潛標式水下噪聲測量系統的製作方法

2023-08-03 10:07:16 1

專利名稱：潛標式水下噪聲測量系統的製作方法
技術領域：
本發明屬於一種海洋水聲工程領域水下噪聲測量裝置，它採用可回收潛標系統測量各種海況下的海洋環境噪聲和各種工況下的艦船，潛艇、魚雷等目標水下輻射噪聲。
傳統的水下噪聲測量方法，一是採用工作船或水面浮標懸掛或拖帶方式，二是採用岸站方式(布列霍夫斯基，《海洋聲學》)。前一方法中，測量水聽器直接從工作船上吊入水中(周傳真，《水下聲系統測量裝置》)，或者通過減震裝置拖帶在船後(《中華人民共和國國家軍用標準-海洋環境噪聲測量》)，信號通過電纜傳送到工作船上進行記錄和分析，也有的利用水面浮標代替工作船，測量水聽器懸掛在水面浮標下面，信號通過電纜傳送到水面浮標上，再通過無線電波發送到工作船或岸邊實驗站上進行記錄和分析(專利GB2220483)。上述這些方法的優點是設備比較簡單，操作較易，測量直觀，成本較低，適於各類海區，特別是深海區的應用。但是，這些方法，在很多情況下，很難將需要測量的噪聲與各種幹擾區別開。這些幹擾包括工作船的機械噪聲，水流流過船體或浮標體的環流噪聲，海面濾液式浮體搖動引起的電纜抖動和水聽器移動所產生的幹擾等等，往往帶來很大的測量誤差，在高海況下更是無法測量。用岸站方式，測量水聽器錨定在海底，信號通過海底電纜傳送到岸上的測量站上進行記錄分析，如大西洋水下實驗與鑑定中心的水下噪聲測量系統(R.J.烏立克，《水聲原理》)，這種方法可有效地克服上述缺點，但其工程龐大複雜，缺乏機動性，只能用於個別的近海環境和專門的試驗場區。
本發明的目的在於徹底克服水下噪聲測量中電纜傳輸帶來的弊端，提出一種由水下測量記錄系統和水面信號處理系統組成的水下噪聲測量系統，它採用可搖控回收的小型水下潛標，通過預編程或水聲遙控方式實時記錄水下噪聲信號，回收後在實驗室進行回放分析處理。
本發明的水下測量記錄系統包括水下錨定系統和水面遙控指令器。水下錨定系統由

圖1所示的潛標體、釋放裝置(4)和錨定沉塊(5)組成。潛標體為一個防腐耐壓的水密桶(1)，是本潛標系統的主體。為能在水下長期工作和便於投放回收，要求它有良好的水密與耐腐蝕性能，重量輕、體積小，最宜採用鈦合金材料製作。桶內安裝全部測量記錄裝置，桶體的直徑由記錄裝置的大小決定，而高度由淨浮力考慮決定，要求加載後(包括桶內裝置和釋放裝置)在水下的淨浮力在30至50公斤左右。
水密桶(1)具有水密桶蓋，桶蓋上裝有可拆卸的測量水聽器和遙控/應答換能器(3)。測量水聽器由兩個獨立的無方向性標準水聽器(6)、(7)組成，水聽器(6)測量頻率範圍從1赫至100千赫，適用於測量目標噪聲和高海況下環境噪聲，水聽器(7)測量頻率範圍從1赫至30千赫，而靈敏度比(6)高20dB至30dB，適用於測量低海況下的環境噪聲。兩個水聽器組合在一起，通過一個金屬杆(9)伸離桶蓋40至50釐米，以避免桶體散射影響。測量信號經前放(8)和水密插頭(10)輸入桶內記錄系統。遙控/應答換能器(3)用於接收水面遙控聲指令，同時用於發送應答和導航聲信號。
測量記錄裝置由前置處理單元(11)、數據記錄儀(12)、同步測距裝置(13)、遙控接收與應答裝置(15)、控制器(14)和電池(16)組成。
水下測量記錄操作全部由控制器(14)控制。它是個全CMOS電路的微處理機系統，能靠本身電池在水下連續工作三個月以上，在此期間，它按預編程序或水面遙控聲指令控制測量記錄操作。控制器(14)帶有數字鍵盤和液晶顯示器。在系統投放前，用戶通過數字代碼設置水下作業程序，每次可設置100個不同的作用，每個作業可選擇不同的工作方式，水聽器，開始時間和結束時間。有兩種工作方式，一是立即記錄方式，二是自動記錄方式。自動記錄方式是根據信噪比的大小來決定記錄與否，水下工作如圖3所示可處在三種不同的工作狀態值守狀態、自動記錄狀態和立即記錄狀態。在值守狀態(17)，只有控制器(14)和遙控接收與應答裝置(15)工作，等待水面遙控指令和判斷下一次作業時間是否到達，當接收「遙控測量」指令(18)後轉入自動記錄狀態(19)，進入該狀態後它先測量環境噪聲級，然後計算平均信噪比，待信噪比超過6dB後自動啟動記錄，當信噪比降低到6dB以下後，停止記錄。當接收「遙控記錄」指令(20)後轉入立即記錄狀態(21)，在沒有遙控指令時，控制器判斷預置的作業時間是否到達(22)，到達後判斷預置的工作方式是否「立即記錄」(23)，若是，則轉入立即記錄狀態(24);若否，則轉入自動記錄狀態(25)。不論在哪個狀態，控制器都時刻在判斷有沒有「遙控關機」指令。一旦接收「遙控關機」指令，系統立即回到值守狀態(17)，在(24)、(25)狀態到達作業結束時間亦回到值守狀態(17)。
前置處理單元(11)對兩個水聽器(6)、(7)的信號進行選擇，然後進行放大，被測噪聲為準平穩隨機過程，平均功率變化較慢，瞬時振幅呈高斯分布。為保證必需的記錄動態和記錄信噪比，採用自動變擋式的二進位數控增益放大器，用1-4秒的信號平均功率控制放大量，每級變化6dB，共16級，每秒調整一次，使輸出有效值總保持在6dB範圍內，放大後的信號分別通過低通濾波器和高通濾波器分為低頻段和高頻段兩路信號給記錄儀(12)記錄。為完整記錄被測噪聲的波形，記錄儀峰值量穩定在信號最大有效值的一倍至二倍左右。
記錄儀(12)為多通道數據記錄儀，使用盒式錄像磁帶作記錄，記錄頻率從直流至100千赫。每次記錄用三個低道，低頻段信號用調頻(FM)方式進行記錄，高頻段信號用直接(DR)方式進行記錄，同時用一個調頻通道用數寫形式記錄各種參數，包括記錄號、作業號、記錄時間、增益碼和目標距離，採用磁軌自動轉換技術，當記錄到達磁帶端點時自動轉換到下三個磁軌作反向走帶記錄，使一盒磁帶可來回使用多次。
遙控接收與應答裝置(15)用於與水面工作船上的遙控指令器相聯繫，它可以接收和識別指令器發射的3個指定編碼聲指令，當控制器執行指定的遙控指令後，控制器通過它向水面發送一組應答聲信號，每個應答聲信號為單頻填充的聲脈衝。當出現記錄故障或磁帶全部用完時，通過應答聲信號向水面報警。當系統處於自動記錄狀態時，以同步測距的同步周期不斷發射應答聲信號。用作目標艦的導航信號。
同步測距裝置(13)備有高精度的同步鍾，預先與被測目標上的同步鍾同步，測量目標噪聲時，利用同步測距方法測量目標距離，距離值與噪聲信號同時記錄在磁帶上。為保證同步測距長時間的精度，同步鍾採用溫控晶振製作，其精度優於5×10-9，在9天內測距誤差最大10米左右，可滿足各種目標噪聲測量的要求，如果測量在投放後一兩天內進行，同步鍾精度可以低些。可用普通晶振製作後節約電源。
電池(16)提供水密桶(1)內的全部電路的電源供應，由銀鋅電池組和高效鹼性乾電池組組成。記錄儀與同步鍾由銀鋅電池組供電，以保證必需的電流和功率，其餘電路工作電流小，由於電池供給電，以降低成本。
釋放裝置(4)由兩個並行工作的聲應答釋放器組成，其中任一個接收到水面遙控釋放指令都能使水下系統與錨定沉塊脫鉤，釋放裝置最好採用兩個不同類型的釋放器組成，這樣可以適應更複雜的情況，提高釋放的可靠性。潛標體具有足夠的淨浮力，脫鉤後能連同釋放裝置一起浮上水面。在釋放回收過程中，釋放器不斷發生應答聲信號，便於水面工作船跟蹤尋找。沉塊(5)為消耗性部件，釋放回收時即丟棄，可採用普通的水混塊，200至300公斤左右即可。
水面信號處理系統為一個由微型計算機控制的自動信號分析系統，如圖4所示。計算機通過GPIB接口控制各個儀器，自動實現信號的回放與處理，進行各種譜分析，線譜提取和聲源級計算。
本潛標系統可通過一般艦船投放於任意海區，潛標體可通過錨定沉塊的纜繩長度定深在潛標體耐壓允許的任意水深處。由於它可以遠離工作船和水面，有效地避免了工作船噪聲，水面波浪和電纜抖動的幹擾，與岸站系統相比，其成本低廉，又具有很好的機動性、隱蔽性和適應性。它可以在任意海區測量各種水面艦船、潛艇、魚雷等目標的水下輻射噪聲，也可以利用它在港口航道上隱蔽地監測過往敵、我艦船的噪聲，利用它可對任意海區的環境噪聲作長期的周期性觀測，不會受海面風景等惡劣氣候的影響。
圖1是本發明的水下錨定系統結構示意圖。其中(1)是水密桶，內裝全部測量記錄裝置及其電源。桶蓋上(3)是遙控/應答換能器，(6)～(10)是本發明的測量水聽器裝置，其中(6)是適用於目標噪聲測量的球狀水聽器，(7)是適用於低海況環境噪聲測量的高靈敏度柱狀水聽器，(8)是前放室，(9)是伸長杆，(10)是水密插頭。(4)是釋放裝置，(5)是沉塊。(2)是水密桶與釋放裝置之間的連結纜繩，為減小纜繩摩擦振動帶來幹擾噪聲，採用尼龍纜繩，長5米左右。沉塊(5)與釋放裝置(4)之間用尼龍繩或鋼絲繩連結，其長度依海區深度和工作深度而定。
圖2是本發明的水下測量記錄裝置框圖。(6)、(7)是兩個測量水聽器，(11)是前置處理單元，(12)是記錄儀;(13)是同步測距裝置，它利用水聽器(7)作同步聲接收器;(14)是微處理機控制器，它控制其它各部份的工作，同時提供參數信息，由記錄儀記錄;(15)是遙控接收與應答裝置，由遙控/應答換能器(3)作遙控指令接收器和應答聲發射器。
圖3是本發明的水下測量記錄裝置工作流程圖。開始時它處於值守狀態(17)，它先判斷是否接收到「遙控測量」指令(18)。若是，轉入自動記錄狀態(19);若否，再判斷是否接收到「遙控記錄」指令到達預編程作用時間(22)。若否，則返回值守狀態(17);若是，判斷預置的工作方式是否為「立即記錄」方式。若是，則轉入立即記錄狀態(24);若否，則轉入自動記錄狀態(25)。(19)和(21)是通過「遙控關機」指令結束並返回值守狀態(17)，而(24)、(25)通過「遙控關機」指令或預置的作業終止時間返回到值守狀態(17)。
圖4是本發明的水面信號處理系統框圖。其中，(26)是數據記錄儀用於回放水下記錄，當水下記錄用的記錄儀(12)相同，只是它還帶有GPIB接口，可以由外接計算機控制。(27)是帶通濾波器，用於直接進行倍頻程或1/3倍頻程譜分析。(28)是高分辨頻譜分析儀。(29)是十六位微型計算機，內含GPIB接口板(32)，高速A/D變換板(33)和RS-232C接口板(34)。(30)是印表機，(31)是繪圖儀。計算機(29)通過GPIB總線控制各儀器，記錄儀(26)回放的噪聲測量信號可以直接送濾波器(27)或頻譜儀(28)，得到初步譜結果，再通過GPIB總線送計算機進一步處理，也可以直接通過高速A/D變換板(33)由計算機分析。回放的參數信息則經RS-232C接口(34)送計算機處理。最後結果由印表機(30)和繪圖儀(31)給出。
本發明的一個具體實施例在於潛標體採用純鈦水密桶，外徑60釐米，高(連蓋)1米，壁厚0.5釐米，內加加強筋，耐壓37.5大氣壓以上，可工作在300米內水深處。桶體淨重約80公斤，加載後(包括桶內設備和釋放裝置)在空氣中約230公斤，在水下有50公斤左右的淨浮力，測量水聽器(2)由一個PZT-5材料的多極分段徑向極化園環式柱狀水聽器作環境噪聲測量水聽器(7)，由一個PZT-5材料的球形水聽器作目標噪聲水聽器(6)。前者靈敏度大於-180dB(參考級1伏/微帕，下同)，頻率響應10Hz 100KHz範圍，後者靈敏度大於-205dB，頻率響應在10Hz 100KHz範圍。兩者組合在一起以滿足測量零級海況環境噪聲至近場目標噪聲的要求，用一根純鈦金屬杆(9)連接伸離桶體50釐米。
桶內測量記錄裝置中，前置處理單元(11)通過電子開關選擇水聽器信號，數控增益放大器總放大量由0dB至90dB。根據信號平均功率大小，由四位二進位碼控制，分16級，每級變化6dB，每秒調整一次。輸出信號分為1KHz以下的低頻段和1KHz以上的高頻段。記錄儀(12)由日本TEAC XR-510C 14通道數據記錄儀改裝而成，低頻段信號由記錄儀的2，5，8，11通道用FM方式記錄，高頻段信號由1，4，7，10通道用DR方式記錄，3，6，9，12通道用FM方式記錄由控制器(14)送來的數字形式的參數信息，使用普通盒式錄相磁帶，每盒磁帶可來回使用四次，每次用3個磁軌，記錄帶速可根據測量頻帶要求選擇。同步測距裝置(13)採用國產溫控晶振，頻率5MHz，精度5×10-9，同步測距信號由水聽器(7)接收，工作頻率和周期可通過開關選擇，遙控接收與應答裝置(15)可以識別由水面遙控指令器發射的三種8位二進位編碼聲指令，應答信號為單頻填充的聲脈衝，遙控/應答換能器(3)為園形壓電換能器，伸離桶蓋20釐米。控制器(14)採用8位CMOS微處理機CDP 1802作CPU，用1MHz工作頻率，4.5伏工作電壓帶12鍵數字鍵盤和6字液晶顯示器。採用程序全部存在6K字節的CMOS EPOM中。電池(16)由兩組45VA的銀鋅蓄電池和三組乾電池組組成，銀鋅電池一組給記錄儀供電，一組給溫控晶振同步鍾供電，三組乾電池分別作值守電源、測量電路電源和應答發射電源。水下值守工作時間可達三個月以上，有效記錄時間最長5小時，溫控時間最長9天，可預置溫控關閉時間。
釋放裝置(4)由一個國產電腐蝕熔斷式聲應答釋放器和一個法國Oceano機械式聲應答釋放器並聯組成。釋放裝置與水密桶之間用尼龍纜繩繩結。沿塊(5)使用200公斤左右的水泥塊，錨定纜繩採用普通尼龍繩。
水面信號處理系統由IBM-PC/XT微型計算機(29)、XR-510C數據記錄儀(26)，BK1617帶通濾波器(27)、BK2033高分辨頻譜儀(28)，SR-6602六筆繪圖儀(31)和M2024印表機(30)組成，計算機內帶有通用的RS-232C接口板(34)和GPIB接口板(33)以及最高採樣率為200KHz的8位A/D變換板(33)。系統軟體配有通用的GPIB管理程序、數位訊號處理基本子程序庫和基本應用程式，包括譜分析、線譜提取和聲源級計算等專用程序，結果以軍標格式用印表機和繪圖儀給出。
本實施例可應用於任意淺海區域，潛標體最大工作深度300米，測量頻率範圍10Hz至100KHz，測量聲級範圍80dB至200dB，總聲級誤差不大於3dB，可滿足國家軍標對海洋自然噪聲和水面艦艇、潛艇、魚雷等水下輻射噪聲測量的要求。
權利要求
1.一種由水下測量記錄系統和水上信號處理系統組成的水下噪聲測量系統，其特徵在於它利用水面遙控指令器以及由潛標體、釋放裝置和沉塊組成的水下錨定裝置，在水下按預編程序或聲遙控方式實時記錄水下噪聲信號，回收後利用水上計算機處理系統進行回放分析，所說的潛標體是由一個內裝測量記錄裝置及電池的水密桶(1)，安裝在桶蓋上的測量水聽器和遙控/應答換能器(3)所組成，通過尼龍纜繩(2)將水密桶(1)、釋放裝置(4)和沉塊(5)連結起來並放置在水下的測量深度中，所說的水上計算機處理系統，是由帶有GPIB接口的數據記錄儀(26)，帶通濾波器(27)、高分辨頻譜分析儀(28)以及16位微型計算機(29)，GPIB接口板(32)，A/D變換板(33)、RS-232C接口板(34)、印表機(30)和繪圖儀(31)所組成。
2.按照權利要求1所說的系統，其特徵在於所說的水下系統可在水下長期值守工作，既可按預編程方式進行記錄，又可按水面發送的聲遙控指令進行記錄，通過聲應答信號與水面聯繫。
3.按照權利要求1所說的系統，其特徵在於所說的釋放裝置由兩個並行工作的聲應答釋放器組成，隨時可通過水麵發送任一個釋放器的釋放指令使水下系統與沉塊脫鉤浮上水面。
4.按照權利要求1所說的系統，其特徵在於所說的水密桶最好採用鈦合金材料製作，加載後在水下具有30-50公斤的淨浮力，釋放後靠自身浮力連同釋放裝置浮上水面。
5.按照權利要求1所說的系統，其特徵在於所說的水下記錄裝置，包含有水聽器(6)、(7)、前置處理單元(11)、記錄儀(12)、同步測距裝置(13)、微處理機控制器(14)和遙控接收與應答裝置(15)。
6.按照權利要求1所說的系統，其特徵在於所說的測量水聽器由兩個不同用途的水聽器(6)和水聽器(7)組成，通過一個金屬杆(9)和水密插頭(10)固定在水密桶(1)的桶蓋上，與桶體距離40至50釐米，水聽器(6)適用於測量目標噪聲，水聽器(7)適用於測量海洋環境噪聲。
7.按照權利要求1所說的系統，其特徵在於所說的前置處理單元(11)採用自動變擋式的二進位數控增益放大器，用1至4秒的信號平均功率控制放大量，每秒調整一次，每級變化6dB，共16級，放大後信號分高、低兩個頻段進行模擬記錄。
8.按照權利要求1所說的系統，其特徵在於所說的記錄儀(12)採用多通道數據記錄儀，用盒式錄象磁帶進行記錄，每次記錄使用三個磁軌，利用磁軌自動轉換技術，使一盒磁帶來回使用多次。
9.按照權利要求1所說的系統，其特徵在於所說的水下記錄可以按信噪比的變化對目標噪聲實現自動記錄。
10.按照權利要求5所說的系統，其特徵在於所說的同步測距裝置在測量目標距離時，是利用與測距同步的聲應答信號作目標導航信號。
全文摘要
本發明屬於一種海洋水聲工程領域水下噪聲測量裝置。它是一個同時兼有自控和遙控功能的可回收潛標系統，包括水下記錄和水面處理兩部分。水下部分由潛標體、釋放裝置和錨定沉塊組成，可在水深300米內長期值守工作，隨時可按預編程序或水面遙控聲指令實時地記錄1赫至100千赫範圍內的水下噪聲，具有測距、導航、自動記錄和故障報警功能，它隨時可通過水麵聲指令釋放回收，然後由水面系統分析處理。
文檔編號G01S15/08GK1064744SQ9110140
公開日1992年9月23日 申請日期1991年3月11日 優先權日1991年3月11日
發明者張雙榮, 陳耀明, 解寶興, 趙志強, 趙廣存, 杜支前, 田志英, 穆廷榮, 張昌國 申請人:中國科學院聲學研究所