[发明专利]一种二维矢量场水听器

说明书

技术领域

本发明涉及一种二维矢量场水听器，属于水听器技术领域。

背景技术

水听器是把水下声信号转换为电信号的换能器。根据作用原理、换能原理、特性及构造等的不同，有声压、振速、无向、指向、压电、磁致伸缩、电动（动圈）等水听器之分。水听器与传声器在原理、性能上有很多相似之处，但由于传声媒质的区别，水听器必须有坚固的水密结构，且须采用抗腐蚀材料的不透水电缆等。

声压水听器探测水下声信号以及噪声声压变化并产生和声压成比例的电压输出。根据所用灵敏材料的不同，声压水听器可以分为：压电陶瓷声压水听器、PVDF声压水听器、压电复合材料声压水听器和光纤声压水听器。

在水声领域，主要包括标量传感器和矢量传感器，也叫标量水听器和矢量水听器。在声场测量中，标量水听器(声压水听器)，只能测量声场中的标量参数。矢量水听器可测量声场中的矢量参数，它的应用有助于获得声场的矢量信息，对声纳设备的功能扩展具有极为关键的意义。

采用新型组合传感器(声压和振速联合)的联合信息处理系统较传统的单纯声压信息处理系统具有良好的抗相干干扰能力和线谱检测能力；采用单个小尺度的组合传感器通过联合信号处理，就可以进行目标方位的声压、振速联合估计，此外，从能量检测的角度讲，矢量水听器的采用使系统的抗各向同性噪声的能力获得提高，并可实现远场多目标的识别等。矢量水听器的研究工作受到极大重视。因此，包括矢量信息在内的多信息检测是声纳系统的一个发展趋势，正越来越被各个海军大国所重视。

国外矢量水听器技术：声矢量传感器的设计采用的原理有电动原理(动圈式)；压电原理，形式上多种多样，例如利用水听器准基阵的SWALLOW浮标系统，由8个阵元组成基阵，150m等间距垂直布放，工作深度为400～1300m，分析频带为0.6～20Hz，对于舰船辐射噪声的次声分量，声强信噪比的增益比单纯的声压测量高3～6dB。美国的Franklin，Barry及Benjamin矢量水听器都是采用压电原理，其中，Benjamin利用PCB公司T356B08型加速度计采用部分集成电路工艺，所作的矢量水听器的频响为100～2000Hz；灵敏度为100mV/gn；尺寸为<10～20cm。

由此可见，矢量水听器的应用，不仅检测信息量加大，而且最低检测频率已经达到0.6Hz的次声频段，外形尺寸也是越来越小。随着新技术地不断发展，不论标量水听器、还是矢量水听器，各种敏感机理的测试(制作)方法都有不同的尝试。近些年有几种标量水听器：如采用PVDF膜(膜厚1000μm)的水声传感器，已被英国和法国海军用于潜艇，称为弗兰克阵“FlankArrays”，光纤水听器，日本东京大学报导的微加工技术制作的光干涉型微水听器等，另外，还有MEMS水听器的报导，如美国波士顿大学研制的水下声场传感器，通过检测反射的激光束检测声场变化。在水声领域，俄罗斯在静音潜艇探测方面同样走在世界前列，有代表性的产品是压电矢量水听器。据称，美军将在亚太布设的新型声纳是一种全天候被动式声纳，具有极强的探测静音型潜艇的能力，较之以前使用的主动式声纳和中频被动式声纳，其侦测距离可以达到300nmile以上，且具有更易于隐蔽和定位精度高等特点(装备有惯性/卫星定位复合定位系统)。根据“具有极强的探测静音型潜艇的能力”分析，极有可能是采用低频测试。安静型潜艇和舰船的本征噪声都在低频段，这就需要低频段的矢量水听器。即要求探测换能器具有低频检测能力。低频三维空间全向矢量检测器已成为新的技术需求。这种低频矢量水听器的研制成功可以预期解决远程传播低频信号的检测问题。同时，随着目标信号的减弱，高灵敏度检测问题也变得迫切。

光纤水听器是利用光纤技术探测水下声波的器件，它与传统的压电水听器相比，具有极高的灵敏度、足够大的动态范围、本质的抗电磁干扰能力、无阻抗匹配要求、系统“湿端”质量轻和结构的任意性等优势。光纤水听器的主要军事应用包括：全光纤水听器拖曳阵列、全光纤海底声监视系统(Ariaden计划)、全光纤轻型潜艇和水面舰船共形水听器阵列、超低频光纤梯度水听器、海洋环境噪声及安静型潜艇噪声测量。美国目前正在开发大规模(几百个单元)的全光纤水听器阵列系统及其相关技术。光纤水听器及其阵列技术已经在世界范围内获得了重视和发展。