（水声工程专业论文）鱼探仪硬件实现.pdf

- r t t, z 4 l : 邸f ; o z-一-一-一一 - - a b s t r a c t f i s h f i n d e r p r o d u c e d b y s o n a r t e c h n o l o g y i s u s e d f o r d e t e c t i o n o f f i s h . v e c t o r t r a n s d u c e r i s a k i n d o f t r a n s d u c e r w h i c h c a n p r o v i d e b o t h t h e i n f o r m a t i o n a b o u t p r e s s u r e ( s c a l a r q u a n t i t y ) a n d p a rt i c l e v e l o c i t y ( v e c t o r q u a n t i t y ) o f s o u n d f i e l d . t h i s p a p e r m a i n l y d i s c u s s e s t h e h a r d w a r e s y s t e m o f t h e f i s h f i n d e r a p p l y i n g t h e v e c t o r t r a n s d u c e r . t h e d i s s e rt a t i o n h a s g i v e n t h e d e s i g n i n g d e t a i l s a n d w o r k s a b o u t f i n d f n d e r r e s e a r c h , w h i c h i n c l u d e s g e n e r a l s c h e m e , c i r c u i t s , s o f t w a r e o f t h e h a r d w a r e s y s t e m . f i r s t l y , e i g h t c h a n n e l u n d e r w a t e r - s i g n a l i s b a n d p a s s f i l t e r e d a n d t h e p h a s e c o m p e n s a t i o n k e e p s t h e p h a s e o f e a c h c h a n n e l a c c o r d a n c e . s e c o n d l y , t h e s y s t e m h a s a g o o d s n r a n d h i g h a c c u r a c y , w h i c h i s o w n t o th e a p p l i c a t i o n o f l o w n o i s e , l o w p o w e r , s i m u lt a n e o u s s a m p l i n g 1 2 - b i t a / d c o n v e r te r . t h i r d l y , t h e s y s t e m c a n t r a n s f e r d a t a t o p c a t a h i g h s p e e d o n t h e s e r i e s i n t e r f a c e b a s e d o n u s b 2 .0 t e c h n o l o g y , w h i c h i s s a t i s f i e d w i t h t h e d e m a n d f o r a g r e a t m a n y d a t a t r a n s m i s s i o n . i n a d d i t i o n , a 1 6 - k e y k e y b o a r d i s d e s i g n e d w i t h s i n g l e c h i p , f o r c o n t r o l o f t h e s y s t e m . k e y w o r d s : v e c t o r t r a n s d u c e r , s i m u l t a n e o u s s a m p l i n g , u s b , f i r m w a r e , wd m 西化二业大学硕士论文 绪论 1 . 1研究背景和意义 目 前，各地水库的鱼群侦探技术都是以经验判断为主，他们直接观察鱼群 的跳跃并倾听鱼群发出的声响来判断鱼群的种类、数量和泅游动态。在海洋作 业的渔民也由于现有鱼探仪价格昂贵和侦探距离问题而凭经验捕鱼。对于经验 不足的渔民就很难有效地进行捕鱼操作，即使是有经验的渔民也不能很准确的 捕鱼。为了提高捕鱼效率，人们将声纳技术应用到了捕鱼作业上，也就是使用 了鱼群探测仪 ( 简称鱼探仪) 。 鱼探仪是探测鱼群的仪器，现有的鱼群探测仪器 大都是主动式的，工作时鱼探仪本身发出高频声波，然后根据回波来判断鱼群 的方位和大小。它的探测声束可以根据要求指向水下空间的任何方位或依照某 种方式和程序对水下空间进行扫描，是捕捞作业必不可少的装备山 。随着近儿 年全球性渔业资源的衰退和燃料价格的提高，如何更好的发挥鱼探仪的作用， 提高捕捞产量、降低生产成本，己成为当今海上捕捞船队所关心的问题。 同时，高性能、低价格的鱼探仪的研制也具有一定的军事意义。在海洋中， 潜艇和鱼群一样也会发出噪声，只是潜艇的噪声频带比鱼群更低一些。我们可 稍加改进，使这种鱼探仪也能够探测和发现潜艇。如若我国沿海的普通渔民都 能配备这种鱼探仪，这无疑如同构筑了一道流动的海防线。 1 . 2鱼探仪的发展及国内外研究现状 鱼探仪是将声纳技术应用到渔业上的仪器，是一种专门用途的声纳。声纳 系统和水声探测的发展可以追溯到 1 5 世纪，早在 1 4 9 0 年，意大利人达 芬奇就 记述了利用两端开 的长管插入水中听测远处航船的方法。现代声纳技术的发 展始于2 0 世纪，到第一次世界大战后，声纳技术不断发展，产生了以回声方法 测深的船用测探仪。在第二次世界大战中又出现了航空声纳和海岸声纳。这 - 时期的声纳使用磁致伸缩换能器和人工压电晶体换能器。总的来说，这一时期 的声纳技术和声纳性能都还是比较落后的。第二次世界大战后，电子技术和计 算机技术的迅速发展大大推动了声纳技术的发展，出现了一批新型声纳山于 西化二业大学硕士论文 绪论 1 . 1研究背景和意义 目 前，各地水库的鱼群侦探技术都是以经验判断为主，他们直接观察鱼群 的跳跃并倾听鱼群发出的声响来判断鱼群的种类、数量和泅游动态。在海洋作 业的渔民也由于现有鱼探仪价格昂贵和侦探距离问题而凭经验捕鱼。对于经验 不足的渔民就很难有效地进行捕鱼操作，即使是有经验的渔民也不能很准确的 捕鱼。为了提高捕鱼效率，人们将声纳技术应用到了捕鱼作业上，也就是使用 了鱼群探测仪 ( 简称鱼探仪) 。 鱼探仪是探测鱼群的仪器，现有的鱼群探测仪器 大都是主动式的，工作时鱼探仪本身发出高频声波，然后根据回波来判断鱼群 的方位和大小。它的探测声束可以根据要求指向水下空间的任何方位或依照某 种方式和程序对水下空间进行扫描，是捕捞作业必不可少的装备山 。随着近儿 年全球性渔业资源的衰退和燃料价格的提高，如何更好的发挥鱼探仪的作用， 提高捕捞产量、降低生产成本，己成为当今海上捕捞船队所关心的问题。 同时，高性能、低价格的鱼探仪的研制也具有一定的军事意义。在海洋中， 潜艇和鱼群一样也会发出噪声，只是潜艇的噪声频带比鱼群更低一些。我们可 稍加改进，使这种鱼探仪也能够探测和发现潜艇。如若我国沿海的普通渔民都 能配备这种鱼探仪，这无疑如同构筑了一道流动的海防线。 1 . 2鱼探仪的发展及国内外研究现状 鱼探仪是将声纳技术应用到渔业上的仪器，是一种专门用途的声纳。声纳 系统和水声探测的发展可以追溯到 1 5 世纪，早在 1 4 9 0 年，意大利人达 芬奇就 记述了利用两端开 的长管插入水中听测远处航船的方法。现代声纳技术的发 展始于2 0 世纪，到第一次世界大战后，声纳技术不断发展，产生了以回声方法 测深的船用测探仪。在第二次世界大战中又出现了航空声纳和海岸声纳。这 - 时期的声纳使用磁致伸缩换能器和人工压电晶体换能器。总的来说，这一时期 的声纳技术和声纳性能都还是比较落后的。第二次世界大战后，电子技术和计 算机技术的迅速发展大大推动了声纳技术的发展，出现了一批新型声纳山于 西儿工止大幸硕去论文 大规模集成电路和数字计算机进入声纳技术领域，出现了全数字化声纳随后， 系列高速并行处理结构及器件的发展，使声纳信号处理技术以全新的面貌出 现，产生出各种各样专门用途的新型声纳。 就目前而台，世界土各国鱼群探测设备总体上只有两种，一种是垂直鱼探 仪，另一种是水平鱼探仪 ( 又称水平扫描声纳) 。垂直鱼探仪是将换能器垂直安 装，即换能器的发射波束垂直于海平面，朝下发射。它是我国大多数拖网船只 _ 匕 所使用的鱼探仪。这种传统的鱼探仪使渔船只能探测到船体正下方水域中是 否有鱼群存在，只有当船航行到鱼群的正上方时， 刁 能知道鱼群的存在。否则， 即使船的两侧有鱼群，船长也无法知晓。这样渔船下网、拖网的盲目 性是很大 的，也就是说，渔网一旦投下海，其船只只朝一个方向拉网，很少有变更方向 的。在拖网期间，鱼探仪上所显示的记录影响只是作为一种参考。因而经常出 现投网后，拉了几个小时的网也未捕到鱼的现象。结果，白白浪费了人力、物 力和燃料。 水平鱼探仪就可以探测渔船周围上千米范围内的鱼群分布状况、 鱼群大小、 鱼群的移动速度和移动方向等诸多信息可供人们选择。从而使人们山被动的投 网、拖网到有选择的进行投网、拖网。利用全方位扫描来提高捕鱼产量无疑是 一种极好的手段。但是，针对我国目前渔船的经济现状和鱼用声纳的销售价格 ( i l 十万元人民币) ， 一般的船只能是望而生畏， 即使国有大中型渔业捕捞公司， 也 只能在极个别的 船上使用 ( 如远洋大吨 位渔船) 2 。 采用矢量水听器技术及其信号处理技术的新型鱼探仪，上面的问题就能得 到解决。关于矢量水听器的研究，美国和俄罗斯处于领先地位。早在4 0 年代， 美国就己经研制出了声压梯度矢量水听器，7 0 年代，就将矢量水听器成功应用 到声纳浮标中，还探索矢量水听器应用于拖曳阵列声纳基阵，以便用声强流量 的矢量方向来分辨目 标位于阵的左右舷，甚至探索用振速水听器阵代替舷侧阵 声纳的水听器阵。日 前在美俄两国，性能稳定的矢量水听器己经进入了工程应 用阶段t3 1 ，此外他们还对影响矢量水听器的性能比 较大的流噪声和自 噪声进行 了 研究， 在矢量水听器的校准方面也 进行了 探索叫 ，由 于传统的水听器都是压 电陶瓷片，而且其结果和原理也比较简单，所以美俄两国也多使用墓于压电加 速度计的同振型矢量水听器。国内矢量水听器及声压振速联合信息处理研究起 步比较的晚。 1 9 9 6 - 1 9 9 7 年哈尔滨工程大学的贾志富教授成功的制作了同振球型 矢量水听器和双迭片式不动外壳型矢量水听器15 1同时惠俊英教授及其学生也 在三维同振型矢量水听器的声压振速联合传感器的信号处理方法作了很多的 西儿工业大学硕士论文 作，此外杨德森教授及其学生也在单个矢量水听器的目 标估计问题上做了很多 的工作，并 巨 能对多个不相干目 标进行分辨和定位。 1 . 3论文主要工作与内 容 在海洋中，鱼群和潜艇都会发出噪声，而且不同的鱼群和潜艇噪声频带是 不相同，本文提出一种新型的鱼群探测仪技术，该鱼探仪使用矢量水听器作换 能器。采用被动工作方式来接收噪声信号，然后对其方位和大小进行估计。本 论文的主要工作是鱼探仪的硬件设计实现及硬件相关软件的开发。 目 前p c技术迅速发展， 使得运算速度越来越快， 功能越来越强大， 并且价 格也不十分昂贵， 因而本论文设计中使用一般的p c作为数据运算处理和显示的 平台。本论文的主要工作包括:模拟信号预处理电路、模数转换电路、u s b接 口电路、键盘控制电路的设计与实现以及u s b固件程序、基于 wd m 的u s b 接口驱动程序和简单应用程序开发。 本论文的主要内容有: 1 ) 第一章，绪论。主要介绍了本论文研究的背景和意义，历史发展以及国内 外研究现状。 2 ) 第二章，矢量水听器原理。简单介绍了矢量水听器的工作原理、分类和应 用，分别讨论了同振型和压差式矢量水听器的信号模型，最后根据试验数据， 绘制了单个压差式矢量水听器的指向性图。 :3 ) 第三章，系统总体设计方案。介绍了系统设计方案，对系统的设计分别从 硬件和硬件相关的软件两方面进行概述。 4 ) 第四章。系统硬件设计。包括模拟信号预处理电路设计:对模拟信号预处 理的原理进行介绍，给出了一种低噪声、各通道相位一致的带通滤波放大电路 的实现方法。数据采集与接口设计:讨论了基于c y 7 c 6 8 0 1 3芯片的两种数据采 集方法的以及u s b 接1=l 原理和实现方法。 键盘控制: 主要介绍了基于5 1 单片机 的键盘设计方法。 5 ) 第i i. 章，系统软件设计。包括 u s b固件程序、主机驱动程序及用户应用程 序实现。介绍了u s b 固件程序的实现，w d m 驱动程序设计原理， u s b 驱动程序 和应用程序的设计方法。 最后对全文进行了总结。 西儿工业大学硕士论文 作，此外杨德森教授及其学生也在单个矢量水听器的目 标估计问题上做了很多 的工作，并 巨 能对多个不相干目 标进行分辨和定位。 1 . 3论文主要工作与内 容 在海洋中，鱼群和潜艇都会发出噪声，而且不同的鱼群和潜艇噪声频带是 不相同，本文提出一种新型的鱼群探测仪技术，该鱼探仪使用矢量水听器作换 能器。采用被动工作方式来接收噪声信号，然后对其方位和大小进行估计。本 论文的主要工作是鱼探仪的硬件设计实现及硬件相关软件的开发。 目 前p c技术迅速发展， 使得运算速度越来越快， 功能越来越强大， 并且价 格也不十分昂贵， 因而本论文设计中使用一般的p c作为数据运算处理和显示的 平台。本论文的主要工作包括:模拟信号预处理电路、模数转换电路、u s b接 口电路、键盘控制电路的设计与实现以及u s b固件程序、基于 wd m 的u s b 接口驱动程序和简单应用程序开发。 本论文的主要内容有: 1 ) 第一章，绪论。主要介绍了本论文研究的背景和意义，历史发展以及国内 外研究现状。 2 ) 第二章，矢量水听器原理。简单介绍了矢量水听器的工作原理、分类和应 用，分别讨论了同振型和压差式矢量水听器的信号模型，最后根据试验数据， 绘制了单个压差式矢量水听器的指向性图。 :3 ) 第三章，系统总体设计方案。介绍了系统设计方案，对系统的设计分别从 硬件和硬件相关的软件两方面进行概述。 4 ) 第四章。系统硬件设计。包括模拟信号预处理电路设计:对模拟信号预处 理的原理进行介绍，给出了一种低噪声、各通道相位一致的带通滤波放大电路 的实现方法。数据采集与接口设计:讨论了基于c y 7 c 6 8 0 1 3芯片的两种数据采 集方法的以及u s b 接1=l 原理和实现方法。 键盘控制: 主要介绍了基于5 1 单片机 的键盘设计方法。 5 ) 第i i. 章，系统软件设计。包括 u s b固件程序、主机驱动程序及用户应用程 序实现。介绍了u s b 固件程序的实现，w d m 驱动程序设计原理， u s b 驱动程序 和应用程序的设计方法。 最后对全文进行了总结。 肠北工业大学硕士伦文 第二章 矢量水听器原理 矢量水听器是一种不仅能够测量声场中的声压信号还能测量其质点振速信 号 的接收换能器，因此它的信号处理可以在相空间中进行处理，这是传统的声 压水听器所不具备的。本章将对矢量水听器的工作原理、分类、应用和信号 模 型进行介绍。 2 . 1 矢量水听器简介 众所周知，描叙声场的物理量不仅有声压，还有质点振速、声压梯度、加速 度、位移等，而传统的声压水听器只用到了声场中的声压这个标量信号，如果 我们可以获得声场中的矢量信号，如振速、声压梯度等就获得了更详细的声场 信息，从而可以更好地对声场进行分析。矢量水听器的出现，使得上述的问题 得到了解决，矢量水听器就是这样一种不仅能够测量声场中的声压信号还能测 量其质点振速信号的接收换能器。矢量水听器之所以能获得比传统水听器更高 的增益，是因为在各向同性的噪声场中，水下运动的远处目 标辐射的噪声是一 个与背景噪声不同，具有一定的传播方向，而由于矢量水听器的矢量性，使得 它可以极大消除掉各向同性的背景噪声干扰，而目标辐射噪声则不会抵消，对 于普通的声压水听器， 各向同性的噪声会全部叠加到水听器上， 而不能够消除。 矢量水听器的另外一个特点在于它可以同时测量声场中的声压和质点振速这两 个物理量，这就提供了声场更多的信息，从信号处理的角度来看，这有利于提 高信号处理的灵活性和多样性，并为解决一系列的水声问题提供了基础。 2 . 1 . 1 矢量水听器的分类及应用 矢量水听器按其所测量的物理量不同可分为声压梯度水听器、 位移水听器、 振速水听器和加速度水听器: 按其与声场的相互作用方式可分为压差3 ; ij ( 也叫压 差式) 和同振型( 也叫惯性型) 水听器; 按照换能原理可分为压电式、电动式、电 磁式、磁致伸缩式、电容式和光纤式;按照维数可分为一维、二维、三维矢量 水听器。 压电式矢最水听器是利用压电效应，将其压力转化为电信 号记录下 来:电 肠北工业大学硕士伦文 第二章 矢量水听器原理 矢量水听器是一种不仅能够测量声场中的声压信号还能测量其质点振速信 号 的接收换能器，因此它的信号处理可以在相空间中进行处理，这是传统的声 压水听器所不具备的。本章将对矢量水听器的工作原理、分类、应用和信号 模 型进行介绍。 2 . 1 矢量水听器简介 众所周知，描叙声场的物理量不仅有声压，还有质点振速、声压梯度、加速 度、位移等，而传统的声压水听器只用到了声场中的声压这个标量信号，如果 我们可以获得声场中的矢量信号，如振速、声压梯度等就获得了更详细的声场 信息，从而可以更好地对声场进行分析。矢量水听器的出现，使得上述的问题 得到了解决，矢量水听器就是这样一种不仅能够测量声场中的声压信号还能测 量其质点振速信号的接收换能器。矢量水听器之所以能获得比传统水听器更高 的增益，是因为在各向同性的噪声场中，水下运动的远处目 标辐射的噪声是一 个与背景噪声不同，具有一定的传播方向，而由于矢量水听器的矢量性，使得 它可以极大消除掉各向同性的背景噪声干扰，而目标辐射噪声则不会抵消，对 于普通的声压水听器， 各向同性的噪声会全部叠加到水听器上， 而不能够消除。 矢量水听器的另外一个特点在于它可以同时测量声场中的声压和质点振速这两 个物理量，这就提供了声场更多的信息，从信号处理的角度来看，这有利于提 高信号处理的灵活性和多样性，并为解决一系列的水声问题提供了基础。 2 . 1 . 1 矢量水听器的分类及应用 矢量水听器按其所测量的物理量不同可分为声压梯度水听器、 位移水听器、 振速水听器和加速度水听器: 按其与声场的相互作用方式可分为压差3 ; ij ( 也叫压 差式) 和同振型( 也叫惯性型) 水听器; 按照换能原理可分为压电式、电动式、电 磁式、磁致伸缩式、电容式和光纤式;按照维数可分为一维、二维、三维矢量 水听器。 压电式矢最水听器是利用压电效应，将其压力转化为电信 号记录下 来:电 肠儿工业大学硕士抢文 动式矢量水听器是利用电磁感应现象，磁圈在磁场中运动时产生感应电动势， 从而记录下这一信息;电磁式矢量水听器是利用膜片震动时线圈中的磁通量发 生变化而产生感应电动势，由此来记录信息;磁致伸缩式矢量水听器是利用反 磁致伸缩效应来记录声场信息的;电容式矢量水听器，是因为在声场中声波的 作用下两电极板的间距发生变化会产生电流，利用这一电流来记录声场中的信 息。 在矢量水听器的这些分类中，我们一般常用于声场相互作用而分为压差式 和同振型这种分类方式，尽管这两种矢量水听器的原理不同，但其响应的信号 都 可以 归 结 为 声 场中 质点 振 速 在 其 轴 上的 投 影 分 量， 因 而具 有c o s 沪 ) 形 式 的 指 向性，并且该指向性与频率无关， 这意味着在低频时它也有指向性。因此，一 个矢量水听器就可以用来测量辐射低频声波的目标的方位，而不一定去采用很 大的水听器基阵。而声压水听器基阵则需要大孔径才能有效的对低频信号进行 检测。 与传统的声压水听器相比，矢量水听器主要有如下的优点: 1 ) 能够只利用单个水听器对目 标进行定向，而月 _ 与目标源的频率范围无关; 2)具有很高的抗干扰性，同时背景干执不减低探测水下 目标的蹄离: 在小功率辐射时，采用低频即可获得水下目 标的远距离探测; 与传统的探测设备相比，在相同的技术指标条件下，减小了重量和尺一寸。 、j广、1 9刁4 正是由于矢量水听器具有以上的优点，所以具有很大的应用前景。在军事 上，它可以用到深水炸弹上面，如在深水炸弹前面安装一个矢量水听器，获得 目 标的方位信息，然后对深水炸弹进行操作让其朝着目 标的方向运动，就可以 提高深水炸弹的杀伤半径， 假设一枚普通的深水炸弹的杀伤半径为1 0 米， 如果 安装上了矢量水听器对目 标进行估计并朝着目标的方向操舵，如果朝着目标力 向运动了1 0 米远， 那么就相当于这枚深水炸弹的杀伤半径扩大了一倍。 同样矢 量水听器还可以运用到潜艇的探测上，现在的潜艇辐射噪声级越来越低，而且 频率越来越低，如果要对这种低频的弱信号进行探测，需要的普通的声压水听 器阵的孔径要很大，而如果用到矢量水听器，则可以避免这些问题从而大大的 减少成本。在民用方面，矢量水听器也有很大的用途，如在捕鱼方面，我们可 以 利用矢量水听器来接收鱼群的噪声信号，然后对其进行处理确定出鱼群的方 位和负群的大小，消除渔船下网、拖网的盲目性，提高了捕捞产景，节约了人 力、物力和燃料，这对渔民捕鱼很有利。 西北工业大争硕士论丈 2 . 2 信号源模型 本文中所采用的信号如未经特别说明均为窄带信号，窄带信号定义为其频 率被限制在其中心频率附近一个较窄的范围内，_且该中心频率足够大，也就是 其带宽与中心频率的比值足够小。我们可以将信号表示为: s ( t ) 二 a ( t ) q u n (n ( ( 2 . 1 ) 其中a ( t ) 为幅度调制信号，a ( t ) 为相位调制信号，。 为信号的角频率。 2 . 2 . 1 理想流体介质中声压与振速的关系 在理想流体介质中的声波， 运用波动方程可以很好地进行描叙。为了讨论方便， 我们对一维波动方程进行讨论， 也即声压信号p = p ( x , t ) 为一维信号， 我们很容 易得出其连续方程、状态方程和运动方程分别为: ( 2 . 2 ) ( 2 . 3 ) ( 2 . 4 ) 其中， p u 为流体密 度， 。 为 流体中 的声速， p 为流体中 声 场的压强， ， 为 流体中 声场中质点的振速， 联合式( 2 . 2 ) , ( 2 . 3 ) 和( 2 . 4 ) 这三个方程就可以推得理想流 体介质中小振幅平面波的波动方程: a l p 1 a l p a x 2 e = 在一般情况下，p = 日 t 2 p ( x , y , z , t ) ，即声压在x , ( 2 . 5 ) y, z 三个方向上是不均匀的 那么其连续性方程和运动方程就变为矢量方程: p o 鲁 = 一 、 p o; 一 餐 ( 2 . 6 ) ( 2 . 7 ) 其中“ v”表示梯度算符， v ”为散度算符，v = v ( x , y , z , t ) 为振速矢 量 那 么可得小振幅波在三维坐标下的波动方程: 西北工业大争硕士论丈 2 . 2 信号源模型 本文中所采用的信号如未经特别说明均为窄带信号，窄带信号定义为其频 率被限制在其中心频率附近一个较窄的范围内，_且该中心频率足够大，也就是 其带宽与中心频率的比值足够小。我们可以将信号表示为: s ( t ) 二 a ( t ) q u n (n ( ( 2 . 1 ) 其中a ( t ) 为幅度调制信号，a ( t ) 为相位调制信号，。 为信号的角频率。 2 . 2 . 1 理想流体介质中声压与振速的关系 在理想流体介质中的声波， 运用波动方程可以很好地进行描叙。为了讨论方便， 我们对一维波动方程进行讨论， 也即声压信号p = p ( x , t ) 为一维信号， 我们很容 易得出其连续方程、状态方程和运动方程分别为: ( 2 . 2 ) ( 2 . 3 ) ( 2 . 4 ) 其中， p u 为流体密 度， 。 为 流体中 的声速， p 为流体中 声 场的压强， ， 为 流体中 声场中质点的振速， 联合式( 2 . 2 ) , ( 2 . 3 ) 和( 2 . 4 ) 这三个方程就可以推得理想流 体介质中小振幅平面波的波动方程: a l p 1 a l p a x 2 e = 在一般情况下，p = 日 t 2 p ( x , y , z , t ) ，即声压在x , ( 2 . 5 ) y, z 三个方向上是不均匀的 那么其连续性方程和运动方程就变为矢量方程: p o 鲁 = 一 、 p o; 一 餐 ( 2 . 6 ) ( 2 . 7 ) 其中“ v”表示梯度算符， v ”为散度算符，v = v ( x , y , z , t ) 为振速矢 量 那 么可得小振幅波在三维坐标下的波动方程: 西北工业大学硕士论文 - 2 一 1 a - p v p =一 丁丁， 厂 c- of ( 2 . 8 ) 其中 “ 0 2 ”为拉普拉斯算符，由式( 2 . 7 ) 得小振幅平面波下声压和质点振速的 关系为: v 二 二一 丁 ii p clt ( 29 ) 在远场平面波假设条件下， 为了 简便， 由 式( 2 . 1 ) ， 不失一 般性令其幅度“ ( 1 ) 二 1 , 相位w ( t ) = 0 ，则可以 假设声压信号为: p ( r , t ) = e ( - ) ( 2 . 1 0 ) 其中c o 为信号角频率， k = k ( x , y , z ) 为信号波数， r = r ( x , y , z ) 为信号的方位矢径。 带入式( 2 . 9 ) 我们可以得到声压和振速的关系式为: v ( r , t ) =一 p ( 二 t ) u 尸 c ( 2 . 1 1 ) 其中 c o s 日 c o s 氏 s i n 只 c o s 伏 s i n 氏 ( 2 . 1 2 ) 厂lweeelleseseeesl -一 u 其中只 e 0 , 2 7 l ) ,典以一 二 / 2 , 川2 1 分别为 信号 源到 达方向 的水平方位角和 俯仰 角。在本文中主要讨论的是二维的平面波信号，所以忽略其俯仰角，即声压只 在x 轴和y轴方向上有值，则u 就变为: c o s 伏 s in 叹 ( 2 . 1 3 ) r.卫es.tol - u 从式( 2 . 1 1 ) 中可以看出在远场小振幅平面波假设下，声场中质点的声压和振速 是同相的，它们只是在幅度 h 不一样。 2 . 2 . 2 同振型矢量水听器阵信号模型 同振型矢量水听器也称作惯性型矢量水听器，其外壳与水听器周围的声学 介质是同步振动的， 也就是说同振型矢量水听器的外壳实际上就是其接收元件。 对于单个的同振型矢量水听器，在远场平面波假设一下，其接收到的声压信 号 丁 以表示为: 西北工业大学硕士论文 - 2 一 1 a - p v p =一 丁丁， 厂 c- of ( 2 . 8 ) 其中 “ 0 2 ”为拉普拉斯算符，由式( 2 . 7 ) 得小振幅平面波下声压和质点振速的 关系为: v 二 二一 丁 ii p clt ( 29 ) 在远场平面波假设条件下， 为了 简便， 由 式( 2 . 1 ) ， 不失一 般性令其幅度“ ( 1 ) 二 1 , 相位w ( t ) = 0 ，则可以 假设声压信号为: p ( r , t ) = e ( - ) ( 2 . 1 0 ) 其中c o 为信号角频率， k = k ( x , y , z ) 为信号波数， r = r ( x , y , z ) 为信号的方位矢径。 带入式( 2 . 9 ) 我们可以得到声压和振速的关系式为: v ( r , t ) =一 p ( 二 t ) u 尸 c ( 2 . 1 1 ) 其中 c o s 日 c o s 氏 s i n 只 c o s 伏 s i n 氏 ( 2 . 1 2 ) 厂lweeelleseseeesl -一 u 其中只 e 0 , 2 7 l ) ,典以一 二 / 2 , 川2 1 分别为 信号 源到 达方向 的水平方位角和 俯仰 角。在本文中主要讨论的是二维的平面波信号，所以忽略其俯仰角，即声压只 在x 轴和y轴方向上有值，则u 就变为: c o s 伏 s in 叹 ( 2 . 1 3 ) r.卫es.tol - u 从式( 2 . 1 1 ) 中可以看出在远场小振幅平面波假设下，声场中质点的声压和振速 是同相的，它们只是在幅度 h 不一样。 2 . 2 . 2 同振型矢量水听器阵信号模型 同振型矢量水听器也称作惯性型矢量水听器，其外壳与水听器周围的声学 介质是同步振动的， 也就是说同振型矢量水听器的外壳实际上就是其接收元件。 对于单个的同振型矢量水听器，在远场平面波假设一下，其接收到的声压信 号 丁 以表示为: 而i 0 s e t 大学硕士论文 y a ( t ) = p ( t ) + e , ( t ) ( 2 . 1 4 ) 其中e n ( ) 表 示 噪 声， 相 应 地 这点 的 振 速 信 号 可 表 示 为 : y , ( t ) = p ( t ) - u + e ( t )( 2 . 1 5 ) 其中e , ( t ) 表示附加噪声，联合式( 2 . 1 8 ) 和式( 2 . 1 9 ) 就有: ijweweesesj 、.产、.j (t(t 心气 广.lesll + 、 矛 p 飞!j lu rllllll y p ( t ) y j ( ) ( 2 . 1 6 ) 推广到矢量水听器阵的情况下，假如信号源有。 个并且接收阵是一个由m个阵 元组成的矢量水听器阵，那么每个阵元上所接收到的信号可表示为: y y v = e , , ( t ) y ;,i (t), (y 0 i ( ) t , ，一 ，y ;l ( t) , (y l, ) (t) ) t , 一 e p0 (t ), ( e , ( t)t ，一 ，e , )(t ) ,(e i, )(t) t i ( 2 . 1 7 ) ( 2 . 1 8 ) 其中y p ) ( t ) ( l = 1 , 2 , . . . m ) 和y 沪 ( 1 ) ( j = 1 , 2 , . . . m ) 分 别 表 示 第j 个 矢 量 水 听 器 所 接 收 到 的 声 压 和 振 速 信 号 ， 昨 ( t ) ( 1 = 1 , 2 ， 二 m ) 和e 叨 ( t ) ( j = 1 , 2 , . . . m ) 分 别 表 示 第j 矢 量水听器上声压和振速的附加噪声信号。联合式( 2 . 2 1 ) 和式( 2 . 2 2 ) 就可以得到 m个矢量水听器上所接收到的信号为: ， (r卜 i ekk=i 。 ;*一 (t)+ e, (t) ( 2 . 1 9 ) 这里的e 、 表示矩阵e 里面的第k 列， 且 e ;k = e - ( 2 . 2 0 ) 其中 的: /k 表示的 是 第k 个信号 源到 第j 个 矢量 水 听 器 之间的 时间 延时， : 。 二 一 ( u , r , ) / , 其 中u ; 是 矢 量阵 到 第k 个信 号 源的 单 位 方向 向 量， r 1 是 第j 阵中的位置向量。 ( 2 . z 幼 个矢量水听器在基 2 . 2 . 3 压差式矢量水听器的信号模型 j 五 差式矢量水听器不同于同振型矢量水听器，它首先是由声压水听器记录 卜 声场中的声压信息，然后转换为声场中的振速信息。本文中所用到的压差式 矢量水听器就是由四个完全一致的声压水听器组成的。下面我们来对压差式矢 量水n t 器的信号接收模型进行分析。 而i 0 s e t 大学硕士论文 y a ( t ) = p ( t ) + e , ( t ) ( 2 . 1 4 ) 其中e n ( ) 表 示 噪 声， 相 应 地 这点 的 振 速 信 号 可 表 示 为 : y , ( t ) = p ( t ) - u + e ( t )( 2 . 1 5 ) 其中e , ( t ) 表示附加噪声，联合式( 2 . 1 8 ) 和式( 2 . 1 9 ) 就有: ijweweesesj 、.产、.j (t(t 心气 广.lesll + 、 矛 p 飞!j lu rllllll y p ( t ) y j ( ) ( 2 . 1 6 ) 推广到矢量水听器阵的情况下，假如信号源有。 个并且接收阵是一个由m个阵 元组成的矢量水听器阵，那么每个阵元上所接收到的信号可表示为: y y v = e , , ( t ) y ;,i (t), (y 0 i ( ) t , ，一 ，y ;l ( t) , (y l, ) (t) ) t , 一 e p0 (t ), ( e , ( t)t ，一 ，e , )(t ) ,(e i, )(t) t i ( 2 . 1 7 ) ( 2 . 1 8 ) 其中y p ) ( t ) ( l = 1 , 2 , . . . m ) 和y 沪 ( 1 ) ( j = 1 , 2 , . . . m ) 分 别 表 示 第j 个 矢 量 水 听 器 所 接 收 到 的 声 压 和 振 速 信 号 ， 昨 ( t ) ( 1 = 1 , 2 ， 二 m ) 和e 叨 ( t ) ( j = 1 , 2 , . . . m ) 分 别 表 示 第j 矢 量水听器上声压和振速的附加噪声信号。联合式( 2 . 2 1 ) 和式( 2 . 2 2 ) 就可以得到 m个矢量水听器上所接收到的信号为: ， (r卜 i ekk=i 。 ;*一 (t)+ e, (t) ( 2 . 1 9 ) 这里的e 、 表示矩阵e 里面的第k 列， 且 e ;k = e - ( 2 . 2 0 ) 其中 的: /k 表示的 是 第k 个信号 源到 第j 个 矢量 水 听 器 之间的 时间 延时， : 。 二 一 ( u , r , ) / , 其 中u ; 是 矢 量阵 到 第k 个信 号 源的 单 位 方向 向 量， r 1 是 第j 阵中的位置向量。 ( 2 . z 幼 个矢量水听器在基 2 . 2 . 3 压差式矢量水听器的信号模型 j 五 差式矢量水听器不同于同振型矢量水听器，它首先是由声压水听器记录 卜 声场中的声压信息，然后转换为声场中的振速信息。本文中所用到的压差式 矢量水听器就是由四个完全一致的声压水听器组成的。下面我们来对压差式矢 量水n t 器的信号接收模型进行分析。 香儿工止大学硕士论 又 图 2 . 1 是压差式矢量水听器的平面图，从图中可以看出，压差式的矢量水 听器可以看作是一个四元的离散圆阵， 它是由两个相互正交的偶极子对组成的， 其中四个阵元均为普通的声压水听器，与一般的声压水听器不同的是，偶极子 对中的两个阵元要求具有相同的幅频响应，也即两个阵元要完全相同，本文中 我们假 设这四个声压水听器是完全一致的。 假设信号源方位角为e ，则矢量水听器接收的信为: 图 2 . 1 压差式久量水听器 y ( t ) = a t ( b ) s ( t ) + n ( t )( 2 . 2 2 ) 其 中 “t 表 示 转 置 a (e ) = l e ikrcos(e -ro)， e ikrcas(” 一” )， e ikreog ” 一 ，e .ikrm s(o- r, )-,t n ( t ) = n , ( t ) , n _ ( t) , n , (t ) , n , (t ) i t 为 噪 声 。 将 式 ( 1 . 1 ) 展 开 即 为 : a ( t ) e i )% - ( n e i kr c o u a - r o ) + n : ( t ) a ( t ) e .ih n r. u (0 1e i k oo (e - r ,) + n z ( t ) a ( t ) e i2 a t u (0 e ikr eo s(9 - r: ) + n 3 ( t ) a ( t ) e i l,oo t + u ( r) le iw c o s( o - r , ) + n a ( t ) ( 2 . 2 3 ) 一!ileslllj 一工 、.j 讲已 r夕.、 y 式( 1 . 2 ) 即为压差式矢量水听器的输出单信号模型。 2 . 2 . 4 压差式矢量水听器的质点声压和振速获取 根据式( 2 .2 3 ) ， 可以 从四 个阵元上的声压信息获得中心点的声压和振速信息。 刘 水听器四个声压输出求平均得到: ， ( ) 一 粤 ( ， 。(，) + ， 2 (， ) + ， 3 () + ， 4 (，) ) 斗 ( 2 . 2 4 ) 其中p , ( t ) ( i = 1 , 2 , 3 , 4 ) 分别为离散圆阵 ( 即 压差 式矢 量水听 器) 上 4点的 声压信 11 香儿工止大学硕士论 又 图 2 . 1 是压差式矢量水听器的平面图，从图中可以看出，压差式的矢量水 听器可以看作是一个四元的离散圆阵， 它是由两个相互正交的偶极子对组成的， 其中四个阵元均为普通的声压水听器，与一般的声压水听器不同的是，偶极子 对中的两个阵元要求具有相同的幅频响应，也即两个阵元要完全相同，本文中 我们假 设这四个声压水听器是完全一致的。 假设信号源方位角为e ，则矢量水听器接收的信为: 图 2 . 1 压差式久量水听器 y ( t ) = a t ( b ) s ( t ) + n ( t )( 2 . 2 2 ) 其 中 “t 表 示 转 置 a (e ) = l e ikrcos(e -ro)， e ikrcas(” 一” )， e ikreog ” 一 ，e .ikrm s(o- r, )-,t n ( t ) = n , ( t ) , n _ ( t) , n , (t ) , n , (t ) i t 为 噪 声 。 将 式 ( 1 . 1 ) 展 开 即 为 : a ( t ) e i )% - ( n e i kr c o u a - r o ) + n : ( t ) a ( t ) e .ih n r. u (0 1e i k oo (e - r ,) + n z ( t ) a ( t ) e i2 a t u (0 e ikr eo s(9 - r: ) + n 3 ( t ) a ( t ) e i l,oo t + u ( r) le iw c o s( o - r , ) + n a ( t ) ( 2 . 2 3 ) 一!ileslllj 一工 、.j 讲已 r夕.、 y 式( 1 . 2 ) 即为压差式矢量水听器的输出单信号模型。 2 . 2 . 4 压差式矢量水听器的质点声压和振速获取 根据式( 2 .2 3 ) ， 可以 从四 个阵元上的声压信息获得中心点的声压和振速信息。 刘 水听器四个声压输出求平均得到: ， ( ) 一 粤 ( ， 。(，) + ， 2 (， ) + ， 3 () + ， 4 (，) ) 斗 ( 2 . 2 4 ) 其中p , ( t ) ( i = 1 , 2 , 3 , 4 ) 分别为离散圆阵 ( 即 压差 式矢 量水听 器) 上 4点的 声压信 11 西北工业大李硕士伦文 输出， 通过简单的推理可以 得到， 在满足2 k r u 1 其中; 为离散圆阵的半径) 的条 件即压差式矢量水听器的半径足够小时，可以 用其4 点的声压平均p ( t ) 来代替 中心点的声压， 也即式( 2 . 2 4 ) 近似为声场中位于压差式矢量水听器几何中心点的 声压输出。 卜 面我们来 推导其在x 轴和y 轴上的振速分量。 我们知道， 一 点的振速可以山 这 点的声压梯度得到，而在满足2 k r u 1 的条件下，由有限差分法近似，可得: a p 、 竺 a x a x ap, 竺= a y匀 p , ( t ) 一 p s ( t ) 2 r ( 2 . 2 5 ) p , ( 1 ) 一 p 4 ( t ) 2 r ( 2 . 2 6 ) 于是，0 点的在x 轴和y 轴上上的振速分量就可以分别表示为: a , ( t ) y o , ( t ) 一 去 (p i (t )2rp t 一 1 j p z(t)- p 4(t).itp 2r ( 2 . 2 7 ) ( 2 . 2 8 ) 从式( 2 .2 7 ) 和式( 2 . 2 8 ) 可以知道质点的振速可以由附 近两点的声压之差， 然后再 求积分来得到，也就是在平面波声场中，质点的振速与其声压梯度在相位上存 在9 0 “ 的相位差。根据式( 2 .2 7 ) 和式( 2 .2 8 ) 可以画出图2 .2 所示的理想状态下的压 差式矢量水听器的指向性图。 图 22 二维压差式矢量水听器的理