減振安裝部件由減震墊和減震隔離護(hù)套等組成。本發(fā)明的基本理論是依據(jù)同振柱形矢量水聽器工作原理，即：若剛性柱體的幾何最大線性尺寸L遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)，即kL<<1，則其在水中聲波作用下作自由運(yùn)動(dòng)時(shí)，剛硬柱體的振動(dòng)速度幅值V與聲場(chǎng)中柱體幾何中心處水質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)速度幅值V0之間存在以下關(guān)系：V=2ρ0ρ‾+ρV0---(1)]]>其中：ρ0為水介質(zhì)密度，為剛硬柱體的平均密度，k為波數(shù)。由公式(1)可知，當(dāng)剛性柱體的平均密度等于水介質(zhì)密度ρ0時(shí)，其振動(dòng)速度幅值V與聲場(chǎng)中柱體幾何中心處水質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)速度幅值V0相同。本發(fā)明采用壓電加速度計(jì)作為敏感器件，其噪聲是由等效機(jī)械熱噪聲和電子熱噪聲兩部分組成。其中，壓電加速度計(jì)是質(zhì)量-彈簧系統(tǒng)構(gòu)成的機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)，機(jī)械阻抗由于布朗運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的熱噪聲為等效機(jī)械熱噪聲；而電子熱噪聲是由壓電晶體材料自身的損耗引起的。enm=αnmVPE=4kBTrm---(2)]]>其中，enm是等效機(jī)械熱噪聲譜密度，單位是為等效噪聲加速度譜密度，單位是是電壓靈敏度，單位是V/g。rm為等效機(jī)械阻抗，kB＝1.38×10-23J/K是玻爾茲曼常數(shù)，T是絕對(duì)溫度，單位是K。同樣地，re是由于壓電材料損耗引起的電子熱噪聲部分的等效電阻，ane是由電子熱噪聲引起的等效噪聲加速度譜密度，單位是ene=aneVPE=4kBTre---(3)]]>由于機(jī)械熱噪聲與電子熱噪聲產(chǎn)生的機(jī)理不同，所以兩者不相關(guān)。因此，壓電加速度計(jì)的開路輸出噪聲電壓譜密度enPE可以寫成兩種類型噪聲譜密度疊加的形式：enPE=anPEVPE=enm2+ene2=VPEanm2+ane2---(4)]]>anPE=anm2+ane2---(5)]]>其中，anPE是壓電加速度計(jì)總的等效噪聲加速度譜密度，單位是本發(fā)明通過理論設(shè)計(jì)，確保壓電加速度計(jì)和調(diào)理電路的總噪聲加速度譜級(jí)達(dá)到最低水平，有效地降低了來自矢量水聽器內(nèi)部的自噪聲。同時(shí)，通過對(duì)減振結(jié)構(gòu)和矢量水聽器內(nèi)部電纜布線的設(shè)計(jì)，提高了對(duì)來自外部的振動(dòng)和電與電磁以及聲的干擾的抵抗能力，從而使低噪聲矢量水聽器的等效自噪聲加速度譜級(jí)達(dá)到最低水平，能夠滿足對(duì)水下聲場(chǎng)弱信號(hào)的拾取需求。本發(fā)明有效地降低了來自矢量水聽器內(nèi)部的自噪聲，同時(shí)提高了對(duì)來自外部的振動(dòng)和電與電磁以及聲的干擾的抵抗能力，從而使低噪聲矢量水聽器的等效自噪聲加速度譜級(jí)達(dá)到最低水平，能夠滿足對(duì)水下聲場(chǎng)弱信號(hào)的拾取需求。因此，本發(fā)明可以廣泛應(yīng)用于水聲工程各領(lǐng)域，滿足了對(duì)低噪聲矢量水聽器的迫切需求，比如，水下目標(biāo)的遠(yuǎn)程探測(cè)系統(tǒng)等。所以本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是：1.能夠獲取水下聲場(chǎng)中(0.1-1)μg@100Hz的質(zhì)點(diǎn)加速度信息；2.獲取的信號(hào)頻率低，在20-200Hz頻率范圍內(nèi)；3.抗干擾能力強(qiáng)。附圖說明圖1是本發(fā)明低噪聲矢量水聽器結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明水下敏感探頭結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明的敏感器件的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是本發(fā)明的調(diào)理倉內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是本發(fā)明的低噪聲調(diào)理電路的低噪聲放大單元原理圖。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖舉例對(duì)本發(fā)明做更詳細(xì)地描述：結(jié)合圖1，本發(fā)明的低噪聲矢量水聽器由水下敏感探頭1、內(nèi)部減震結(jié)構(gòu)2、導(dǎo)線3、密封殼體4、密封圈5、安裝基座6、調(diào)理倉7、低噪聲調(diào)理電路8以及低噪聲電纜9等組成。所述的水下敏感探頭1通過內(nèi)部減振結(jié)構(gòu)2與密封殼體4相連接，該結(jié)構(gòu)形式可以有效降低來自外部的振動(dòng)干擾，達(dá)到降低噪聲的目的。密封殼體4與安裝基座6之間通過密封圈5進(jìn)行水密保護(hù)。所述的低噪聲調(diào)理電路8安裝在調(diào)理倉7中，調(diào)理倉7與安裝基座6之間通過密封圈5進(jìn)行水密保護(hù)。經(jīng)過放大濾波調(diào)理后的信號(hào)經(jīng)由電纜9傳出。同時(shí)結(jié)合圖2，水下敏感探頭1由敏感器件1a、支撐基座1b、空氣間隙1c、敏感器件保護(hù)殼1d、信號(hào)線1e以及信號(hào)線固定基座1f組成。敏感器件1a通過支撐基座1b連接到敏感器件保護(hù)殼1d上，可以拾取來自外部的聲信號(hào)；敏感器件1a送出的信號(hào)線1e通過信號(hào)線固定基座1f固定到敏感器件保護(hù)殼1d，以防止由于信號(hào)線1e抖動(dòng)產(chǎn)生的振動(dòng)干擾。同時(shí)結(jié)合圖3，敏感器件1a由中心支撐結(jié)構(gòu)1b、壓電圓片1f、電極1g和信號(hào)線1e組成。壓電圓片1f為環(huán)形結(jié)構(gòu)，上中下三片電極1g也是環(huán)形結(jié)構(gòu)，中心支撐結(jié)構(gòu)1b依次交替穿過電極1g和壓電圓片1f，電極1g和壓電圓片1f使用導(dǎo)電膠粘接；信號(hào)通過上下電極1g從信號(hào)線1e導(dǎo)出。實(shí)現(xiàn)矢量水聽器的低噪聲輸出。同時(shí)結(jié)合圖4，為了可以降低通道間信號(hào)串?dāng)_，并提高屏蔽性能，每一通道低噪聲調(diào)理電路8均采用金屬外殼獨(dú)立封裝。低噪聲調(diào)理電路8由屏蔽外殼8a、低噪聲前放單元8b、帶通濾波單元8c及輸入輸出端子8d組成，屏蔽外殼8a通過螺栓8e固定安裝在安裝基座6上，置于調(diào)理倉7內(nèi)。每一通道輸出的信號(hào)經(jīng)過輸入輸出端子8d送入電纜9，并由其傳出。電纜9采用低噪聲電纜，其為雙絞結(jié)構(gòu)，由雙絞單線、石墨涂層、絕緣介質(zhì)、金屬絲編織屏蔽及外護(hù)套組成。電源線單獨(dú)雙絞屏蔽，用以屏蔽電源線上的噪聲對(duì)信號(hào)產(chǎn)生的干擾，同時(shí)配有外部總屏蔽層，以增加對(duì)外部電與電磁干擾的屏蔽效果。同時(shí)結(jié)合圖5，低噪聲前放單元8b是低噪聲調(diào)理電路8實(shí)現(xiàn)低噪聲的關(guān)鍵單元。該單元使用兩個(gè)經(jīng)過匹配配對(duì)的晶體管8e，通過直流耦合的方式提供更高的電源抑制比。運(yùn)算放大器8f需要使用低噪聲運(yùn)放，輸入電阻8g盡量選擇阻值較小的電阻，以便降低電阻熱噪聲帶來的影響，但同時(shí)阻值不宜過小，否則會(huì)使輸入電流過大，引入過多的電流噪聲。由于輸入信號(hào)為電壓信號(hào)，所以晶體管8e采用雙極性晶體管。當(dāng)前第1頁1 2 3