：本文扼要归纳了单波束测深仪声学目标探测的国表里近况及其检定校准劳动的须要性。欺诈精细晃动安装平台，在消声池塘中完结了对单波束测深仪声源级、频次和波束角指向性的探测。中心讲解了其探测系统的构成，目标测试计划以及数据办理进程。现实测得被检换能器声源级为.dB，频次为.kHz，波束角为6.12°，餍足罕用海底声呐丈量仪器计量探测协商与运用的精度请求，对楷模水下声呐设备声学指方向探测办法具备现实意义。本文颁发在《海洋测绘》年第6期上，现编发给伙伴们赏玩领会。柳义成，诞生，男，山东德州人，山东科技大学测绘科学与工程学院，硕士，首要从事海洋测绘仪器与运用本领协商。

文/柳义成阳凡林李倩倩景冬

一、引言

单波束测深仪等声呐仪器是目下最为有用的水声探测设备。为保证成效品质，按期计量探测其探测机能具备巨大的协商与运用代价[1]。此中声源级、频次和波束角属于首要的声学探测目标，其探测时时需求在消声池塘中举办，以防止因池壁反射所形成的反射波和直达波的叠加而影响测试精度[2]。早在年和年，Maclean和Cook各自自力地提议了互易旨趣校准电声换能器的办法，是水下电声换能器丈量本领的巨大攻破和涤讪石。20世纪80年头开端，跟着盘算机本领的进展和水兵声呐新本领的驱策，在诸如美国、俄国、英国等先进国度的协商机谈判试验中，声源级、麻利度、阻抗、指向性等方面的丈量和校准劳动在主动化和数字化方面获得很大成绩，走向了新阶段。我国从年以后发端水听器麻利度（幅值）的探测本领协商。徐唯义、闫福旺用对比法及精细的脉冲小相角测试仪完结了水听器的相位一致性的探测劳动；朱厚卿完结了用宽带记号举办换能器的复数反映校准劳动[3]。

声源级、频次和波束宽度三项声学目标是影响单波束应声测深仪反向散射强度、分辩力、声照范畴以及测深虚浮定度的首要机能参数。颠末建匹配外测试平台，打算一套准则的计量检定办法，为实行罕用水下声呐丈量仪器计量探测涤讪原形，为国度或行业拟定水声仪器的品质操纵策略和准则供应根据。罕用水下声呐丈量仪器探测平台扶植，离不开销声池塘和精细晃动安装。怎么打算消声池塘中换能器对的安设平台和测试计划，怎么滤除或瘦弱记号中的噪声并简化数据办理过程，是本文要协商办理的关键题目。

二、探测平台打算

探测平台时时首要包含消声池塘、精细晃动安装和测试纪录设备。扶植一套切合行业楷模的水声设备多机能探测平台，关于拟定各种水下声呐丈量系统的检定准则，保证量值统一、靠得住，具备首要的意义。为此，消声池塘和精细晃动安装均应采取达方向扶植材料，打算楷模的尺寸，餍足低频脉冲记号的自在场、远场要乞降晃动精度请求。平台的测试纪录设备，应以通用盘算机为原形，可增增加机能记号搜集卡，可完结数据搜集与储备、记号解析办理、可视化等机能[4]。底下首要讲解消声池塘和晃动安装的打算。

⒈消声池塘

水声试验需求自在场、远场处境。户外大型自然水域由于存在较大布景做对，很难反响声响在水中的流传规律。因而，丈量用消声池塘的扶植就显得万分须要。池塘的巨细、声基阵的最大线度和消声材料的机能是决议池塘应用频段的首要要素。池塘的尺寸好像地与声记号在水中的波长成正比，即劳动频次越低，池塘越大。时时用如下不等式决断远场区。

r≥a，λr≥πa2，k2r2≥1（1）

式中：r为换能器对的间隔，单元为m；a为声基阵的最大线度，单元为m；λ为声波波长，单元为m；k为波数。

若是采取脉冲声本领，要思量近来反射面的影响。反射声首要滥觞于水面、池底和侧面墙壁。为了防止直达声与反射声重迭，记号在脉宽内的流传间隔要小于直达声和近来反射声之间的声程差[5-6]。即：

τ·c≤r－d(2)

式中：τ为脉冲宽度，单元为s；c为水中自在场声速，单元为m/s；d为近来反射物到水听器的声程，单元为m。

脉冲声记号可分为输入暂态、稳态、余尾暂态三个阶段[7-8]。国度准则划定，为了使脉冲本领测试相当于连结记号丈量，脉冲宽度应抵达稳态值的96%以上[9]。固然，很长的稳态记号也没有须要，时时只需搜集到4个以上周期的稳态记号便可代表记号的特性。归纳以上判据，可依照资本和地方束缚前提，公道打算消声池塘尺寸，有用铺设橡胶消声尖劈。

⒉精细晃动安装

消声池塘起落/晃动定位安装是水声测试试验的主体履行机构[10]，是猎取精准的声轴方位和指向性图的关键。探测进程中，将发射换能器的等效声中间颠末转轴中间或盘算其偏移量归算到轴中间，改调换能器的晃动角度，找出接管声压的最大处即为声轴方位，从而盘算声源级，画出指向性图，求得波束宽度。底下中心讲解晃动安装的首要部位打算。

如图1所示，换能器对别离安设行家车两头，背靠消声墙壁，两者间隔餍足远场前提。支架转轴的上顶端中间均设有丈量标识，用于精准测定并换算水下换能器对的现实间隔r。装备有程度管的整平螺栓安装采取产业丈量系统举办标定，如图2(a)所示，从而保证两个换能器支架的竖直状况。

支架打算为水上水下两部份，用法兰毗连，在完结试验后，可将水下部份拆下储存。水听器竖直方位可调范畴是：以行车下方5m为中间，高低可调1.5m，总调幅3m，如图2(b)所示。发射换能器程度安设，调整水听器深度，可等效完结换能器窄波束角的探测（等效于发射换能器在竖直面内晃动）；水听器停止，程度面内晃动换能器，可完结宽波束角的探测[11-12]。

采取伺服机电动员转轴晃动，欺诈stm32单片机和SICKAFS60编码器盘算并操纵晃动角度，可完结程度面内°晃动，精度可达4″～5″。水听器起落部份设有钢制标尺，便利读值，调整精度可达毫米级。

三、探测计划打算

对声源级、频次、波束宽度举办计量测试是水声换能器研发与临盆进程中必不行少的枢纽。在泛滥的丈量办法中，最简捷并且最直接的办法是把被测换能器与一个准则水听器做对比。为了保证丈量成果更确切、指向性图细节更显然，在具备先进的硬件设备的同时还要打算完美的探测计划。

⒈声源级

声源级丈量是频次反映测试和指向性测试的原形，一个声呐发射器辐射的声源级(sl)被界说为：在它的辐射声场中，声轴方位上距发射器等效声中间1m遥远的表观声压对应的平面行波的声强级[13]。其盘算公式为：

sl＝20Iger－20IgMr＋20Igr＋（3）

式中：er为接管端开路电压有用值，单元为V；Mr为准则水听器接管麻利度，单元为v/μpa；r为测试间隔，单元为m。

⒉频次

声呐脉冲测距的关键是高精度的时延差丈量，这类办法需求精准地懂得脉冲记号的频次。因而，劳动频次是表征声呐换能器机能的一项首要参数。在海洋要素必要的情景下，海水汲取形成的衰减首要与频次关系。频次越大，衰减越大，当频次大于10kHz时，衰减因子对声强的影响变为一个首要要素，因而可知必需思量频次的影响。频次丈量办法时时分为测频法和计数法。采取加内插的过零探测法能够赢得较高的测频精度，即在停止的时光长度内统计记号的过零次数，每个周期数据的标识翻转两次，赢得记号周期，其倒数则为记号频次。这类办法是欺诈过零点先后采样点的模范值以及如同三角形的关联，估测记号过零点的值，属于改良的计数法[14]。

⒊指向性

指向性因数和指向性指数是用来度量指向性图主瓣或主波束的锋利程度的一个特性参量，也是声呐换能器中的一个首要参量。关于一个发射换能器，它的发射指向性图是示意它在自在场中辐射声波时，在其远场中声能空间散布的图象。通罕用D(φ,θ)示意归一化的指向性图函数（此中，θ示意调查方位与极轴Z的夹角，φ示意调查方位在XOY平面上的投影线与X轴的夹角）。界说式如下：

D(φ,θ)＝p(φ,θ)/p(0,0)(4)

此中，p(φ,θ)示意各调查方位上自在场声压的有用值；p(0,0)示意声轴方位上自在场声压的有用值。换能器的发射指向性图会跟着发射记号频次的改动而改动，即统一换能器当发射不同频次的记号时，其辐射声能在空间的散布是不同的。

四、试验与解析

年10月25日，在山东科技大学的海洋丈量归纳试验场举办单波束测深仪声学目标探测办法的测试，本次试验所应用的首要设备：

①中海达HD-单波束测深仪。劳动频次为kHz,发射声源级为dB，波束角为6°；②RENSONTC-准则水听器。具备26dB前置夸大机能；③AgilentUAUSB模块化记号搜集器。该型号产物具备4路14位分辩率、2MSa/s采样率的摹拟输入通道。

试验场的消声池塘长40m,宽10.8m,深5～8m，在间隔换能器对近来的双侧墙壁铺设有消声材料。由于来自池底和水面的反射（折射）噪声依旧会加入水听器，因而须颠末滤波办理，信噪分散，从而赢得无玷污的直达声脉冲记号。

本次试验首要分三步举办：第一，配置滤波阈值举办时域滤波；第二，采取带通滤波器举办频域滤波；第三，讨取滤波后脉冲记号盘算声压有用值，举办声源级、频次和波束指向性盘算。

⒈时域滤波

试验采取阈值触发，单冲搜集的方法猎取直达脉冲记号。在消声池塘中，直达声和反射（折射）声之间存在声程遐迩和声压巨细的差别，且具备较高的信噪比，水听器接管到的记号和反射（折射）噪声在时域上和声压振幅上是很轻易区隔开的。因而，可颠末配置阈值和采样点数的方法举办时域的滤波。

调查摹拟记号波形发觉：反射（折射）记号和直达记号的幅值差池较大且在时域上不叠加，即在一个脉宽时光内没有反射记号加入搜集器。由此设定方向记号振幅的2/3倍做为门限值，便可获得优异的滤波成效。依照单波束的发射脉宽和记号搜集器的采样频次可盘算出一个脉冲记号的采样数。试验发觉：纪录阈值以后个采样点,足以把一个完全的脉冲记号保管下来，且不包含反射（折射）声。详细搜集的数据点数应依照记号脉宽和声程而定。

⒉频域滤波

　　在高信噪比下只是颠末记号包络就能够决断出记号和噪声，不过在低信噪比下，还需求颠末频谱解析的办法赢得记号[15]。赢得直达脉冲记号以后，对其举办频谱解析，成果如图3中(a)和(b)所示。记号首要频次成份齐集在kHz，与HD-单波束标称频次一致。不过主频除外尚有其余的频次成份，因而可知，在此脉宽内有处境噪声或系统噪声加入水听器，由于接管时光的叠加，这类噪声是没法颠末期域的滤波剔除的。可打算带通滤波器滤除双侧的做对成份：通带左界线设定为kHz,右界线设定为kHz，衰减截至左界线设定为kHz，右界线设定为kHz，边带区衰减分贝值设定为0.1，截至区衰减分贝值设定为30，尔后对通带内的记号举办重构，赢得滤波后的记号及其频谱如图3中(c)和(d)所示。从图中不难发觉，高频的噪声记号赢得了有用统制。

⒊频次、声源级和波束角的盘算

水听器端测得的自在场声压是盘算声源级和波束指向性因数的首要参数。操纵换能器和水听器场所，赢得换能器在程度面和竖直面内不同角度处的割裂声压值，颠末内插可拟合成连结指向性图。

⑴依照脉冲记号稳态部份数据，采取高频数字示波器求得脉冲记号的现实频次为.kHz。

⑵在餍足自在场、远场测试前提的处境下，测得换能器等效声中间与水听器的测试间隔r为7.m,声轴方位脉冲记号稳态部份的开路电压有用值为3.V,已知RENSONTC-准则水听器在该频次处的接管麻利度级为-.2dB，依照公式(3)，求得被检仪器的声源级为SL=.dB。

⑶操纵伺服机电以0.10°的角度分开晃动换能器，纪录并盘算各个角度场所处的声压有用值，绘启程射指向性图，见图4。求得降落3分贝的波束宽度2θ-3dB为6.12°。

五、论断

在欺诈声呐换能器来形成水下声记号的丈量中，人们只习惯

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