第3章 聽覺傳感系統(tǒng)

第3章聽覺傳感系統(tǒng)3.1振動(dòng)傳感器3.2聲吶3.3

超聲波傳感器

3.1振動(dòng)傳感器

3.1.1振動(dòng)傳感器原理

振動(dòng)傳感器是將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為與之成比例的電信號(hào)的設(shè)備。通常,振動(dòng)傳感器并不是直接將待測(cè)量的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電量,而是將原始機(jī)械量作為振動(dòng)傳感器的輸入。原始機(jī)械量經(jīng)由機(jī)械接收部件加以接收,形成另一個(gè)適合于變換的機(jī)械量,最后經(jīng)由機(jī)電變換部分再轉(zhuǎn)換為電量輸出。

1.機(jī)械接收

機(jī)械接收可以分為相對(duì)式和慣性式兩種。

1)相對(duì)式機(jī)械接收

機(jī)械運(yùn)動(dòng)是物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的最簡(jiǎn)單形式,最初人們普遍利用機(jī)械式測(cè)振儀來測(cè)量振動(dòng)的,并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出了相應(yīng)的傳感器裝置——機(jī)械測(cè)振儀。相對(duì)式機(jī)械測(cè)振儀的工作原理是在測(cè)量時(shí),把儀器固定在不動(dòng)的支架上,使觸桿與被測(cè)物體的振動(dòng)方向保持一致,借助彈簧的彈性力使觸桿與被測(cè)物體表面接觸,當(dāng)物體振動(dòng)時(shí),觸桿就會(huì)跟隨著物體一起運(yùn)動(dòng),并推動(dòng)記錄筆桿在移動(dòng)的紙帶上描繪出振動(dòng)物體隨時(shí)間變化的位移變化曲線,根據(jù)這個(gè)曲線就可以計(jì)算出位移的大小及頻率等相關(guān)參數(shù)。

2)慣性式機(jī)械接收

慣性式機(jī)械測(cè)振儀是將測(cè)振儀直接固定在被測(cè)振動(dòng)物體的測(cè)點(diǎn)上,當(dāng)傳感器外殼隨被測(cè)振動(dòng)物體運(yùn)動(dòng)時(shí),由彈性支承的慣性質(zhì)量塊將與傳感器外殼發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng),安裝在質(zhì)量塊上的記錄筆就可以記錄下質(zhì)量塊與外殼的相對(duì)振動(dòng)位移及幅值,然后利用慣性質(zhì)量塊與外殼的相對(duì)振動(dòng)位移關(guān)系式,即可求出被測(cè)物體的絕對(duì)振動(dòng)位移。

2.機(jī)電變換

與傳統(tǒng)意義上獨(dú)立的機(jī)械測(cè)量裝置不同,現(xiàn)代振動(dòng)測(cè)量中所用的傳感器僅僅是整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)中的一部分,還需要借助其他相關(guān)的電子線路共同完成測(cè)量任務(wù)。由于振動(dòng)傳感器

內(nèi)部機(jī)電變換原理不同,輸出的電量也各不相同,測(cè)得的機(jī)械量可以變換為電動(dòng)勢(shì)、電荷的變化或電阻、電感等電參量,但是一般來說,這些參數(shù)并不能直接進(jìn)行顯示、記錄和分析,必須附以對(duì)應(yīng)的測(cè)量電路,以便將傳感器的輸出電量轉(zhuǎn)化為可供顯示或?yàn)榉治鰞x器所接受的一般電壓信號(hào)。

按照機(jī)電變換原理的不同,傳感器可以分為電動(dòng)式、壓電式、電渦流式、電感式、電容式、電阻式、光電式等多種形式;而按照所測(cè)機(jī)械量的不同,傳感器又可以分為位移傳感器、速度傳感器、加速度傳感器、力傳感器、應(yīng)變傳感器等。

1)電動(dòng)式傳感器

電動(dòng)式傳感器是指利用電磁感應(yīng)原理,將運(yùn)動(dòng)速度轉(zhuǎn)換并輸出為線圈中的感應(yīng)電勢(shì),又可稱為感應(yīng)式傳感器。這種傳感器不需要外加供電電源,可以直接吸取被測(cè)物體的機(jī)械能并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出,是一種典型的發(fā)電型傳感器。

2)電感式傳感器

電感式傳感器是利用線圈自感或互感系數(shù)的變化來實(shí)現(xiàn)對(duì)非電量進(jìn)行測(cè)量的一種裝置。利用電感式傳感器,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)位移、壓力、振動(dòng)、應(yīng)變、流量等參數(shù)的測(cè)量,它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高、輸出功率大、輸出阻抗小、抗干擾能力強(qiáng)及測(cè)量精度高等一系列優(yōu)點(diǎn),在機(jī)電控制系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。

3)電容式傳感器

電容式傳感器包括可變間隙式和可變公共面積式兩種類型,前者可以測(cè)量直線振動(dòng)的線位移,后者可以測(cè)量扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的角位移

3.1.2振動(dòng)傳感器應(yīng)用

靈敏度是判斷傳感器好壞的最基本指標(biāo)之一,靈敏度的大小會(huì)直接影響到振動(dòng)傳感器對(duì)振動(dòng)信號(hào)的測(cè)量精度。振動(dòng)傳感器的靈敏度一般由被測(cè)振動(dòng)量的大小決定,但是用來測(cè)

量以一定規(guī)律出現(xiàn)的加速度和減速度時(shí),壓電加速度傳感器測(cè)得的不同頻段的加速度信號(hào)大小差異較大,這主要是因?yàn)闇y(cè)量的是振動(dòng)的加速度值,而相同位移幅值條件下的加速度

值是與信號(hào)頻率的平方成正比的。壓電式加速度傳感器測(cè)量范圍較大,但是也無法覆蓋高低頻率間全部的振動(dòng)信號(hào),所以在選擇加速度傳感器時(shí),需要首先對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行充分的估計(jì)以及選擇靈敏度合適的傳感器型號(hào)。

智能型振動(dòng)傳感器集成了傳統(tǒng)傳感器與微處理器的優(yōu)勢(shì),集數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)交換能力于一體。隨著芯片技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的蓬勃發(fā)展,以及其與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷融合,振動(dòng)傳感器將朝著更加智能化、專業(yè)化、信息化的方向發(fā)展。隨著制造及運(yùn)維成本的不斷降低,振動(dòng)傳感器的智能化應(yīng)用會(huì)更加普及。

3.2聲吶

聲吶是利用水下聲波對(duì)水下信息進(jìn)行傳遞和探測(cè)的設(shè)備的總稱。聲吶的分類方式較多,按用途可以分為測(cè)距聲吶，綜合聲吶、偵察聲吶、識(shí)別聲吶、通信聲吶、報(bào)警聲吶等;按波束特征可以分為單波束聲吶、多波束聲吶、掃描聲吶、旁視聲吶等;按裝載體可以分為艦用聲吶、潛用聲吶、航空聲吶、岸用聲吶等;按基陣結(jié)構(gòu)和布設(shè)方式可以分為吊放式聲吶、拖曳式聲吶、合成孔徑聲吶、參量陣聲吶、艦殼聲吶等

3.2.1聲吶的原理

1.主動(dòng)聲吶與被動(dòng)聲吶

從工作原理角度出發(fā),聲吶可以分為主動(dòng)聲吶和被動(dòng)聲吶兩類。在水下測(cè)距任務(wù)中,雷達(dá)所使用的電磁波信號(hào)在水下衰減嚴(yán)重,而且波長(zhǎng)越短,損失越大,這就會(huì)阻礙遠(yuǎn)距離探測(cè)工作的展開。利用對(duì)聲波的感知可以很好地避免這種情況的發(fā)生。因?yàn)槁暡ㄊ怯晌矬w振動(dòng)產(chǎn)生的,可以在水中傳播至非常遠(yuǎn)的距離,使得對(duì)反射波的采集更加容易和可行。

1)主動(dòng)聲吶

有目的地主動(dòng)從系統(tǒng)中發(fā)射聲波的聲吶稱為主動(dòng)聲吶。在進(jìn)行水下探測(cè)時(shí),主動(dòng)聲吶發(fā)射聲波信號(hào),利用信號(hào)在水下傳播途徑中遇到的障礙物或目標(biāo)反射的回波進(jìn)行探測(cè)。主動(dòng)發(fā)射的聲波到達(dá)目標(biāo)并返回后,通過計(jì)算目標(biāo)反射回波的時(shí)間以及其他回波參數(shù),就可以探測(cè)水下目標(biāo),測(cè)定其距離、方位、航速、航向等運(yùn)動(dòng)要素。由于主動(dòng)聲吶是利用接收的回波來探測(cè)目標(biāo)的,所以除了可以探測(cè)到運(yùn)動(dòng)目標(biāo)外,還可以搜尋海底的潛艇、沉船、飛機(jī)殘骸及其他固定不動(dòng)的障礙物。

主動(dòng)聲吶由換能器基陣、發(fā)射機(jī)(包括波形發(fā)生器、發(fā)射波束形成器)、定時(shí)中心、接收機(jī)、指示器、控制同步設(shè)備等部分組成,如圖3-1所示。圖3-1主動(dòng)聲吶原理圖

需要注意的是,主動(dòng)聲吶的發(fā)射信號(hào)在各種物體(被測(cè)目標(biāo)、障礙物、水中不均勻水團(tuán))上均會(huì)發(fā)生散射,可能會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的混響現(xiàn)象,縮小了聲吶的有效作用距離,妨礙對(duì)目標(biāo)信號(hào)的接收,因此混響是主動(dòng)聲吶系統(tǒng)面臨的主要外部干擾之一。

2)被動(dòng)聲吶

被動(dòng)聲吶可以通過簡(jiǎn)單地接收目標(biāo)發(fā)出的噪聲,來測(cè)定目標(biāo)的距離和方位,本身不發(fā)射信號(hào),所以目標(biāo)不會(huì)覺察聲吶的存在及其意圖,更適合于潛艇使用,既不需要冒著暴露自身的風(fēng)險(xiǎn)發(fā)送聲波,又可以探測(cè)敵艦的活動(dòng)情況,其工作原理如圖3-2所示。不難發(fā)現(xiàn)被動(dòng)聲吶與主動(dòng)聲吶非常相似,最大的不同是沒有發(fā)送聲波的部分。為了增強(qiáng)聲波的性能,聲吶的單元一般會(huì)做成陣列的形式,配以其他設(shè)備,實(shí)現(xiàn)對(duì)某個(gè)特定區(qū)域的掃描,常見的大型陣列分為球形或柱狀兩種。圖3-2被動(dòng)聲吶原理圖

被動(dòng)聲吶設(shè)計(jì)者只能針對(duì)特定的目標(biāo)聲音進(jìn)行設(shè)計(jì)。還是以潛艇為例,潛艇自身發(fā)出的噪聲包括螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)噪聲、艇體與水流摩擦產(chǎn)生的動(dòng)水噪聲,以及各種發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械振

動(dòng)引起的輻射噪聲等。在大多數(shù)情況下,聲吶的設(shè)計(jì)者無法掌握其發(fā)出的聲音類型及特征,因此被動(dòng)聲吶需要在潛艇自身噪聲背景下接收遠(yuǎn)場(chǎng)目標(biāo)發(fā)出的噪聲,這就需要采用比主動(dòng)聲吶更多的信號(hào)處理措施。

2.聲吶系統(tǒng)的指標(biāo)

衡量聲吶系統(tǒng)性能的參數(shù)包括戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)和技術(shù)指標(biāo)兩類,前者能夠反映戰(zhàn)術(shù)性能,例如作用距離、目標(biāo)的方位角和高低角范圍、定位精度、分辨率、搜索速度、環(huán)境條件以及盲

區(qū)等,通常由作戰(zhàn)和使用部門下達(dá),需要根據(jù)戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)的要求進(jìn)行聲吶的設(shè)計(jì);后者指為了確保戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)的實(shí)現(xiàn),系統(tǒng)應(yīng)具有的參數(shù),例如發(fā)射功率、脈沖重復(fù)頻率、工作頻率等,這都屬于設(shè)備的內(nèi)部技術(shù)指標(biāo),一般由聲吶設(shè)計(jì)師制定。

1)戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)

(1)作用距離。

聲吶的作用距離是實(shí)戰(zhàn)中最為重要的戰(zhàn)術(shù)指標(biāo),是指聲吶在一定條件下能有效發(fā)現(xiàn)目標(biāo)并測(cè)得數(shù)據(jù)的最大距離。根據(jù)不同的作用距離要求,可以選取不同的聲吶類型,比如警戒聲吶比探雷聲吶要求的作用距離遠(yuǎn),艦用聲吶比岸用聲吶要求的作用距離近得多。

(2)方位角和高低角。

方位角和高低角分別指水平面內(nèi)和垂直面內(nèi)的角度,這兩個(gè)角度范圍所界定的空間描述了聲吶系統(tǒng)可以搜索的空間區(qū)域,如果目標(biāo)在界定的空間區(qū)域內(nèi)出現(xiàn),就可能被探測(cè)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)或進(jìn)行參數(shù)測(cè)定。

(3)定位精度。

定位精度是指測(cè)定目標(biāo)位置時(shí)的最小位置誤差,也可稱為定位誤差,誤差越小,精度越高。在已知目標(biāo)方位和目標(biāo)距離的前提下,可以確定目標(biāo)在水平面內(nèi)的位置,這樣就對(duì)應(yīng)出測(cè)向和測(cè)距兩個(gè)精度指標(biāo)。測(cè)向精度是指測(cè)量目標(biāo)所在方位角的誤差,而測(cè)距精度是指測(cè)量目標(biāo)所在距離的誤差。為了避免單次測(cè)量誤差的隨機(jī)性,一個(gè)系統(tǒng)的實(shí)際測(cè)向精度和測(cè)距精度需要經(jīng)過多次測(cè)量后計(jì)算求得。

(4)分辨率。

分辨率表示聲吶系統(tǒng)分辨空間中兩個(gè)距離較近目標(biāo)的能力。分辨率可分為方位分辨率和距離分辨率,前者表示在同一距離上能分辨出的兩個(gè)目標(biāo)間的最小角度間隔,取決于換

能器的性質(zhì),包括換能器的指向性及信號(hào)處理方式等;后者表示在同一方向上能分辨出的兩個(gè)目標(biāo)間的距離,與所用信號(hào)波形、處理技術(shù)密切相關(guān)。實(shí)驗(yàn)表明,分辨率的數(shù)值越小,分辨率越高,聲吶的性能就越好。

(5)搜索速度。

搜索速度是指單位時(shí)間內(nèi)可搜索的空間區(qū)域的大小,主要由探測(cè)距離、波束寬度以及搜索方式?jīng)Q定。搜索一定空間所需的時(shí)間越少或在一定時(shí)間內(nèi)搜索的空間區(qū)域越大,則表示聲吶的搜索速度越快。

(6)環(huán)境條件。

環(huán)境條件是指對(duì)聲吶所在的周圍環(huán)境進(jìn)行的規(guī)定,例如聲吶安裝的艦艇類型、工作時(shí)的環(huán)境溫度、海況、艦艇航速以及抗電磁輻射能力和抗其他聲吶干擾的能力等。

(7)盲區(qū)。

盲區(qū)是指在聲吶作用距離內(nèi),由于受到某些條件的限制而無法探測(cè)到目標(biāo)的區(qū)域,一般可以用圖形、角度或距離范圍來表示。按照盲區(qū)的形成原因,盲區(qū)大致可分為物理盲區(qū)、

幾何盲區(qū)、尾部盲區(qū)、脈沖寬度盲區(qū)和混響盲區(qū)等。

2)技術(shù)指標(biāo)

(1)信號(hào)強(qiáng)度(聲源級(jí))和聲吶接收機(jī)的靈敏度。

信號(hào)強(qiáng)度(聲源級(jí))指聲吶輻射的軸向聲功率大小,接收靈敏度則指聲吶可接收的最小信號(hào),二者都以分貝表示。信號(hào)強(qiáng)度是主動(dòng)聲吶的重要技術(shù)指標(biāo)之一,直接影響聲吶的作用距離,通常與聲吶接收機(jī)的靈敏度指標(biāo)一起考慮。當(dāng)接收機(jī)的靈敏度一定時(shí),通過調(diào)整信號(hào)強(qiáng)度來保證接收端有信號(hào);而當(dāng)聲吶的信號(hào)強(qiáng)度一定時(shí),也可以通過提高接收機(jī)的靈敏度來保證在作用距離上接收機(jī)輸出端有足夠的信號(hào)。

(2)接收機(jī)的檢測(cè)閥。

接收機(jī)的檢測(cè)閥指標(biāo)是根據(jù)戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)中給定的置信級(jí),再結(jié)合接收機(jī)采用的具體信號(hào)處理方案計(jì)算得出的對(duì)接收機(jī)輸入信噪比的要求。與接收機(jī)靈敏度指標(biāo)不同的是,靈敏度

的高低無法表示干擾信號(hào)檢測(cè)的水平,而接收機(jī)的檢測(cè)閥是衡量接收機(jī)好壞最重要的技術(shù)指標(biāo)。

(3)接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍。

接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍是接收機(jī)能正常接收的最大信號(hào)與最小信號(hào)幅度之比的分貝數(shù),可根據(jù)聲吶系統(tǒng)的最遠(yuǎn)作用距離和最近接收距離求得。

3.新型聲吶技術(shù)

1)合成孔徑聲吶技術(shù)

合成孔徑聲吶技術(shù)是一種新型高分辨率的水下二維成像聲吶技術(shù),它基于小孔徑基陣的移動(dòng),通過對(duì)不同位置接收信號(hào)的相關(guān)處理,來獲得移動(dòng)方向(方位方向)上大的合成孔徑,從而得到關(guān)于方位方向的高分辨率。簡(jiǎn)單來說,移動(dòng)距離越大,合成孔徑的長(zhǎng)度就會(huì)越長(zhǎng),分辨率越高,從而抵消了距離增大帶來的影響。

合成孔徑聲吶可以用于對(duì)水下軍事目標(biāo)的探測(cè)和識(shí)別,最直接的應(yīng)用就是對(duì)沉底水雷和掩埋水雷進(jìn)行高分辨率探測(cè)和識(shí)別,同時(shí)還可以用于海底目標(biāo)探測(cè)、水下考古和搜尋水

下失落物體等,尤其可以進(jìn)行高分辨率海底測(cè)繪,這對(duì)數(shù)字地球的研究具有十分重要的意義。合成孔徑聲吶在國(guó)外的研究方向包括提高信號(hào)處理方法、增強(qiáng)目標(biāo)識(shí)別圖像分辨率和加大作用深度等,這項(xiàng)技術(shù)是具有良好應(yīng)用前景的海洋高新技術(shù)之一。

2)水下定位技術(shù)

激光聲遙感技術(shù)具有機(jī)動(dòng)靈活、覆蓋水域廣等特點(diǎn),在一些艦船難以達(dá)到的地方,其技術(shù)優(yōu)勢(shì)更加突出,但是等位精度相對(duì)較低。水聲定位系統(tǒng)目前已經(jīng)研發(fā)出具有很高精度

的技術(shù)方法,所以將激光聲遙感技術(shù)和水聲定位技術(shù)聯(lián)合起來構(gòu)成的新型水下定位技術(shù),是這個(gè)方向的重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容?？梢灶A(yù)見,在不久的將來,進(jìn)行搜索較大范圍海域內(nèi)水下目標(biāo)任務(wù)時(shí),可以利用機(jī)載激光聲遙感技術(shù)確定水下目標(biāo)的大致范圍,然后再利用船載水聲定位技術(shù)對(duì)其進(jìn)行精確定位。

3.2.2聲吶的應(yīng)用

1.軍事應(yīng)用

1)水面艦艇聲吶系統(tǒng)

水面艦艇聲吶主要用于探測(cè)水下潛艇、水雷等目標(biāo),為反潛武器射擊、掃除水雷等活動(dòng)提供目標(biāo)坐標(biāo)數(shù)據(jù)。水面艦艇的執(zhí)行任務(wù)、武器裝備和噸位決定著艦艇攜帶聲吶的數(shù)量,

一般為1~10部,分別負(fù)責(zé)探雷、識(shí)別、攻擊、警戒、通信和導(dǎo)航等多種功能。

現(xiàn)代水面艦艇聲吶根據(jù)換能器基陣布設(shè)方式的不同,可以分為拖曳聲吶和艦殼聲吶。拖曳聲吶的換能器基陣拖曳在艦尾,可以通過改變拖拽纜線長(zhǎng)度調(diào)節(jié)基陣入水深度,從而選擇最有利的作業(yè)水層。由于基陣位于艦尾,遠(yuǎn)離艦體,所以受艦艇噪聲干擾較小。艦殼聲吶的換能器基陣安裝在艦艇殼體上,又分為固定式和升降式兩種,前者基陣根據(jù)艦艇噸位大小,安裝在艦艇的不同部位,而后者基陣一般安裝在艦艇前部龍骨附近的圍阱中,工作時(shí)通過傳動(dòng)裝置,降低到離艦體下數(shù)米深的水中,較多用于中小型艦艇。

2)潛艇聲吶系統(tǒng)

潛艇是公認(rèn)的戰(zhàn)略性武器,其研發(fā)和生產(chǎn)需要高度全面的工業(yè)能力。潛艇在水下作戰(zhàn)時(shí),最重要的就是對(duì)海情的掌握,作戰(zhàn)區(qū)的水文情況往往決定著戰(zhàn)爭(zhēng)的走向。潛艇因其在

艇體形狀和動(dòng)力設(shè)置上的特點(diǎn),尾端同時(shí)也是動(dòng)力輸出部分,由于湍流沖擊干擾,會(huì)形成一個(gè)艇聲吶球和艇體聲吶無法探測(cè)的盲區(qū),嚴(yán)重威脅潛艇的安全。這種情況下采用拖曳聲吶,可以有效搜索隱藏在盲區(qū)中的目標(biāo),實(shí)現(xiàn)全面?zhèn)陕牎撏аb備的聲吶形態(tài)還包括安裝在艇體多個(gè)位置的被動(dòng)聲吶聽音裝置,可以利用不同位置接收到同一信號(hào),進(jìn)行快速定位。

3)海底聲吶監(jiān)控系統(tǒng)

海底聲吶監(jiān)控系統(tǒng)是指在近海海底區(qū)域布設(shè)的規(guī)模巨大的聲吶系統(tǒng)。該系統(tǒng)以大量水聽器和收發(fā)一體的換能器形成組陣,可以固定布設(shè)或機(jī)動(dòng)布設(shè),構(gòu)筑水聲監(jiān)控網(wǎng)。除了對(duì)海域自然災(zāi)害、海洋生物洄游運(yùn)動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)外,該系統(tǒng)還可以防衛(wèi)敵軍對(duì)軍事要塞、重要港口的破襲。

4)航空聲吶系統(tǒng)

航空聲吶主要配備在海軍反潛直升機(jī)、反潛巡邏機(jī)上,用于搜索、識(shí)別和跟蹤潛艇,保障機(jī)載反潛武器的使用,引導(dǎo)反潛兵力對(duì)潛艇實(shí)施攻擊。吊放式聲吶一般裝備于反潛直升

機(jī)上,采取跳躍式逐點(diǎn)搜索,當(dāng)載機(jī)飛臨某一探測(cè)點(diǎn),調(diào)整為低空懸停狀態(tài),并將換能器基陣吊放入水至最佳深度,以主動(dòng)或被動(dòng)方式全向搜索,這種聲吶發(fā)現(xiàn)潛艇的距離一般為5海里(9.26km)左右。聲吶浮標(biāo)系統(tǒng)是機(jī)載綜合反潛戰(zhàn)術(shù)情報(bào)和指揮控制系統(tǒng)的重要組成部分,由浮標(biāo)投放裝置、無線電信號(hào)接收機(jī)和信號(hào)處理顯示設(shè)備等組成。

2.傳統(tǒng)應(yīng)用

1)水下測(cè)深和測(cè)距

水下測(cè)深和測(cè)距一般會(huì)采用常規(guī)測(cè)深儀、底層剖面儀和旁視聲吶三種測(cè)量工具中的一種。常規(guī)測(cè)深儀利用回聲原理向水下發(fā)射短脈沖,通過測(cè)量海底反射的回波的到達(dá)時(shí)間來

計(jì)算艦船所處的深度;底層剖面儀采用能發(fā)射穿入海底的具有低頻大功率脈沖聲源的聲波,根據(jù)掠過各層介質(zhì)的入射聲波和回波的形狀性質(zhì)來確定海底的反射系數(shù),推斷出海底的結(jié)構(gòu)和性質(zhì),探測(cè)海底是否存在沉船或暗礁等;旁視聲吶可以探測(cè)垂直于艦船航速方向的海底,繪制海底地圖。

2)魚群探測(cè)和漁業(yè)管理

在魚群探測(cè)和漁業(yè)管理應(yīng)用中,主要使用探魚儀、助漁聲吶設(shè)備和聲學(xué)屏障三種儀器設(shè)備。探魚儀是一種利用水聲工程技術(shù)的漁用電子儀器,用于發(fā)現(xiàn)魚群的動(dòng)向、魚群所在

地點(diǎn)及范圍。探魚器的出現(xiàn)大大提高了捕魚的產(chǎn)量和效率。通過與其他助漁、導(dǎo)航儀器相接,經(jīng)中央處理單元的統(tǒng)一處理后,可以在彩色顯示屏上得到以魚群為主體的全景影像,極大地?cái)U(kuò)展了探魚儀的功能和應(yīng)用范圍。

3)海流流速測(cè)量

多普勒效應(yīng)是指水中目標(biāo)向著接近或遠(yuǎn)離聲吶的方向運(yùn)動(dòng)將改變接收回波頻率的現(xiàn)象。在對(duì)海流流速進(jìn)行測(cè)定的應(yīng)用中,聲吶系統(tǒng)由一對(duì)裝在船底傾斜向下的指向性換能器組成,可以利用海底回波中的多普勒頻移得到艦船相對(duì)海底的航速。若將聲吶固定在流動(dòng)的海域中,還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)海水的流動(dòng)速度及方向的自動(dòng)檢測(cè)和記錄功能。

3.海洋測(cè)繪應(yīng)用

隨著海洋高新技術(shù)的介入和裝備的不斷升級(jí),水下地形聲學(xué)探測(cè)技術(shù)得到了迅速發(fā)展,目前已成為世界各海洋國(guó)家在海洋測(cè)繪方面的重要研究方向之一。比較典型的探測(cè)設(shè)

備有單波束回聲測(cè)深儀、多波束測(cè)深系統(tǒng)和側(cè)掃聲吶。

1)單波束回聲測(cè)深儀

測(cè)深儀是指通過向水下發(fā)射短脈沖,測(cè)量海底回波的到達(dá)時(shí)間來隨時(shí)測(cè)量艦船所處位置距海底深度的儀器,而單波束是指發(fā)射的聲波為單波。傳統(tǒng)的單波束測(cè)深儀由于采用單波束發(fā)射形式,測(cè)線之間操作過程中可能會(huì)出現(xiàn)對(duì)障礙物的漏測(cè)情況,從而降低了海圖的可靠性;另一方面,為了能夠接收到回波信號(hào),測(cè)深儀的波束一般都設(shè)計(jì)得比較寬,但是如果海底深度變化比較快的話,寬波束就會(huì)導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生誤差。

單波束回聲測(cè)深儀的數(shù)據(jù)記錄方式已由較早的模擬式記錄發(fā)展為數(shù)字式記錄,其精確度得到極大的提高,可以滿足大部分海道的測(cè)量要求。將數(shù)字式測(cè)深儀、運(yùn)動(dòng)姿態(tài)傳感器、

衛(wèi)星定位系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集軟件結(jié)合在一起的測(cè)深系統(tǒng),可以極大地減少海洋測(cè)量人員投放數(shù)量,提高海洋測(cè)量效率。單波束測(cè)深儀未來將向著系統(tǒng)高度集成化、智能化、小型化的方向發(fā)展,其中雙頻單波束測(cè)深儀為航道適航水深的測(cè)量提供了可能,對(duì)發(fā)揮港口的潛在功能和指導(dǎo)回淤較大的疏浚區(qū)域測(cè)量具有現(xiàn)實(shí)意義。

2)多波束測(cè)深系統(tǒng)

20世紀(jì)70年代出現(xiàn)的多波束測(cè)深系統(tǒng),能形成一定寬度的全覆蓋的水深條帶,可以比較可靠地反映出海底地形的細(xì)微地貌起伏,也被稱為微地貌測(cè)量系統(tǒng)。利用多波束測(cè)深儀確定的海底地形更為真實(shí)可靠。

多波束測(cè)深系統(tǒng)通過接收波束形成技術(shù)實(shí)現(xiàn)空間精確定向,利用回波信號(hào)的某些特征參量進(jìn)行回波時(shí)延檢測(cè)以確定回波往返時(shí)間,從而確定斜距以獲得精確的水深數(shù)據(jù),繪制出海底地形圖,達(dá)到海底地形精確測(cè)量的掃測(cè)目的。

3)側(cè)掃聲吶

側(cè)掃聲吶是基于回聲探測(cè)原理進(jìn)行水下目標(biāo)探測(cè)的。工作原理如下:通過系統(tǒng)的換能器基陣以一定的傾斜角度、發(fā)射頻率,向海底發(fā)射具有指向性的寬垂直波束角和窄水平波

束角的脈沖超聲波,在觸及海底目標(biāo)后發(fā)生反射和散射現(xiàn)象,利用顯示器顯示出各表層圖像的不同特征,經(jīng)過圖像判讀,進(jìn)一步判別海底目標(biāo)的特征,非常適用于對(duì)露出海床面以上的海底目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)。

盡管側(cè)掃聲吶技術(shù)的使用受到船速的限制,但是在港口和航道探測(cè)中,側(cè)掃聲吶技術(shù)在對(duì)水下航行障礙物及水下小目標(biāo)探測(cè)方面具有廣泛的應(yīng)用前景。未來側(cè)掃聲吶技術(shù)將向著圖像鑲嵌技術(shù)這一目標(biāo)不斷完善,使側(cè)掃數(shù)據(jù)的三維可視化呈現(xiàn)更加豐富直觀,系統(tǒng)分辨率不斷提高,在高航速條件下圖像保真及海底底質(zhì)聲學(xué)特征要素提取的可靠性等方面得到進(jìn)一步的提高。

未來的聲學(xué)測(cè)深技術(shù)勢(shì)必會(huì)向著功能高度集成、設(shè)備小型化的方向發(fā)展,對(duì)海底多種聲學(xué)特性的一體化探測(cè)無疑也是未來發(fā)展的重要趨勢(shì),這樣不僅可以避免聲學(xué)設(shè)備異步異

地測(cè)量造成的數(shù)據(jù)融合困難,而且可以為海洋勘測(cè)提供更為可靠的數(shù)據(jù)支撐,增加分析討論的客觀性和科學(xué)性。

3.3-超聲波傳感器

超聲波是指振動(dòng)頻率高于20kHz的機(jī)械波,具有頻率高、波長(zhǎng)短、繞射現(xiàn)象少,特別是方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點(diǎn)。超聲波對(duì)液體、固體(尤其是在陽光下不透明的固體)的穿透本領(lǐng)很大,碰到雜質(zhì)或分界面時(shí)會(huì)產(chǎn)生顯著反射形成反射回波,而碰到活動(dòng)物體時(shí)能產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。超聲波傳感器是將超聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換成其他能量信號(hào)(通常是電信號(hào))的傳感器,廣泛應(yīng)用在工業(yè)、國(guó)防、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。

3.3.1超聲波傳感器概述

1.超聲波特性

人耳能夠聽見20Hz~20kHz之間的聲音,這個(gè)頻率內(nèi)的振動(dòng)叫做聲振動(dòng),由振動(dòng)產(chǎn)生的縱波稱為聲波。而超聲波是一種波長(zhǎng)極短的機(jī)械波,在空氣中波長(zhǎng)一般小于2cm,超聲波的頻率高于20kHz,是人耳無法分辨的聲波。與人耳能聽到的聲波相比,超聲波除了具有指向性好、功率大、反射能力強(qiáng)、穿透力強(qiáng)等特點(diǎn),還具有獨(dú)特的聲場(chǎng)特性和傳播特性,而且必須依靠介質(zhì)進(jìn)行傳播,無法存在于真空(如太空)環(huán)境中。

1)聲場(chǎng)特性

超聲場(chǎng)是充滿超聲波的空間,若超聲場(chǎng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于超聲的波長(zhǎng),超聲就像處在一種無限的介質(zhì)中,可以向外自由擴(kuò)散;若超聲的波長(zhǎng)與相鄰介質(zhì)的尺寸相近,那么超聲波會(huì)受到界面限制不能向外自由擴(kuò)散,所以,介質(zhì)界面的影響是研究超聲場(chǎng)時(shí)必須要考慮的因素。

超聲波的聲場(chǎng)特性,主要是指超聲場(chǎng)中的聲壓分布、聲場(chǎng)的幾何邊界和聲場(chǎng)指向性問題。聲場(chǎng)指向性是指超聲波定向束射和傳播的性質(zhì),是超聲探傷的必要基礎(chǔ),通常用指向性系數(shù)或擴(kuò)散角來表示。

當(dāng)聲波為一點(diǎn)聲源時(shí),可以向四面八方輻射;如果聲源的尺寸大于波長(zhǎng),那么聲源就會(huì)集中成一個(gè)波束,以某一角度擴(kuò)散出去。在聲源的中心軸線上聲壓最大,偏離中心軸線后,聲壓逐漸減小,這就形成了聲波的主瓣(主波束);離聲源近的地方聲壓會(huì)交替出現(xiàn)最大點(diǎn)與最小點(diǎn),形成聲波的旁瓣。按照這一原理,觀察圖3-3(a),其中OA方向輻射的能量最多,用長(zhǎng)度為Oa的線段表示,并使Oa歸一化為“1”;OB和OB'方向輻射的能量為OA方向的一半,通常稱OB和OB'的夾角為半功率角,用β=0.5表示,聲源尺寸大于波長(zhǎng)時(shí)的聲波傳播示意圖如圖3-3所示,這里主要呈現(xiàn)聲源聲場(chǎng)的指向性情況。圖3-3-圓盤形聲源聲場(chǎng)指向性示意圖

2)傳播特性

(1)波形。

超聲波能夠在任何彈性物體(液體、固體和氣體)中傳播,介質(zhì)的彈性決定著波的形式。根據(jù)介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向和聲波的傳播方向是否相同,超聲波的波形可分為橫波、縱波、

表面波和蘭姆波。質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與傳播方向垂直的波稱為橫波,只能在固體中進(jìn)行傳播;質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與傳播方向一致的波稱為縱波,由于波在沿著波前進(jìn)的方向傳播時(shí)會(huì)出現(xiàn)疏密不同的部分,所以也可稱為“疏密波”;表面波又稱瑞利波,只能在固體表面進(jìn)行傳播,波的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)介于縱波與橫波之間,振幅隨著深度的增加而迅速衰減;考慮地球旋轉(zhuǎn)作用,在靜力平衡大氣中還可以產(chǎn)生一種只沿水平方向傳播的特殊聲波,稱為蘭姆波。

(2)聲速。

超聲波以一定的速度在介質(zhì)中傳播,聲速c、波長(zhǎng)λ與頻率f之間存在公式(3-1)的關(guān)系:

(3)反射和折射。

如圖3-4所示,當(dāng)超聲束所遇界面的直徑大于超聲波波長(zhǎng)時(shí),聲波從一種介質(zhì)傳播到另一種介質(zhì),在兩種介質(zhì)的分界面,會(huì)發(fā)生反射和折射現(xiàn)象。圖3-4聲波的反射與折射

(4)超聲波的衰減。

由于介質(zhì)對(duì)聲波的擴(kuò)散、散射及吸收作用,隨著超聲波傳播距離的增加,其能量將逐漸衰減。經(jīng)過氣體介質(zhì)時(shí),聲波被吸收的程度最大,衰減現(xiàn)象最嚴(yán)重,其次分別是液體和固體。

根據(jù)聲波衰減原因的不同,可將其分為擴(kuò)散衰減、散射衰減和吸收衰減。

擴(kuò)散衰減是指超聲波能量隨著波陣面的不斷擴(kuò)大而逐漸擴(kuò)散,單位面積獲得的能量減小,聽到的聲音逐漸減弱;散射衰減是超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)遇到聲阻抗不同的異質(zhì)界面時(shí)產(chǎn)生反射、折射和波形轉(zhuǎn)換現(xiàn)象而引起的衰減,其衰減速度受多重因素的影響,包括擴(kuò)散角大小、超聲波頻率、換能器直徑等;吸收衰減是指超聲波在傳播過程中,由于介質(zhì)本身存在的黏滯性,導(dǎo)致聲能因質(zhì)點(diǎn)之間的摩擦而轉(zhuǎn)化為熱能,吸收衰減與聲波的頻率成正比,頻率越高的超聲波越容易被吸收,通常以衰減系數(shù)α來表示不同介質(zhì)中聲波的衰減程度。

2.超聲波傳感器的工作原理

超聲波傳感器是一種利用晶體的壓電效應(yīng)、電致伸縮效應(yīng)和磁致伸縮效應(yīng),將機(jī)械能與電能相互轉(zhuǎn)換,實(shí)現(xiàn)對(duì)各種參量的測(cè)量的可逆換能器。超聲波傳感器主要有壓電晶體(電

致伸縮)及鎳鐵鋁合金(磁致伸縮)兩類,其中壓電陶瓷超聲傳感器作為一種壓電超聲換能器,發(fā)展得較為成熟。

為了以超聲波作為檢測(cè)手段,必須要實(shí)現(xiàn)超聲波的激發(fā)和接收。

(1)超聲波的激發(fā)。

超聲波的激發(fā)以逆壓電效應(yīng)為基礎(chǔ),對(duì)壓電晶體沿著電軸方向施加適當(dāng)?shù)慕蛔冃盘?hào),由于聲場(chǎng)的作用,壓電晶體內(nèi)部正負(fù)電荷中心發(fā)生位移,這一極化位移使材料內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力,導(dǎo)致壓電晶體發(fā)生交替的壓縮和拉伸,從而產(chǎn)生振動(dòng),振動(dòng)的頻率和交變電壓的頻率相同。若把晶體耦合到彈性介質(zhì)上,則晶體將產(chǎn)生一個(gè)超聲源,進(jìn)而將超聲波輻射到彈性介質(zhì)中。晶體超聲探頭就是利用壓電晶體的逆壓電效應(yīng)將脈沖電壓轉(zhuǎn)換成超聲波脈沖,從而構(gòu)成了超聲波源。

(2)超聲波的接收。

超聲波的接收是以正壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)的,壓電晶體在外部拉力或壓力的作用下將引起晶體內(nèi)部原來重合的正負(fù)電荷中心發(fā)生相對(duì)位移,在相應(yīng)的表面上表現(xiàn)為符號(hào)相反的表面

電荷,其電荷密度與應(yīng)力成正比。簡(jiǎn)單來說就是,超聲波能夠在壓電晶體上產(chǎn)生一定大小的聲壓,從而在壓電晶體兩端產(chǎn)生正比于聲壓的電壓信號(hào),即在超聲探頭上產(chǎn)生相應(yīng)的脈