一种基于光纤水听器阵列的噪声测量装置及测量方法

摘要

本发明涉及一种基于光纤水听器阵列的噪声测量装置及测量方法，测量装置为数据采集和传输系统由测量船的数据采集系统、复合缆绞车、光电复合缆组成，光纤水听器平面阵固定在水下平台上，四个水下声信标分别安装在水下平台四个角上，光纤水听器平面阵通过光电复合缆与测量船的数据采集系统相连，光电复合缆由复合缆绞车收放，复合缆绞车放置在测量船上，水下航行体在水下声信标指引下在布有光纤水听器平面阵下面的水中航行。本发明能够在实航状态下对水下航行体进行动态全息的辐射噪声测量，可弥补现有辐射噪声测量技术和方法的不足，满足水下航行体减震降噪研究和装备性能评价的迫切需求，具有良好的实用价值和社会效益。

说明书

技术领域

本发明属于水下噪声测量领域，涉及一种水下航行体的辐射噪声测量 装置及测量方法，特别是一种可以对水下航行体辐射噪声源的分布情况进 行近场全息、实航动态测量装置及测量方法。

背景技术

水下航行体的辐射噪声对其性能及使命任务的完成具有重大影响，为 实现减震降噪，设计和制造厂商进行大量的研究工作，并采取了许多技术 措施，但对其效果的评价及主要噪声源的定位研究仍缺乏全面有效的手段。

目前一般对水下航行体辐射噪声测量方法主要有三类，第一类是采用 基于远场测量的方法，该方法用标准水听器在距离被测目标足够远的位置 (满足水声场的远场条件)，测量水下航行体的的总噪声级，这种方法将一 个数十米甚至上百米长的水下航行体视为一个点声源，虽然可以评价其总 辐射噪声级，但无法区分其辐射噪声的部位和噪声源分布情况；第二类是 采取近场扫描方法，用一个水听器线列阵沿水下航行体表面一定距离进行 扫描测量，可以获得噪声源在被测目标体上的分布情况，但该方法必须在 航行体处于系泊状态才能进行，因此其测量结果无法准确反映水下航行体 在真实航行状态下以及各种航速情况下的噪声源分布；第三类采用在水下 航行体表面加装多个振动传感器，通过测量航行体壳体的机械振动情况， 从而间接推测其辐射噪声情况，该方法可以进行实航动态测量，但机械振 动和辐射噪声之间的关系受多种因素的影响，其间接推算的测量结果的准 确性和可信性尚不能满足要求。目前尚无一种可以实现近场、全息、实航 动态、直接测量的噪声测量方法。

发明内容

本发明的目的是：针对现有辐射噪声测量技术的不足，以及水下航行 体减震降噪研究和装备性能评价的迫切需求，提出一种水下航行体的辐射 噪声测量装置及测量方法，本发明能够在实航状态下对水下航行体进行动 态全息的辐射噪声测量，为水下航行体等目标的主要噪声源的定位研究以 及减震降噪效果的评价提供全面有效的手段。

本发明为实现上述目的而采用的技术方案是：

一种基于光纤水听器阵列的噪声测量装置，包括水下航行体、光纤水 听器平面阵、水下平台、四个水下声信标、数据采集和传输系统，数据采 集和传输系统由测量船的数据采集系统、复合缆绞车、光电复合缆组成， 其特征在于：光纤水听器平面阵固定在水下平台上，四个水下声信标分别 安装在水下平台四个角上，光纤水听器平面阵通过光电复合缆与测量船的 数据采集系统相连，光电复合缆由复合缆绞车收放，复合缆绞车放置在测 量船上，水下航行体在水下声信标指引下在布有光纤水听器平面阵下面的 水中航行。

所述的光纤水听器平面阵由至少3条光纤水听器线列阵和安装支架组 成，将所有光纤水听器线列阵等间距排列固定在安装支架上形成纤水听器 平面阵。

所述的光纤水听器线列阵由至少8个等间距排列的光纤水听器组成。

所述的水下平台由水下平台框架结构、四个浮力筒、四个深度调节装 置、四个锚系组成，所述的水下平台框架结构为承力的桁架钢结构，四个 浮力筒分别置于桁架钢结构的四个角上，每个浮力筒上安装一个深度调节 装置，每个锚系的锚索与深度调节装置相连。

所述的深度调节装置为卷扬机，容缆量150m，速度0.5m/s。

所述的锚系由2吨2爪的抓力锚、1T的重力锚和锚索组成，锚索为不 锈钢钢索，长度150m。

利用权利要求上述的基于光纤水听器阵列的噪声测量装置的测量方 法，其特征在于按以下步骤进行：首先在预定试验海区进行布锚，将四个 锚系按150m×50m距离成矩形布放，然后将光纤水听器平面阵和四个水下 声信标安装在水下平台上，并用拖船拖带到试验海区，水下平台的四个角 分别通过每个锚系的锚索相连，再用光电复合缆将水下平台的光纤水听器 平面阵和测量船相连，连接完成后，启动水下平台上的深度调节装置，将 光纤水听器平面阵沉放到预定深度，并将姿态调平到水平位置，然后通知 被测的水下航行体按照水下声信标指示的方位航行通过测量区域，完成实 航动态全息噪声测量。

在距离测量船附近设一个锚泊浮球，将光电复合缆挂接在锚泊浮球上； 便于确定沉底布放的光电复合缆位置和走向。

本发明采用基于光纤水听器的矩形平面阵列结构作为噪声测量传感 器。光纤水听器平面阵的阵元数应足够多，实际数量取决于系统设计要求 的声源定位分辨率，光纤水听器具有相对较高的灵敏度，以及较好的大规 组阵性能，同时具有体积小、重量轻、成本低等优点。为便于工程实施， 光纤水听器平面阵采用等间距排列的光纤水听器线列阵组成，每条水听器 线列阵由多个等间距排列的光纤水听器基元组成。为方便噪声数据处理分 析，一般应采用纵横间距相等的布阵方法，即线列阵排列间距和水听器排 列间距相等，排列间距根据系统设计要求的测量频率范围确定，一般排列 间距应小于最小测量波长的1/2。因水下航行体的深度控制精度相对较高， 为减少风险，避免与水下平台发生碰撞，光纤水听器平面阵采用水平布放 方法，水下航行体从光纤水听器平面阵上面通过进行测量。同时为减少海 底声反射对噪声测量结果的影响，光纤水听器平面阵还应悬浮在距海底一 定高度。

为便于使用，使可实现的实航动态全息噪声测量系统成为一个可移动 的系统，该发明采用一个活动的矩形的水下平台作为光纤水听器平面阵的 安装基础平台。水下平台为正浮力结构，可浮于水面并由拖船拖带到目标 试验海区，正浮力结构还可使其在用外力将其拉入水面以下时保持悬浮状 态。到达预定测量作业海域后，水下平台采用四角锚系方法进行位置固定， 水下平台固定锚系设四个，每个锚系由1个抓力锚、1个重力锚、以及1 根锚索组成。水下平台沉入水下的深度调节及姿态调平采用调整连接锚系 的锚索长度的方法实现，深度调节装置设有4个，分布位于水下平台的四 个角，深度调整装置一般采用卷扬机实现。

为在测量过程中，使被测的水下航行体按预定航路准确通过光纤水听 器平面阵的测量区域，该发明采用一种在水下平台上安装水下声信标实现 对被测水下航行体的导航和定位，引导被测水下航行体通过光纤水听器平 面阵的测量区域。水下声信标有四个，选用成熟的市场产品，分别安装在 矩形的水下平台的四个角，被测水下航行体通过接收这四个水下声信标的 发射信号，通过分析计算可实现对光纤水听器平面阵的定位。

该发明采用基于水面测量船的数据采集和长距离的光电复合缆实现水 下光纤水听器平面阵和测量数据采集系统的连接和信息传输。光电复合缆 采用负浮力的钢丝铠装光电复合缆，光电复合缆采用沉底布放方法，且沿 水下航行体航路的垂直方向布放，以避开被测水下航行体的安全航路范围。 为保持安全距离并减少测量船的噪声对测量结果的干扰和影响，光纤水听 器平面阵与测量船之间的距离应为被测水下航行体尺度的10倍以上。

本发明能够在实航状态下对水下航行体进行动态全息的辐射噪声测 量，给出具有可操作性的从水听器平面阵、水下平台、目标导航定位、信 息传输等完整的实现方法，可弥补现有辐射噪声测量技术和方法的不足， 满足水下航行体减震降噪研究和装备性能评价的迫切需求，具有良好的实 用价值和社会效益。

附图说明

图1为本发明的使用时纵剖面示意图；

图2为本发明的水平面示意图；

图3为本发明的实施例示意图。

图中：1－水下航行体；2－光纤水听器平面阵；3－水下平台；4－水 下声信标；5—深度调节装置；6－锚系；7－光电复合缆；8—测量船；9 —锚泊浮球。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明内容的具体实施做进一步举例说明，但本发 明的实际制作参数选择、材料和结构尺寸并不仅限于实施例所给出的。

参见图1、图2、图3，本实施例设计为一个2048基元的光纤水听器 平面阵，可用于噪声源间距不大于3m，频带范围5KHz以下的被测对象的 实航动态全息测量。

光纤水听器面阵2由光纤水听器线列阵和安装支架组成，光纤水听器 线列阵参数为128×16基元，阵元间距0.3m，据此参数制作16条光纤水 听器线列阵以及固定水听器线列阵的安装支架，将光纤水听器线列阵固定 在安装支架上，形成2048基元的光纤水听器平面阵；

水下平台3由水下平台框架结构、浮力筒、深度调节装置5、锚系6 组成等，水下平台框架结构为承力的桁架钢结构，材料选用Q620耐候钢； 浮力筒有4个，分别置于水下平台的4个角，用于使水下平台成正浮力特 性，尺寸为φ1m×20m，材料选用Q620耐候钢；深度调节装置有4个，分 别安装于4个浮力筒上，深度调节装置采用卷扬机，容缆量150m，速度 0.5m/s；锚系由2爪的抓力锚、重力锚和锚索组成，锚系有4个，通过锚 索与深度调节装置5相连，抓力锚为2T的2爪锚，重力锚为1T的重块， 锚索为不锈钢钢索，长度150m。

导航定位用的水下声信标4的设有4个，选用成熟的货架产品ELP362A， 分别安装在矩形的水下平台3的4个角，引导被测的水下航行体1通过光 纤水听器平面阵2的测量区域。

数据采集和传输系统由测量船8的数据采集系统、复合缆绞车、光电 复合缆7组成，光纤水听器平面阵通过光电复合缆与测量船8的数据采集 系统相连，光电复合缆7由复合缆绞车收放，复合缆绞车放置在测量船8 上，水下航行体1在水下声信标4指引下在布有光纤水听器平面阵2下面 的水中航行。数据采集系统选用APP141-02光纤水听器数据采集系统，复 合缆绞车选用成熟商用设备DJ-11/150电动复合缆绞车，光电复合缆7为 专用产品，缆径φ25，光纤单元32芯，电单元4芯，双层钢丝铠装结构。

噪声测量工作过程，首先在预定试验海区进行布锚，将四个锚系6按 150m×50m距离成矩形布放，然后将光纤水听器平面阵2和四个水下声信 标4安装在水下平台3上，并用拖船拖带到试验海区，水下平台3的四个 角分别通过每个锚系6的锚索相连，再用光电复合缆7将水下平台3的光 纤水听器平面阵2和测量船8相连，实际测量作业时，为便于确定沉底布 放的光电复合缆7位置和走向，可在距离测量船附近设一个锚泊浮球9， 将光电复合缆7挂接在锚泊浮球9上；连接完成后，启动水下平台3上的 深度调节装置5，将光纤水听器平面阵2沉放到预定深度，并将姿态调平 到水平位置，然后通知被测的水下航行体1按照水下声信标4指示的方位 航行通过测量区域，完成实航动态全息噪声测量。