矢量传感器多极子化组合前景

杨士莪

(哈尔滨工程大学 水声工程学院,黑龙江 哈尔滨 150001)

矢量传感器多极子化组合前景

杨士莪

(哈尔滨工程大学 水声工程学院,黑龙江 哈尔滨 150001)

本文根据多极子组合所接收的目标信号强弱,各向同性环境噪声强弱,各阵元自噪声的累加效应,以及各阵元间由于入射声波引发的互散射,分析其接收信噪比的变化,从而推断其使用的可能性。

矢量传感器; 多极子组合; 信噪比; 自噪声

作为由水听器和同振式质点振速传感器组合而成的矢量传感器，自二十世纪七十年代问世以来，由于其能实现声压和质点振速的同点测量，且具有宽带一致的“8”字形方向性，有利于低频信号检测，因而很快获得了广泛应用。但为了能利用矢量传感器在尽可能小的尺度上形成阵列，从而获得对低频信号更尖锐的方向性，最方便的办法是将各矢量传感器按需要组成不同阶的多极子[1]。本文的目的，即在于分析不同阶多极子的工作性能，以判定合适的多极子组合选用阶次; 为了讨论上的简明, 除特别标明的情况以外, 将仅限于考虑二维空间环境条件, 这对于在浅海条件下使用低频信号进行工作的情况，具有一定的合理性, 同时这样所获得的规律也有一定的普适性。

图1 矢量传感器方向性图Fig.1 Directional pattern of vector sensor

虽然理论上质点振速传感器应具有“8”字形方向性，相当于一个二极子，但工程上可能制造出的质点振速传感器，不可能具有严格的“8”字形方向性，而将具有如图1所示的水平方向性，这时具有正负相位的两个圆并非相切, 而有少许的相交, 因而其水平方向性将具有式(1)和(2)所给出的形式：

(1)

(2)

(3)

(4)

这时其所接收到的各向同性噪声将比水听器所接收到的噪声小0.425dB, 与三维条件下所得到的结果十分相近, 因此仅考虑二维情况将不至于和实际条件有过大的差异。

(5)

在讨论使用多极子方案组成小型矢量阵时，还应该了解不同阵元间由入射声波引发的互散射，对阵元接收灵敏度所带来的影响。对低频工作环境来说，阵元尺寸将远小于入射声波波长，可将其近似看作半径等于b的小球，这时其散射声场的势函数可近似写为[4]：

(6)

式中：r为接收点与球心距离，ϑ为接收点方向与入射声波方向间夹角。只要各阵元排列不过于紧密r≫b，则其互散射影响可以忽略不计，因而在利用多极子方案组成矢量传感器阵时，需考虑尽量做小传感器尺寸，并合理选择各传感器间距；在当前技术条件下，实现最高不超过五阶多极子矢量传感器阵是完全可能的。

综上，由于矢量传感器各阵元均具有宽带一致的方向性,所以当按照多极子方式组合时,最终形成的基阵也将具有宽带一致的方向性。即或是用在次声频段，整个基阵的尺寸也将远小于通常水听器阵的尺寸，因而更便于安装操作，但其成阵的计算程序，将完全不同于水听器阵的成阵算法，且对其中振速传感器自噪声的要求，也将远高于通常减震用加速度计的自噪声，这是在生产过程中需要特别注意的问题。

[1]YANG Shie. Directional pattern of a cross vector sensor array[J]. The journal of the acoustical society of America, 2012, 131(4): 3484.

[2]孙贵青. 矢量水听器检测技术研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工程大学, 2001.

[3]陈洪娟. 中频小型矢量水听器设计研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工程大学, 2005.

[4]杨士莪. 声学原理概要[M]. 哈尔滨: 哈尔滨工程大学出版社, 2015.

Perspective of multi-pole-forming by vector sensor

YANG Shie

(College of Underwater Engineering，Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)

In this paper, the received signal intensity, noise intensity of isotropic ambient noise, total self-noise, and mutual scattering effect caused by the incident wave of a multi-pole transducer were analyzed. The potential of the applicability of multi-pole-forming was deduced by the value of SNR.

vector sensor；multi-pole transducer；SNR;self-noise

2016-09-19.

时间：2016-12-12.

杨士莪(1931-)，男，教授，博士生导师，中国工程院院士.

杨士莪，E-mail： yangshie@hrbeu.edu.cn.

10.11990/jheu.201609054

TB565

A

1006-7043(2017)01-0101-02

杨士莪. 矢量传感器多极子化组合前景[J]. 哈尔滨工程大学学报， 2017, 38(1): 102-103. YANG Shie. Perspective of multi-pole-forming by vector sensor[J]. Journal of Harbin Engineering University,2017, 38(1): 102-103.

网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1390.u.20161212.1631.026.html