一種自動(dòng)化聲納換能器測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

席偉+姚直象+夏羽+羅彥龍

摘 要：文章針對聲納換能器的測試需求，對聲納換能器自動(dòng)測量系統(tǒng)展開研究，對聲納水池測量系統(tǒng)的基本組成和總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，給出了具體實(shí)現(xiàn)方法。

關(guān)鍵詞： 自動(dòng)化；聲納；換能器；測量系統(tǒng)

1 概述

在海軍作戰(zhàn)體系中，水下的信息化作戰(zhàn)是非常重要的組成部分。聲納作為水下信息化作戰(zhàn)的核心裝備，越來越多的受到各軍事強(qiáng)國的重視。聲納裝備主要由水下分機(jī)（水聲換能器）、發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、電源機(jī)柜和顯控臺(tái)幾個(gè)部分組成。其中水聲換能器是將發(fā)射機(jī)提供的脈沖電信號轉(zhuǎn)換為聲信號，并在水下向目標(biāo)發(fā)射出去，聲信號在水下傳播，遇到目標(biāo)及其他物體，部分波會(huì)反射回，經(jīng)換能器轉(zhuǎn)換為電信號，送接收機(jī)處理[1][2]。水聲換能器的性能指標(biāo)能夠直接影響整部聲納對目標(biāo)的檢測性能[3]，這是因?yàn)閾Q能器獲得的增益是實(shí)實(shí)在在的，如果水聲換能器的設(shè)計(jì)和制作出現(xiàn)影響聲納性能的缺陷，則會(huì)直接影響聲納的正常工作。在軍用聲納領(lǐng)域，換能器的指標(biāo)和性能是否滿足使用要求，關(guān)系到全艦、全艇的作戰(zhàn)性能甚至航行安全。聲納換能器由于工作環(huán)境的特殊性，其老化速度和老化程度與使用時(shí)間和使用環(huán)境有著密不可分的聯(lián)系。為了保持聲納換能器的技術(shù)性能，需要對聲納水下聲系統(tǒng)進(jìn)行定期檢測和維護(hù)。

2 聲納換能器電聲測量內(nèi)容和方法

聲納水下?lián)Q能器電參數(shù)測量包括：靜態(tài)電容、絕緣電阻、阻抗、接收靈敏度及一致性、基元指向性和基元聲源級測量，其中靜態(tài)電容和絕緣電阻這兩個(gè)項(xiàng)目可用通用電容表和絕緣表進(jìn)行測量，阻抗的測量可以采用專用的阻抗測試儀或者數(shù)字電橋進(jìn)行測量，接收靈敏度、一致性、指向性和基元聲源級測量需要在水下完成測試。

2.1 靈敏度測量

換能器自由場電壓靈敏度一般是在球面波自由場中測量的。聲場布置滿足遠(yuǎn)場條件，測量方法一般采用自由場比較法，需要一個(gè)輔助發(fā)射換能器（發(fā)射換能器），在一定頻率上發(fā)射足夠大的聲信號，另外需要一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)水聽器并將其接收信號幅度作為參考。在實(shí)際測量中，將待測換能器和標(biāo)準(zhǔn)水聽器先后放入聲場中同一位置處，讓它們接收相同的聲壓，然后比較它們的開路輸出電壓。自由場比較法測量換能器自由場電壓靈敏度的測量框圖，如圖1所示。

2.2 發(fā)送響應(yīng)測量

換能器發(fā)送響應(yīng)通常是指發(fā)送電壓響應(yīng)、發(fā)送電流響應(yīng)和發(fā)送功率響應(yīng)。換能器發(fā)送響應(yīng)測量是在自由場中進(jìn)行的，所以聲場布置應(yīng)滿足遠(yuǎn)場條件，測量方法一般采用自由場比較法，因此在實(shí)際測量中，需要一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)水聽器來測量換能器在遠(yuǎn)場上的輻射聲壓。

利用自由場比較法測量換能器發(fā)送響應(yīng)的測量框圖，如圖2所示。

2.3 指向性測量

指向性是指換能器的發(fā)送響應(yīng)或自由場靈敏度隨發(fā)送或入射聲波方向變化的特性，一般用指向性圖來表示。指向性圖通常要作歸一化處理，因?yàn)樗侨我环较蛏习l(fā)送響應(yīng)，或者接收靈敏度相對于參考方向（通常為聲軸方向）上發(fā)送響應(yīng)，再或者接收靈敏度的變化曲線，即將軸向發(fā)送響應(yīng)或接收靈敏度設(shè)為0dB，再將任意方向上的發(fā)送響應(yīng)或接收靈敏度與軸向發(fā)送響應(yīng)或接收靈敏度的比值隨方向的變化用極坐標(biāo)或者直角坐標(biāo)下的圖形表示出來。

如果換能器是互易的，則它的發(fā)射指向性圖和接收指向性圖是相同的，否則發(fā)射指向性圖和接收指向性圖是有差異的。

發(fā)射換能器指向性的測量如圖3所示，待測換能器發(fā)射聲波，標(biāo)準(zhǔn)水聽器接收聲波。

接收換能器指向性的測量如圖4所示，發(fā)射換能器發(fā)射聲波，待測換能器接收聲波。通常指向性圖是用極坐標(biāo)圖進(jìn)行描述的。在實(shí)際進(jìn)行指向性測量時(shí)，為了確保測量的準(zhǔn)確性，升降回轉(zhuǎn)裝置如有抖動(dòng)則應(yīng)采取隔振措施。此外還需要在測量換能器指向性之前，先適當(dāng)調(diào)整發(fā)射信號的大小和接收系統(tǒng)增益的大小。

每個(gè)換能器在檢驗(yàn)和調(diào)試過程中都需要對以上技術(shù)參數(shù)進(jìn)行測量，測試工作量非常巨大，設(shè)計(jì)并建設(shè)一套高精度快速聲納水池電聲參數(shù)自動(dòng)測量系統(tǒng)勢在必行。

3 自動(dòng)化換能器測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

依據(jù)上述聲納換能器電聲測量項(xiàng)目內(nèi)容和測試方法，將聲納水池測量系統(tǒng)基本機(jī)構(gòu)劃分為自動(dòng)測量系統(tǒng)、消聲水池、升降回轉(zhuǎn)系統(tǒng)和測量換能器四個(gè)部分組成。其中消聲水池提供測量的測試環(huán)境，升降回轉(zhuǎn)系統(tǒng)控制被測換能器和基陣的空間測量姿態(tài)，自動(dòng)測量系統(tǒng)和換能器共同承擔(dān)測量的信號的產(chǎn)生、發(fā)射、接收、放大、濾波、信號處理和結(jié)果顯示功能。根據(jù)上述分析，提出聲納換能器水池測量系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和框圖，整個(gè)水聲換能器電聲參數(shù)測量系統(tǒng)的組成如圖5所示。

（1）發(fā)射部分主要由信號源板、功率放大器、電壓電流取樣器和發(fā)射換能器組成，主要功能是向水中發(fā)射一定頻率、周期和脈沖寬度的脈沖聲信號。

（2）接收部分主要由標(biāo)準(zhǔn)水聽器、被測水聽器、電子開關(guān)、測量放大器、多通道濾波器和多通道示波器組成，主要功能是接收聲信號，聲信號經(jīng)過信號調(diào)理后進(jìn)入后續(xù)的信號采集處理部分。

（3）信號采集處理部分主要是由控制計(jì)算機(jī)、多通道示波器、信號采集處理軟件等組成，信號采集處理軟件是根據(jù)產(chǎn)品接口、功能特性定制的水聲測試專用信號處理軟件。

（4）控制部分主要由計(jì)算機(jī)、接口和測試軟件組成，通過測試軟件進(jìn)行水聲產(chǎn)品電聲性能的自動(dòng)化測量并形成測試報(bào)告。

進(jìn)行測試工作時(shí)，水聲換能器電聲參數(shù)測試系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)控制水下轉(zhuǎn)臺(tái)或升降回轉(zhuǎn)裝置，將被測換能器放置在水下某一深度處和某一方向上，使標(biāo)準(zhǔn)水聲器、輔助換能器、被測換能器的有效聲中心處于同一直線上。

進(jìn)行測量工作時(shí)，由計(jì)算機(jī)控制升降回轉(zhuǎn)裝置，使水聲換能器處于某一運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，由信號源板產(chǎn)期的正弦脈沖信號，經(jīng)功率放大器放大后，由換能器向水下發(fā)射脈沖產(chǎn)生一定頻率、脈沖寬度的重復(fù)周聲信號，由標(biāo)準(zhǔn)水聽器接收聲信號，經(jīng)測量放大器和程控濾波器進(jìn)行信號調(diào)理后，由多通道數(shù)字示波器采集聲信號，再經(jīng)測量程序進(jìn)行數(shù)字信號處理后得到所需測量的技術(shù)參數(shù)。

4 系統(tǒng)軟件

水聲換能器電聲參數(shù)測量系統(tǒng)軟件是整個(gè)測試系統(tǒng)的中樞，負(fù)責(zé)測試指令的下達(dá)、執(zhí)行和結(jié)果顯示，指揮各個(gè)模塊之間的協(xié)調(diào)有序工作。軟件部分主要包含人機(jī)用戶界面、硬件接口通信、數(shù)據(jù)處理和分析三大模塊。水聲換能器電聲參數(shù)測量系統(tǒng)軟件如圖6所示。主要由用戶界面、環(huán)境參數(shù)、儀器控制、升降回轉(zhuǎn)控制、信號采集和處理、文件保存和打印等子程序組成。

人機(jī)交互界面即測試系統(tǒng)主界面，是為了便于測試人員輸入測量項(xiàng)目、測試內(nèi)容參數(shù)設(shè)定和測量結(jié)果顯示等一系列工作。完成測試項(xiàng)目的選擇、測試參數(shù)設(shè)定、測試結(jié)果觀察，測試狀態(tài)控制等工作的界面顯示。

硬件接口通信相當(dāng)于一個(gè)軟硬件的橋梁，通過該模塊實(shí)現(xiàn)硬件目標(biāo)與協(xié)調(diào)之間通信，完成人機(jī)交互界面和目標(biāo)硬件之間的數(shù)據(jù)信息和控制指令的傳遞。

數(shù)據(jù)分析處理對接收信號進(jìn)行信號處理和分析，它把從目標(biāo)儀器獲得的各種信息做相應(yīng)的處理，并可以根據(jù)需要來執(zhí)行相應(yīng)的功能，例如可以把處理之后的結(jié)果按照使用者的需要提供給界面進(jìn)行顯示，可以反饋數(shù)據(jù)信息給控制界面，也可以將測量得到的數(shù)據(jù)根據(jù)界面上的輸入進(jìn)行處理。

軟件框架采用Visual Studio Basic開發(fā)工具設(shè)計(jì)開發(fā)，具有視窗軟件的特點(diǎn)，用戶界面友好，操作簡單實(shí)用，利用該軟件可以自動(dòng)完成被測換能器靈敏度、發(fā)送響應(yīng)、聲源級等電聲參數(shù)的測量，并通過外置打印機(jī)實(shí)現(xiàn)測量結(jié)果的打印輸出，實(shí)現(xiàn)高效的自動(dòng)化測量，并大大提高測量精度和準(zhǔn)確度。

測試軟件中還需要對回轉(zhuǎn)裝置進(jìn)行控制，高精度升降回轉(zhuǎn)裝置的控制子程序：按照通訊協(xié)議控制控制器進(jìn)行升降回轉(zhuǎn)等動(dòng)作。水聲測量系統(tǒng)計(jì)算機(jī)通過無線數(shù)傳的方式與升降回轉(zhuǎn)控制器通訊。水聲測量系統(tǒng)計(jì)算機(jī)與無線數(shù)傳模塊的通訊采用RS232方式，模塊通訊接口管腳同微機(jī)串行接口，選用帶交叉的通訊電纜即可。

5 結(jié)束語

本文針對聲納換能器的測試需求，對聲納換能器自動(dòng)測量系統(tǒng)展開研究，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)并開發(fā)高精度、高可靠性、自動(dòng)化的水聲換能器測量系統(tǒng)，利用5型換能器對聲吶換能器水池測量系統(tǒng)進(jìn)行了驗(yàn)證，分別對阻抗測量、靈敏度測量、發(fā)送響應(yīng)、電聲線性和指向性進(jìn)行了測試。取得了比較好的效果。

參考文獻(xiàn)

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