2021年參量陣淺剖儀及其信號(hào)預(yù)處理方法的創(chuàng)新分析論文

1、參量陣淺剖儀及其信號(hào)預(yù)處理方法的創(chuàng)新分析論文 摘 要： 非線性聲學(xué)參量陣?yán)寐暡▊鞑サ姆蔷€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(duì)于淺地層信息探測(cè)具有重要意義。利用Berktay非線性自解調(diào)參量陣原理設(shè)計(jì)一款參量陣淺地層剖面儀，并針對(duì)參量陣差頻轉(zhuǎn)換效率較低的缺點(diǎn)研究了 _預(yù)處理方法，經(jīng)過(guò)Matlab仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證， _預(yù)處理方法可以改善差頻轉(zhuǎn)換性能。 關(guān)鍵詞： 管線探測(cè)； 參量陣淺剖儀； _預(yù)處理方法； 差頻轉(zhuǎn)換效率 ： TN911.7?34 ： A ： 1004?373X（xx）09?0047?04 Abstract： Nonlinear principle of acou

2、stic wave propagation is applied to the nonlinear acoustic parametric array， and the high directivity low frequency sound wave is obtained by a s _ll size transdu _r. Low frequency sound wave is great significan _ for shallow stratum infor _tion detection. A parametric array sub?bottom profiler is d

3、esigned with Berktay nonlinear self?demodulation parametric array principle， and the signal prepro _ssing method is stu _d to improve the disadvantage of low parametric array differen _ frequency conversion efficiency. The Matlab simulation experiments prove that the perfor _n _ of differen _ freque

4、ncy conversion is improved by the signal prepro _ssing method. Keywords： pipeline detection； parametric array sub?bottom profiler； signal prepro _ssing method； differen _ frequency conversion efficiency 伴隨我國(guó)對(duì)海洋資源的日漸渴求，海洋工程建設(shè)與日俱增，用于資源輸送的掩埋管線的架設(shè)與維護(hù)依賴于對(duì)海底淺地層信息的探測(cè)?；诰€性聲學(xué)原理的傳統(tǒng)地質(zhì)探測(cè)，聲納采用較低的工作頻率，一方面減少海水對(duì)聲波的

5、吸收；另一方面使低頻聲波穿透海底沉積層，并達(dá)到一定的深度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)淺地層信息的探測(cè)。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?yàn)閷挷ㄊ斐傻膫?cè)向回波與正向回波時(shí)延相差很大，使得界面混響大幅度降低了設(shè)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(huì)十分龐大，工程應(yīng)用十分不便。 非線性聲學(xué)參量陣?yán)寐暡▊鞑サ姆蔷€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(duì)帶寬展寬的特點(diǎn)，非常適合于海底沉積層結(jié)構(gòu)和淺地層掩埋管線的探測(cè)。鑒于非線性聲學(xué)參量陣的優(yōu)點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了一款用于海底淺地層掩埋管線探測(cè)的參量陣淺剖儀。雖然聲學(xué)參量陣

6、具有諸多優(yōu)點(diǎn)，卻是以犧牲發(fā)射功率為代價(jià)，以很低的差頻轉(zhuǎn)換效率得到高指向性低頻聲波，所以，本文通過(guò)研究發(fā)射 _的預(yù)處理方法來(lái)提高參量陣的差頻轉(zhuǎn)換效率。 1.1 非線性聲學(xué)參量陣 在介質(zhì)中，由換能器發(fā)射兩個(gè)頻率較為接近的共軸高頻聲波，分別為和（假定），稱為原頻（Pri _ry 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(chǎn)生了差頻為的低頻聲波（Differen _ Frequency），對(duì)于共軸的高頻原頻波，差頻波如同一個(gè)沿原頻波軸向連續(xù)分布的虛源線陣，其陣長(zhǎng)決定于介質(zhì)對(duì)原頻波和差頻波的吸收。 1.2 Berktay寬帶自解調(diào)參量陣 Westervelt提出的線源參量陣

7、理論是考慮兩個(gè)單獨(dú)的高頻原頻波產(chǎn)生的差頻 _，Berktay在其基礎(chǔ)上對(duì)寬帶 _作為原頻波的情況進(jìn)行研究，提出寬帶自解調(diào)參量陣，即使用幅度調(diào)制的原頻波來(lái)產(chǎn)生差頻 _。 實(shí)際的參量陣聲納制作不會(huì)采用Westervelt線源雙頻參量陣發(fā)射兩個(gè)雙頻 _，本文利用Berktay寬帶自解調(diào)參量陣?yán)碚摚O(shè)計(jì)一款參量陣淺剖儀。從式（6）結(jié)論可知，合適的包絡(luò) _對(duì)獲得的差頻聲壓大小有顯著影響。 本文設(shè)計(jì)的參量陣淺剖儀由干端和濕端兩部分組成。濕端由嵌入式 _處理機(jī)（DSP）、原頻發(fā)射機(jī)、原頻接收機(jī)、差頻接收機(jī)及收發(fā)合置換能器組成。干端由顯示控制計(jì)算機(jī)和48 V直流穩(wěn)壓電源組成。干端、濕端通過(guò)以太 _信，由水密電

8、纜相連。 系統(tǒng)初始化后，由計(jì)算機(jī)控制嵌入式 _處理機(jī)產(chǎn)生調(diào)制原頻波 _，經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)后直接驅(qū)動(dòng)功率放大器，再由輸出變壓器輸出至匹配電路，為保證差頻 _有足夠的帶寬，匹配電路具有寬帶特性及在帶寬內(nèi)平坦響應(yīng)，通過(guò)收發(fā)合置換能器輻射原頻波。 原頻通道既具有測(cè)深功能，又是差頻通道TVG補(bǔ)償?shù)囊粋€(gè)重要起始時(shí)間點(diǎn)，通道最大增益為80 dB；具有TVG控制。差頻接收通道采取無(wú)源低通濾波，對(duì)原頻的衰減需大于80 dB。差頻通道的無(wú)源濾波是為了充分濾除原頻 _，避免原頻 _在接收機(jī)中由于電路的非線性而產(chǎn)生差頻 _而引起的干擾；通道最大增益為110 dB，具有TVG控制。 _處理機(jī)以TMS320F28335為核心，負(fù)

9、責(zé)發(fā)射 _形成、原頻 _處理及差頻 _處理，將處理結(jié)果通過(guò)以太網(wǎng)發(fā)送至干端的顯示控制計(jì)算機(jī)，原頻 _采用帶通采樣，差頻 _通過(guò)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(jìn)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(cè) _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(chǎn)生，發(fā)射機(jī)直接由48 V供電。發(fā)射機(jī)發(fā)射時(shí)的瞬時(shí)能量由儲(chǔ)能電容供給。 利用單邊帶調(diào)幅調(diào)制原頻波自解調(diào)到的差頻波比雙邊帶調(diào)制節(jié)約了帶寬，顯著節(jié)省了功率，不存在諧波失真，

10、提高了轉(zhuǎn)換效率，與平方根法相比工程容易實(shí)現(xiàn)。 通過(guò)分析三種方法自解調(diào)產(chǎn)生的差頻聲壓可知： （1） 平方根法以最低的調(diào)制 _強(qiáng)度產(chǎn)生了與其他兩種方法同數(shù)量級(jí)的差頻聲壓強(qiáng)度，但是平方根法工程物理實(shí)現(xiàn)困難。 （2） 從圖4與圖6的對(duì)比，可知同數(shù)量級(jí)的調(diào)制 _強(qiáng)度，雙邊帶調(diào)制法產(chǎn)生的差頻聲壓是單邊帶調(diào)制法的100倍，但從式（9）可以看出，雙邊帶調(diào)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1500的關(guān)系，所以單邊帶調(diào)制法產(chǎn)生的差頻波強(qiáng)度約為雙邊帶 調(diào)制法的5倍。 綜上所述，可以通過(guò)單邊帶調(diào)制法提高參量陣淺剖儀的差頻轉(zhuǎn)換效率，節(jié)約功率和帶寬。 非線性聲學(xué)參量陣?yán)寐暡▊鞑サ姆蔷€性原理，能在小換能器

11、尺寸下得到高指向性的低頻聲波，本文利用Berktay寬帶自解調(diào)參量陣原理設(shè)計(jì)了一款參量陣淺地層剖面儀，針對(duì)參量陣淺剖儀差頻轉(zhuǎn)換效率較低的缺點(diǎn)，提出了通過(guò) _預(yù)處理方法提高差頻轉(zhuǎn)換效率，節(jié)約功率和帶寬，對(duì)改善淺剖儀性能具有指導(dǎo)意義，參量陣淺剖儀輕便實(shí)用，具有重要的工程意義。 李頌文.參量陣及其在水聲工程中的應(yīng)用進(jìn)展.聲學(xué)技術(shù)，xx，30（1）：13?14. LOUBET G， VIAL F， ESSEBBAR A， et al. Parametric tran _ission of wide?band signals / Conferen _ Pro _edings on OCEANS 96 M

12、TS/ IEEE： Prospects for the 21st Century. Fort Lauderdale： IEEE， 1996， 2： 839?844. 劉圣軍.聲學(xué)參量陣技術(shù)研究.長(zhǎng)沙：國(guó)防科技大學(xué)，xx. WESTERVELT P J. Parametric acoustic array . The Journal of the Acoustical Society of America， 1963， 35（4）： 536?540. 欒桂冬.壓電換能器和換能器陣.北京：北京大學(xué)出版社，1990. 錢祖文.非線性聲學(xué).北京：科學(xué)出版社，1992. BERKTAY H O. Farfield perfor _n _ of parametric tran _i