海洋背景噪聲聲壓信號監測設備的製作方法
2023-09-11 13:13:15
專利名稱：海洋背景噪聲聲壓信號監測設備的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於水下監測裝置技術領域，具體地說，是涉及一種用於對海洋的背景噪聲進行聲壓信號監測的設備。
背景技術：
研究海洋背景噪聲場的特性與模型，可以反演海洋的運動過程，了解海洋動物的行為，進而有助於進行水下目標的識別、聲納性能的評估以及水聲對抗的研究。隨著現代工業生產、海洋航運以及漁業的發展，海洋背景噪聲的特性變得更加複雜，這也對海洋噪聲的監測提出了更高的要求。傳統用於檢測水下噪聲的聲壓監測裝置多以壓電式、電容式、磁電式測量原理為主，存在非線性、帶寬窄、尤其在低頻段信號靈敏度下降快等缺點。而低頻段是現代海洋背景噪聲與目標識別研究領域的主要頻段，因而採用現有的聲壓監測裝置並不能很好地滿足海洋背景噪聲聲壓強度的準確監測要求。
發明內容本實用新型基於雷射幹涉原理，提出了一種海洋背景噪聲聲壓信號監測設備，以提高對海洋背景噪聲聲壓信號的檢測精度。為了解決上述技術問題，本實用新型採用以下技術方案予以實現一種海洋背景噪聲聲壓信號監測設備，包括殼體以及設置於殼體中的光路系統、控制系統和供電系統；所述殼體的左側或者右側開口，在所述開口處安裝有一帶反射面的振動片，通過所述振動片與殼體形成一個密閉的腔室，且振動片的反射面朝向腔室內；在所述腔室內設置有一帶透視窗的隔板，將腔室分隔成左右兩部分，其中振動片所在的腔室為氣室，通過管路與位於殼體外部的氣囊連通，另外一個腔室為器件室，布設所述的控制系統、供電系統以及光路系統中的雷射器、半透射半反射的分光鏡、平面反射鏡和光電接收器；所述雷射器發射雷射射向所述的分光鏡，通過所述分光鏡反射形成一路光束作為參考臂射向所述的平面反射鏡，透射形成另一路光束作為測量臂穿過所述的透視窗射向振動片的反射面；通過所述平面反射鏡和振動片反射的兩路光束經由分光鏡形成幹涉後射入所述的光電接收器，進而通過光電接收器生成電流輸出信號傳輸至控制系統中的控制器；在所述控制系統中還包含有壓電陶瓷，安裝在所述的平面反射鏡上，接收控制器輸出的電壓信號，利用自身形變帶動平面反射鏡移動。優選的，在所述平面反射鏡上優選安裝兩個壓電陶瓷，一個接收控制器輸出的調製信號，以用於判斷振動片的形變方向；另一個接收控制器輸出的補償電壓，以跟蹤振動片的形變量。進一步的，所述的兩個壓電陶瓷按照同一極化方向對接粘合在一起，安裝在所述平面反射鏡的背面。優選的，在所述控制器中包括A/D轉換器、D/A轉換器和CPU，所述光電接收器輸出的電流輸出信號經A/D轉換器變換為數位訊號後傳輸至所述的CPU ;所述CPU通過D/A轉換器輸出電壓信號至所述的壓電陶瓷。又進一步的，在所述管路中安裝有一電磁閥，接收控制器輸出的開關控制信號，在設備下水後，通過控制器控制電磁閥打開，保持氣室內的壓力與外界水壓一致。優選的，所述透視窗優選採用平面玻璃安裝在所述隔板上。為了減小整個監測設備的體積，在所述光路系統中還包含有三個傾斜布設的反射鏡，在所述器件室中，上方位置安裝第一反射鏡和所述的雷射器，中間位置安裝第二反射鏡和所述的分光鏡，所述第二反射鏡與振動片分設在分光鏡的左右兩側，下方位置安裝第三反射鏡和所述的平面反射鏡；所述雷射器沿水平方向發射雷射，以45°入射角射入第一反射鏡，反射形成垂直方向的光束以45°入射角射入第二反射鏡，進而經由第二反射鏡反射 形成水平方向的光束以45°入射角射入分光鏡，通過分光鏡反射形成垂直方向的第一段參考臂光束以45°入射角射入第三反射鏡，進而經由第三反射鏡反射形成水平方向的第二段參考臂光束射向垂直布設的平面反射鏡；所述光電接收器布設在分光鏡的上方，接收兩束垂直入射的光線。為了便於幹涉圖樣的採集，在所述第二反射鏡與分光鏡之間還設置有一擴束器，通過所述擴束器對雷射器發出的雷射光束的直徑進行擴大。再進一步的，在所述器件室內還設置有通信系統，連接所述的控制器，將控制器計算生成的檢測結果上傳至上位機進行顯示和存儲。優選的，所述通信系統優選通過通訊線纜與上位機連接通信。與現有技術相比，本實用新型的優點和積極效果是本實用新型的海洋背景噪聲聲壓信號監測設備利用麥可遜幹涉原理進行光路系統的結構設計，通過振動片感應海洋背景噪聲的振動，進而使作為測量臂的光束長度發生變化，由此來改變通過分光鏡反射和透射出的兩束光線所形成的幹涉條紋，由此便可以通過檢測幹涉條紋的變化間接地計算出海洋背景噪聲的振幅，並可以進一步通過調節參考臂的距離來對計算出的振幅進行補償，以獲得更為精確的聲壓大小。由此設計的監測設備精度高、線性度好，在O-IOKHz範圍內特別是在低頻段信號無衰減，具有良好的頻率響應特性，且該監測設備性能穩定，測量精度受設備中器件靈敏度的影響較小，易於實現製造集成。結合附圖閱讀本實用新型實施方式的詳細描述後，本實用新型的其他特點和優點將變得更加清楚。
圖I是本實用新型所提出的海洋背景噪聲聲壓信號監測設備的整體結構示意圖；圖2是圖I中光路系統和控制系統的設計原理示意圖；圖3是光路系統在聲壓監測設備殼體中的一種實施例的布設結構示意圖；圖4是中心為亮斑的幹涉圖樣示意圖；圖5是振動片處於初始狀態時幹涉條紋的位移波形與電流輸出信號的合成坐標圖；圖6是振動片內移時幹涉條紋的位移波形與電流輸出信號的合成坐標圖；圖7是振動片外移時幹涉條紋的位移波形與電流輸出信號的合成坐標圖。
具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型的具體實施方式
作進一步詳細地說明。本實用新型的海洋背景噪聲聲壓信號監測設備基於麥可遜幹涉原理設計而成，採用補償的方法監測海洋背景噪聲的聲壓，在靈敏度、穩定性、頻率響應能力特別是低頻段的信號響應能力方面優於目前採用壓電式、電容式、磁電式測量原理設計的聲壓監測設備。下面通過一個具體的實施例，來詳細闡述所述海洋背景噪聲聲壓信號監測設備的具體組建結構及其工作原理。實施例一，參見圖 I所示，本實施例的海洋背景噪聲聲壓信號監測設備主要由殼體2以及設置在所述殼體2中的光路系統、控制系統、供電系統和通信系統等部分組成。其中，供電系統用於為所述的光路系統、控制系統和通信系統提供工作電壓；通信系統連接所述的控制系統，將控制系統計算生成的海洋背景噪聲的聲壓上傳至岸上的上位機，通過上位機向工作人員實時顯示監測數據，並完成監測數據的長期連續保存，以方便研究人員隨時調取進行海洋環境的研究和分析。在本實施例中，所述通信系統與上位機之間優選採用有線信號傳輸方式通過通信線纜連接通訊。所述通信線纜可以與用於下放聲壓監測設備的繩索整合設計在一起，同繩索一起隨所述聲壓監測設備下放。當然，在所述聲壓監測設備中也可以不設置通信系統，通過在控制系統中設置存儲器件，例如SD卡或者TF卡等，以用於保存監測到的海洋聲壓數據。在完成監測任務後，將所述聲壓監測設備提出水面，將存儲器件與計算機連接通訊，實現監測數據的下載輸出，供研究人員調取使用。對於所述的光路系統和控制系統，其設計原理參見圖2所示。在本實施例的光路系統中主要包括雷射器3、分光鏡5、平面反射鏡11、振動片I和光電接收器4等。其中，分光鏡5可以選用半透射半反射的分光鏡片，按照與水平面所成銳角為45°的關係傾斜設置。在分光鏡5的左右兩側對應設置雷射器3和振動片I。將所述振動片I垂直安裝在殼體2 —側的開口處，所述開口可以開設在殼體2的左側，如圖2所示，也可以開設在殼體2的右側，進而通過所述振動片I與殼體2形成一個密閉的腔室。將所述控制系統、通信系統、供電系統以及光路系統中除振動片I以外的其他部件均設置在所述的腔室中，僅通過振動片I接觸海水，感應海洋噪聲的聲壓變化。在本實施例中，所述振動片I為帶有反射面的振動片，可以採用濺射鍍膜工藝在不鏽鋼板的表面形成一層反射膜的方式設計實現，且將振動片I的反射面朝向腔室內部的分光鏡5。在分光鏡5的上下兩側對應設置所述的平面反射鏡11和光電接收器4，在平面反射鏡11的背面安裝壓電陶瓷9、10，通過控制壓電陶瓷9、10形變，以帶動平面反射鏡11移動，以補償振動片I的位移變化。作為本實施例的一種優選設計方案，優選在所述平面反射鏡11的背面安裝兩個壓電陶瓷9、10，將兩個壓電陶瓷9、10進行按照同一極化方向對接粘合後，再安裝在所述的平面反射鏡11上，利用兩個壓電陶瓷9、10的形變共同實現對平面反射鏡11位移的控制。在所述控制系統中，除了包括上述的兩個壓電陶瓷9、10以外，還設置有控制器。將所述控制器分別與光電接收器4和所述的兩個壓電陶瓷9、10對應連接，一方面接收光電接收器4輸出的電流信號，另一方面輸出電壓信號至兩個壓電陶瓷9、10，以控制兩個壓電陶瓷9、10的形變量。作為本實施例的一種優選設計方案，所述控制器優選採用一顆CPU晶片配合一顆A/D轉換器和一顆D/A轉換器組建實現，如圖2所示。下面結合圖2所示的光路系統和控制系統，對本實施例所提出的海洋背景噪聲聲壓信號監測設備的工作原理進行具體闡述。將雷射器3發射的雷射作為光源射向所述的分光鏡5。為了便於幹涉圖樣的採樣，在所述雷射器3與分光鏡5之間優選再進一步安裝一個擴束器8，如圖2所示。在本實施例中，優選採用放大倍數為10倍的擴束器8進行系統設計，擴束後的雷射光束的直徑可以達到5. 4_。雷射器3發出的雷射經過擴束器8後,光束的直徑擴大，擴束後的雷射在分光鏡5處分為兩路一路為經由分光鏡5反射後形成的光束S0，將其定義為參考臂，垂直射向所述的平面反射鏡4 ;另外一路為經由分光鏡5透射後形成的光束SI，將其定義為測量臂，垂直射向所述振動片I的反射面。而後，作為參考臂的光束SO經由平面反射鏡4反射後，重新射向所述的分光鏡5，並通過所述分光鏡5透射後，垂直入射到所述的光電接收器4中。作為測量臂的光束SI則經由振動片I的反射面反射後，重新射向所述的分光鏡5，並通過所述分光鏡5反射後，垂直入射到所述的光電接收器4中。射入到所述光電接收器4的兩路·光束在光電接收器4處匯合，形成幹涉圖樣，如圖4所示，光電接收器4根據接收到的光線強度生成與之對應的電流輸出信號，經由A/D轉換器進行模擬信號到數位訊號的轉換處理後，輸出至所述的CPU晶片。當振動片I受到外界壓力時，會發生形變，從而改變測量臂的長度，引起幹涉條紋發生變化。本實施例正是基於幹涉條紋的這種變化來間接地計算出振動片I的形變量，進而換算出外界壓力的強度。考慮到將所述聲壓信號監測設備下放到水中時，根據設備所處的水深不同，其設備受到的水壓也會不同，這將導致在沒有噪聲作用到振動片I上時，振動片I已經在水壓的作用下發生了形變，使得幹涉條紋已經偏離了初始狀態。為了在沒有噪聲作用到振動片I上時，幹涉條紋仍能保持在初始狀態，以方便後續的聲壓計算過程，本實施例優選在所述殼體2與振動片I所形成的密閉腔室內分隔出一個密閉氣室A，如圖I、圖3所示。所述氣室A可以採用在密閉腔室內設置一個隔板17的方式將腔室分隔成左右兩部分，其中，振動片I所在的腔室為氣室A，另外一個腔室為器件室B。在所述隔板17上設置一個透視窗16，以避免阻擋光線的正常傳輸。在本實施例中，所述透視窗16優選採用平面玻璃製成，通過分光鏡5透射出的測量臂光束SI通過所述透視窗16射向振動片I的反射面，經由反射面發射的光束也能通過所述透視窗16返回分光鏡5，以滿足光路的正常傳輸要求。在所述殼體2的外部設置一個氣囊13，通過管路14與所述的氣室A連通，在所述管路14中還可以進一步設置電磁閥15，電連接於所述的控制器，具體通過D/A轉換器連接所述的CPU晶片，接收(PU輸出的開關控制信號，以控制電磁閥15導通或者關斷。在聲壓信號監測設備下水前，振動片I內外兩側的壓力均為大氣壓PO，此時，振動片I無形變，控制器控制電磁閥15關閉，通過對光路系統進行預調節，使得所述光電接收器4接收到的幹涉圖樣剛好調節到設定的初始狀態。當聲壓信號監測設備入水後，隨著水深的不斷變化，振動片I會隨之產生形變。當設備入水到達指定的水深位置後，外界水壓為P1，氣室A內的壓力為PO，且P1>P0，振動片I向腔室內形變。通過控制器打開電磁閥15，使氣室A與氣囊13連通。由於氣囊13也位於水下相同的深度，因此氣囊13也會發生形變，壓力變為P1。由於氣室A與氣囊13連通，所以氣室A內的壓力也會變為P1。此時，振動片I受到的外側水壓為P1，氣室A內的壓力也為P1，振動片I恢復到初始狀態，即無形變。由此便可以使得幹涉圖樣重新恢復到初始狀態，只有在水下噪聲作用到振動片I上時，振動片I才會再次發生形變。此時，根據振動片I的形變量計算出的壓力即為海洋背景噪聲的壓力。將所述的控制系統、供電系統、通信系統以及光路系統中除振動片I以外的其它器件布設在所述的器件室B內，如圖I、圖3所示，以完成設備的整體設計。為了對振動片I的振動方向進行判斷，並補償振動片I的位移量，本實施例採用對一個壓電陶瓷9 (可稱為第一壓電陶瓷)施加周期性正弦變化的電壓調製信號的方式，控制第一壓電陶瓷9震蕩，以形成光信號的調製，實現對振動片I振動方向的準確判斷。具體可以通過CPU晶片配合D/A轉換器產生並輸出所述的電壓調製信號，作用於第一壓電陶瓷9，以控制其震蕩。對於另外一個壓電陶瓷10 (可稱為第二壓電陶瓷)，則可以通過CPU晶片根據振動片I的形變量配合D/A轉換器生成並輸出合適的補償電壓，施加到第二壓電陶瓷10上，以補償測量臂的變化。然後，CPU晶片根據其輸出的補償電壓值便可以計算出第二壓電 陶瓷10的形變量，即振動片I的形變量，進而根據振動片I的形變量間接地換算出被測海洋背景噪聲的聲壓級。下面對振動片I形變方向的判斷過程以及海洋背景噪聲的聲壓振幅測量步驟分別進行具體闡述。 (I)振動片形變方向的判斷首先，對所述聲壓監測設備進行初始化，通過對光路系統進行預調節，使所述光電接收器4剛好能夠檢測到幹涉圖樣的中心亮斑，即如圖4所示的幹涉條紋。其次，將聲壓監測設備放入水下，啟動聲壓監測設備進入正常工作狀態，CPU配合D/A轉換器輸出調製信號驅動第一壓電陶瓷9震蕩，對光信號進行調製。當被檢測的水域有聲音信號時，在聲波到達振動片I時，便引起振動片I振動，從而改變測量臂SI的距離，使幹涉條紋產生相應的變化。然後，CPU通過A/D轉換器接收光電接收器4產生的電流輸出信號iPD，並結合CPU輸出的調製信號io的波形來判斷振動片I的振動方向，結合圖5至圖7所示。圖5至圖7為幹涉條紋位移與電流變化的合成坐標圖，其中，I表示光強、Ax表示幹涉條紋位移量、iPD表不光電接收器4產生的電流輸出信號、L表不與CPU輸出的電壓調製信號相對應的電流調製信號。具體判斷過程如下若調製信號處于波峰時(即CPU輸出的調製信號為最大值時)光電接收器4輸出的電流值=調製信號處于波谷時(即CPU輸出的調製信號為最小值時)光電接收器4輸出的電流值，即如圖5所示的波形圖，則表示振動片I未發生形變，沒有噪聲作用于振動片I上。此時，CPU無需輸出補償電壓。若調製信號處于波峰時光電接收器4輸出的電流值〈調製信號處于波谷時光電接收器4輸出的電流值，即如圖6所示的波形，則表示振動片I向縮小測量臂SI的方向發生了形變。此時，CPU需要輸出補償電壓，控制第二壓電陶瓷10向縮小參考臂SO的方向形變，進而帶動平面反射鏡11向縮小參考臂SO的方向移動，以補償測量臂SI的變化，直到所述光電接收器4重新檢測到幹涉圖樣的中心亮斑為止。若調製信號處于波峰時光電接收器4輸出的電流值 > 調製信號處于波谷時光電接收器4輸出的電流值，即如圖7所示的波形，則表示振動片I向增大測量臂SI的方向發生了形變。此時，CPU需要輸出補償電壓控制第二壓電陶瓷10向增大參考臂SO的方向形變，進而帶動平面反射鏡11向增大參考臂SO的方向移動，以補償測量臂SI的變化，直到所述光電接收器4重新檢測到幹涉圖樣的中心亮斑為止。(2)聲壓振幅的測量本實施例通過控制器輸出一個補償電壓控制第二壓電陶瓷10形變，以跟蹤振動片I的形變量，進而根據控制器輸出的補償電壓的大小計算海洋噪聲的振幅。具體方法是通過CPU配合D/A轉換器輸出一個模擬量的補償電壓Ucmp，將該補償電壓Ucmp經過放大處理後，施加到第二壓電陶瓷10，控制第二壓電陶瓷10發生形變，進而帶動平面反射鏡11移動，使幹涉條紋反方向移動，以補償測量臂SI的變化，直到光電接收器4檢測到的幹涉圖樣恢復到初始狀態。在本實施例中即光電接收器4重新檢測到幹涉圖樣的中心亮斑。已知控制第二壓電陶瓷10形變幅度為
j時控制器需要輸出的電壓為U,其中，λ為雷射器3發射的雷射的波長,貝u有
權利要求1.一種海洋背景噪聲聲壓信號監測設備，其特徵在於包括殼體以及設置於殼體中的光路系統、控制系統和供電系統；所述殼體的左側或者右側開口，在所述開口處安裝有一帶反射面的振動片，通過所述振動片與殼體形成一個密閉的腔室，且振動片的反射面朝向腔室內；在所述腔室內設置有一帶透視窗的隔板，將腔室分隔成左右兩部分，其中振動片所在的腔室為氣室，通過管路與位於殼體外部的氣囊連通，另外一個腔室為器件室，布設所述的控制系統、供電系統以及光路系統中的雷射器、半透射半反射的分光鏡、平面反射鏡和光電接收器；所述雷射器發射雷射射向所述的分光鏡，通過所述分光鏡反射形成一路光束作為參考臂射向所述的平面反射鏡，透射形成另一路光束作為測量臂穿過所述的透視窗射向振動片的反射面；通過所述平面反射鏡和振動片反射的兩路光束經由分光鏡形成幹涉後射入所述的光電接收器，進而通過光電接收器生成電流輸出信號傳輸至控制系統中的控制器；在所述控制系統中還包含有壓電陶瓷，安裝在所述的平面反射鏡上，接收控制器輸出的電壓信號，利用自身形變帶動平面反射鏡移動。
2.根據權利要求I所述的海洋背景噪聲聲壓信號監測設備，其特徵在於在所述平面反射鏡上安裝有兩個壓電陶瓷。
3.根據權利要求2所述的海洋背景噪聲聲壓信號監測設備，其特徵在於所述的兩個壓電陶瓷按照同一極化方向對接粘合在一起，安裝在所述平面反射鏡的背面。
4.根據權利要求I所述的海洋背景噪聲聲壓信號監測設備，其特徵在於在所述控制器中包括A/D轉換器、D/A轉換器和CPU，所述光電接收器輸出的電流輸出信號經A/D轉換器變換為數位訊號後傳輸至所述的CPU ;所述CPU通過D/A轉換器輸出電壓信號至所述的壓電陶瓷。
5.根據權利要求I所述的海洋背景噪聲聲壓信號監測設備，其特徵在於在所述管路中安裝有一電磁閥，接收控制器輸出的開關控制信號。
6.根據權利要求I所述的海洋背景噪聲聲壓信號監測設備，其特徵在於所述透視窗為平面玻璃。
7.根據權利要求I至6中任一項所述的海洋背景噪聲聲壓信號監測設備，其特徵在於在所述光路系統中還包含有三個傾斜布設的反射鏡，在所述器件室中，上方位置安裝第一反射鏡和所述的雷射器，中間位置安裝第二反射鏡和所述的分光鏡，所述第二反射鏡與振動片分設在分光鏡的左右兩側，下方位置安裝第三反射鏡和所述的平面反射鏡；所述雷射器沿水平方向發射雷射，以45°入射角射入第一反射鏡，反射形成垂直方向的光束以45°入射角射入第二反射鏡，進而經由第二反射鏡反射形成水平方向的光束以45°入射角射入分光鏡，通過分光鏡反射形成垂直方向的第一段參考臂光束以45°入射角射入第三反射鏡，進而經由第三反射鏡反射形成水平方向的第二段參考臂光束射向垂直布設的平面反射鏡；所述光電接收器布設在分光鏡的上方，接收兩束垂直入射的光線。
8.根據權利要求7所述的海洋背景噪聲聲壓信號監測設備，其特徵在於在所述第二反射鏡與分光鏡之間還設置有一擴束器，通過所述擴束器對雷射器發出的雷射光束的直徑進行擴大。
9.根據權利要求I至6中任一項所述的海洋背景噪聲聲壓信號監測設備，其特徵在於在所述器件室內還設置有通信系統，連接所述的控制器，將控制器計算生成的檢測結果上傳至上位機進行顯示和存儲。
10.根據權利要求9所述的海洋背景噪聲聲壓信號監測設備，其特徵在於所述通信系統通過通訊線纜與上位機連接通信。
專利摘要本實用新型公開了一種海洋背景噪聲聲壓信號監測設備，包括殼體以及設置於殼體中的光路系統、控制系統和供電系統；所述殼體的左側或者右側開口，在所述開口處安裝有一帶反射面的振動片，通過所述振動片與殼體形成一個密閉的腔室，且振動片的反射面朝向腔室內；在所述腔室內設置有一帶透視窗的隔板，將腔室分隔成左右兩部分，其中振動片所在的腔室為氣室，通過管路與位於殼體外部的氣囊連通，另外一個腔室為器件室，布設所述的控制系統、供電系統以及光路系統中的雷射器、半透射半反射的分光鏡、平面反射鏡和光電接收器。本實用新型利用麥可遜幹涉原理進行光路系統的結構設計，精度高、線性度好，在低頻段信號無衰減，具有良好的頻率響應特性。
文檔編號G01H9/00GK202676278SQ20122022528
公開日2013年1月16日 申請日期2012年5月18日 優先權日2012年5月18日
發明者李磊, 周忠海, 劉軍禮, 劉波, 呂成興, 李金萍, 臧鶴超, 張照文, 惠超, 蔣慧略, 牟華, 周曉晨, 姚璞玉, 徐娟 申請人:山東省科學院海洋儀器儀表研究所