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原文传递平面矢量传感器阵的研制及校准研究

论文题名：	平面矢量传感器阵的研制及校准研究
关键词：	水声系统;平面矢量传感器阵;测量校准;相位误差;有限元法
摘要：	随着现代科学技术的发展，水面舰船和水下潜艇的整体辐射噪声水平一直处于快速下降中。特别是现代安静型潜艇，其整体噪声水平已经和海洋环境噪声相当。但是受目前减震降噪技术条件的限制，在500Hz以下的低频段上其辐射噪声仍具有较强的低频线谱特征。而基于传统声压水听器构成的阵列，虽然能有效的探测低频、低噪声目标，但由于自身成阵技术条件的限制，其阵列设备体积庞大，使用极为不便。因此，为了解决远距离低噪声目标测量的需求，亟待需要一种小尺寸、低频远程探测能力强，且工程使用方便可靠阵列设备。矢量传感器的出现，使这一目标的实现成为现实。　　矢量传感器不但可以测量声场中最常见的声压量，而且还可以直接、同步测量声场中同一点处媒体介质质点振速的方向和大小，从而直接获得声场的多种信息，这不仅有助于改善水声系统的性能，而且也拓宽了后置信号处理空间，特别是它具有体积小、重量轻、低频灵敏度高以及不随频率变化的余弦指向性，和抑制各向同性噪声等诸多优点，为解决低频低噪声目标的远程探测提供了新的思路和方法。　　本文在回顾了矢量传感器及其基阵的发展历程和研究现状的基础上，以柱形同振式矢量传感器为基元，对一种小于六分之一波长等间距排列的9元平面矢量传感器阵进行了研制和校准。　　论文首先针对小尺寸、高灵敏度的柱形同振式矢量传感器研制困难的问题，对柱形矢量传感器的工作原理和设计思想进行了梳理。然后通过理论分析加Comsol有限元仿真计算的方法，对小尺寸柱形同振式矢量传感器的结构进行了优化设计。同时，在同振式矢量传感器悬挂使用方式上，选择将矢量传感器及其悬挂系统放置在能和使用平台固定连接使用的基元外壳内部的设计方式，避免了矢量传感器传统的外悬挂方式而带来的使用不便问题。　　在充分的理论分析和仿真优化设计的基础上，设计制作了9只工作频带为20~500Hz，加速度灵敏度为3V/g的小型矢量传感器基元。利用矢量传感器驻波管实验室校准系统对每只基元的指向性和灵敏度进行了测量校准。测试结果发现，单只矢量传感器基元在工作频带内具有良好的余弦指向特性。而在其灵敏度的测量中发现，聚氨酯外壳的透声性能要优于不锈钢外壳约17dB，因此最终选择聚氨酯外壳的矢量传感器基元，制作了小于六分之一波长等间距排列的3×3平面矢量传感器阵样机。　　这种小尺寸的平面矢量传感器阵，由于排列间距小于六分之一波长，基元之间不可避免的存在互散射的影响，而这种散射及其它干扰项所引起的阵列误差主要体现在阵列基元间的信号相位误差上。为了准确有效的测量相位误差，针对性的提出了利用信号幅度大小测量精度高的优势来计算相位差的校准方法，并对所研制的平面矢量传感器阵样机进行了实验室和外场实验校准。校准结果证明了该方法的准确性和有效性，可广泛应用于低频小型接收阵的实验室校准。　　论文最后对全文进行了总结，并对下一步的工作进行了展望。
作者：	张虎
专业：	水声工程
导师：	杨士莪
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工程大学
学位年度：	2014
正文语种：	中文