參量陣淺剖儀及其信號預處理方法研究

摘 要： 非線性聲學參量陣利用聲波傳播的非線性原理，能在小換能器尺寸下得到高指向性的低頻聲波。低頻聲波對于淺地層信息探測具有重要意義。利用Berktay非線性自解調參量陣原理設計一款參量陣淺地層剖面儀，并針對參量陣差頻轉換效率較低的缺點研究了信號預處理方法，經過Matlab仿真實驗驗證，信號預處理方法可以改善差頻轉換性能。

關鍵詞： 管線探測； 參量陣淺剖儀； 信號預處理方法； 差頻轉換效率

中圖分類號： TN911.7?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）09?0047?04

Abstract： Nonlinear principle of acoustic wave propagation is applied to the nonlinear acoustic parametric array， and the high directivity low frequency sound wave is obtained by a small size transducer. Low frequency sound wave is great significance for shallow stratum information detection. A parametric array sub?bottom profiler is designed with Berktay nonlinear self?demodulation parametric array principle， and the signal preprocessing method is studied to improve the disadvantage of low parametric array difference frequency conversion efficiency. The Matlab simulation experiments prove that the performance of difference frequency conversion is improved by the signal preprocessing method.

Keywords： pipeline detection； parametric array sub?bottom profiler； signal preprocessing method； difference frequency conversion efficiency

0 引 言

伴隨我國對海洋資源的日漸渴求，海洋工程建設與日俱增，用于資源輸送的掩埋管線的架設與維護依賴于對海底淺地層信息的探測?；诰€性聲學原理的傳統(tǒng)地質探測，聲納采用較低的工作頻率，一方面減少海水對聲波的吸收；另一方面使低頻聲波穿透海底沉積層，并達到一定的深度，進而實現對淺地層信息的探測。但是線性低頻聲納的波束較寬，徑向分辨率很低，非常容易受到海面回波的干擾，且因為寬波束造成的側向回波與正向回波時延相差很大，使得界面混響大幅度降低了設備的軸向分辨率，而如果采用高指向性低頻波束，換能器的尺寸會十分龐大[1]，工程應用十分不便。

非線性聲學參量陣利用聲波傳播的非線性原理，能在小換能器尺寸下得到高指向性的低頻聲波（即差頻波），并且具有低旁瓣，相對帶寬展寬的特點[2]，非常適合于海底沉積層結構和淺地層掩埋管線的探測。鑒于非線性聲學參量陣的優(yōu)點，本文設計了一款用于海底淺地層掩埋管線探測的參量陣淺剖儀。雖然聲學參量陣具有諸多優(yōu)點，卻是以犧牲發(fā)射功率為代價，以很低的差頻轉換效率得到高指向性低頻聲波，所以，本文通過研究發(fā)射信號的預處理方法來提高參量陣的差頻轉換效率。

1 非線性聲學參量陣原理

1.1 非線性聲學參量陣

在介質中，由換能器發(fā)射兩個頻率較為接近的共軸高頻聲波，分別為[f1]和[f2]（假定[f1>f2]），稱為原頻（Primary Frequency）。在原頻波共同覆蓋的區(qū)域，由于聲波之間的非線性作用，產生了差頻為[f1-f2]的低頻聲波（Difference Frequency），對于共軸的高頻原頻波，差頻波如同一個沿原頻波軸向連續(xù)分布的虛源線陣，其陣長決定于介質對原頻波和差頻波的吸收[3]。

1.2 Berktay寬帶自解調參量陣

Westervelt提出的線源參量陣理論是考慮兩個單獨的高頻原頻波產生的差頻信號，Berktay在其基礎上對寬帶信號作為原頻波的情況進行研究[6]，提出寬帶自解調參量陣，即使用幅度調制的原頻波來產生差頻信號。

實際的參量陣聲納制作不會采用Westervelt線源雙頻參量陣發(fā)射兩個雙頻信號，本文利用Berktay寬帶自解調參量陣理論，設計一款參量陣淺剖儀。從式（6）結論可知，合適的包絡信號對獲得的差頻聲壓大小有顯著影響。

2 參量陣淺剖儀的設計

本文設計的參量陣淺剖儀由干端和濕端兩部分組成。濕端由嵌入式信號處理機（DSP）、原頻發(fā)射機、原頻接收機、差頻接收機及收發(fā)合置換能器組成。干端由顯示控制計算機和48 V直流穩(wěn)壓電源組成。干端、濕端通過以太網通信，由水密電纜相連。

系統(tǒng)初始化后，由計算機控制嵌入式信號處理機產生調制原頻波信號，經過驅動后直接驅動功率放大器，再由輸出變壓器輸出至匹配電路，為保證差頻信號有足夠的帶寬，匹配電路具有寬帶特性及在帶寬內平坦響應，通過收發(fā)合置換能器輻射原頻波。

原頻通道既具有測深功能，又是差頻通道TVG補償的一個重要起始時間點，通道最大增益為80 dB；具有TVG控制。差頻接收通道采取無源低通濾波，對原頻的衰減需大于80 dB。差頻通道的無源濾波是為了充分濾除原頻信號，避免原頻信號在接收機中由于電路的非線性而產生差頻信號而引起的干擾；通道最大增益為110 dB，具有TVG控制。

信號處理機以TMS320F28335為核心，負責發(fā)射信號形成、原頻信號處理及差頻信號處理，將處理結果通過以太網發(fā)送至干端的顯示控制計算機，原頻信號采用帶通采樣，差頻信號通過直接采樣的方法，采樣頻率為100 kHz。一路原頻A/D輸入，只需要檢波處理；一路差頻A/D輸入，進行脈沖壓縮處理；兩路D/A輸出，分別給原頻和差頻TVG控制，差頻的TVG控制由原頻檢測信號控制。

濕端電源由干端直流供電，直流電源的電壓為48 V，供電電流最大為2 A。濕端所需的各種電壓采用DC/DC變換產生，發(fā)射機直接由48 V供電。發(fā)射機發(fā)射時的瞬時能量由儲能電容供給。

利用單邊帶調幅調制原頻波自解調到的差頻波比雙邊帶調制節(jié)約了帶寬，顯著節(jié)省了功率，不存在諧波失真，提高了轉換效率，與平方根法相比工程容易實現。

4 信號預處理仿真實驗

通過分析三種方法自解調產生的差頻聲壓可知：

（1） 平方根法以最低的調制信號強度產生了與其他兩種方法同數量級的差頻聲壓強度，但是平方根法工程物理實現困難。

（2） 從圖4與圖6的對比，可知同數量級的調制信號強度，雙邊帶調制法產生的差頻聲壓是單邊帶調制法的100倍，但從式（9）可以看出，雙邊帶調制法得到的差頻聲壓與包含在差頻中的二次諧波聲壓存在1[∶]500的關系，所以單邊帶調制法產生的差頻波強度約為雙邊帶調制法的5倍。

綜上所述，可以通過單邊帶調制法提高參量陣淺剖儀的差頻轉換效率，節(jié)約功率和帶寬。

5 結 語

非線性聲學參量陣利用聲波傳播的非線性原理，能在小換能器尺寸下得到高指向性的低頻聲波，本文利用Berktay寬帶自解調參量陣原理設計了一款參量陣淺地層剖面儀，針對參量陣淺剖儀差頻轉換效率較低的缺點，提出了通過信號預處理方法提高差頻轉換效率，節(jié)約功率和帶寬，對改善淺剖儀性能具有指導意義，參量陣淺剖儀輕便實用，具有重要的工程意義。

參考文獻

[1] 李頌文.參量陣及其在水聲工程中的應用進展[J].聲學技術，2011，30（1）：13?14.

[2] LOUBET G， VIAL F， ESSEBBAR A， et al. Parametric transmission of wide?band signals [C]// Conference Proceedings on OCEANS′ 96 MTS/ IEEE： Prospects for the 21st Century. Fort Lauderdale： IEEE， 1996， 2： 839?844.

[3] 劉圣軍.聲學參量陣技術研究[D].長沙：國防科技大學，2008.

[4] WESTERVELT P J. Parametric acoustic array [J]. The Journal of the Acoustical Society of America， 1963， 35（4）： 536?540.

[5] 欒桂冬.壓電換能器和換能器陣[M].北京：北京大學出版社，1990.

[6] 錢祖文.非線性聲學[M].北京：科學出版社，1992.

[7] BERKTAY H O. Farfield performance of parametric transmitters [J]. The Journal of the Acoustical Society of America， 1974， 55（3）： 540?545.

[8] 樊昌信，曹麗娜.通信原理[M].北京：國防工業(yè)出版社，2012.

[9] 胡銀豐，白琳瑯.一種聲學參量陣的研究[J].聲學與電子工程，2012（4）：47?48.

[10] 胡廣書.數字信號處理：理論算法與實現[M].北京：清華大學出版社，2003.

[11] URICK R J.水聲原理[M].洪申，譯.哈爾濱：哈爾濱船舶工程學院出版社，1996.