基于频偏应答的ADCP流速现场校准方法研究

针对声学多普勒流速剖面仪(ADCP)现场校准困难的问题,介绍了一种基于频偏应答的ADCP流速现场校准方法。通过声信号应答器,设置回发信号相对于发射信号的频偏实现速度矢量的模拟,并以频率为溯源量,对ADCP发射的信号及应答器回发频偏信号进行频率校准,进而实现ADCP流速参数的现场校准。研制了一套基于频偏应答的ADCP流速现场校准装置,在实验室消声水池条件下,以四波束300kHz ADCP为校准对象,开展了1～2m/s的流速校准实验,进行不确定度分析。结果表明,该装置对流速校准的不确定度达到1％模拟流速＋7mm/s,验证了该校准方法的可行性。     

基于甚低频水听器的涌潮检测研究

为了有效解决涌潮检测中甚低频信号存在失真的问题,设计了一种基于普通水听器的甚低频前置放大电路,其在0.01Hz~10Hz频段内有稳定的频率响应,装配至水听器测试灵敏度为-169dB。提出一种基于甚低频水听器检测涌潮水压的方法,与检测水位跃变作为涌潮判断标准的方法相比,具有实时性、全天候和低成本等优点。在钱塘江之江大桥进行涌潮检测,实验结果表明：涌潮到达前3min,水听器有明显能量接收变化;对涌潮潮位进行动态测量,潮位测量时差在30s以内,测量结果与江潮预报结果趋势吻合。     

基于FPGA的低噪声高保真数字水听器设计

为满足水下微弱声信号的检测需求,并针对现有水听器通带内灵敏度起伏较大的问题,设计了一款新型的集水声数据采集、传输、存储为一体的低噪声、高保真数字水听器。通过对关键器件的选型和电路设计实现了系统的低噪声、高采样精度和高动态范围。采用低功耗的FPGA作为逻辑控制芯片实现了水声信号的采集、传输和存储之间时序控制。基于FPGA并行结构和专用的硬件资源,运用数字均衡算法实现了通带内灵敏度的修正。实验测试表明,在不同的放大倍数下,数字水听器的采样误差均小于1%,在50kHz测量带宽内,带内噪声小于10μVrms,动态范围为118dB,综合性能优于现有的数字水听器,经数字均衡算法修正后水听器灵敏度基本维持在-191.5dB附近,浮动小于±0.8dB。     

基于超声相控技术的船舶吃水测量方法

为了解决内河船舶因超吃水引起的通航阻塞以及船舶安全问题,提出一种基于超声相控技术的船舶吃水测量方法。以超声相控技术为理论基础,通过控制一维线型超声相控阵列换能器发射聚焦声波,实现对目标船舶的相控扫描,获取各扫描点的回波信号;利用匹配滤波算法对回波信号进行滤波,改善信噪比;利用阈值法提取回波信号的时延;利用渡越时间法,计算出扫描点到各发射振元中心的距离,利用双曲交汇法计算出扫描点的空间坐标;分析回波信号幅值和扫描点位置坐标即可得到船舶吃水深度。为验证方法的可靠性,搭建了小比尺船模吃水测量实验系统,分析了110~140 mm不同吃水深度下的实验结果,计算了实际吃水与测量吃水间的相对误差。实验结果表明,使用匹配滤波法处理后的回波信号信噪比从15.26 dB提高至36.39 dB,实验时,最大相对误差出现在船舶实际吃水130 mm时,绝对误差为2.3 mm,相对误差为1.7%。     

基于溢流环换能器液腔的水听器校准系统

针对溢流环换能器液腔振动表现出的优秀低频特性,提出利用溢流环换能器液腔内部声场进行低频校准的校准方法。首先分析了溢流环换能器液腔特性,并在现有刚性罐体的基础上,构造出了一套无须激振台,以溢流环换能器为低频声源,溢流环换能器液腔为两端开口振动液柱的低频比较法校准系统。通过实验测量确定了液柱高度为15 cm处的圆心位置为最佳的比较法测量点,实验测试该点在100~1400 Hz频段的径向声压变化不超过5%。对Ф20 mm球型水听器进行比较法测量,在100~1000 Hz频段的测量结果与标准校准结果最大偏差为0.8 dB,测量不确定度为1 dB。结果表明,以溢流环液腔为基础构造的低频校准系统是可行的。     

基于近场声全息的高频换能器阵列声场测量方法

在二维平面声压构建技术理论基础上,结合空间傅里叶变换的近场声全息技术,提出一种高测量效率的声场测量方法。以由4个压电元件所构成的矩形活塞换能器阵列为测量对象,进行声场仿真和实验测量,验证该测量方法的测量精度与效率。结果表明,该方法相比面扫描法测量效率提高了560倍,相比积分法计算速度提高两倍,可有效应用于高频换能器阵列的声场测量。     

管道微小泄漏检测数据采集系统的设计

针对输油管道微小泄漏检测的特殊需求,以一种球形内检测器为载体,设计并实现了一套多传感器数据同步采集与存储系统,采用嵌入式ARM-Linux的方案。详细论述了该系统的整体结构、工作原理、硬件组成、软件设计等,并实验验证了该系统能准确地采集并保存所需要的信号,为后续准确识别和精确定位微小泄漏提供可靠的原始数据支持。     

基于 FPGA 的多波束声纳发射机与 接收机模块化设计

为了满足多波束声纳系统中高声源级发射与多通道低噪声采集的需求,同时为了提高发射机与接收机的可扩展性,提出了一种高压脉冲发射模块以及一种多通道TVG(time variation of gain)采集模块的设计方法,并且采用FPGA作为逻辑控制芯片,在FPGA内规划了发射模块与采集模块的触发时序。根据千兆以太网的传输带宽,设计了IP报文的数据格式,分析了数据传输路径,实现了实时数据采集。实验测试表明,在100 kHz工作频率下时,发射模块的声源级达到了200 dB,采集模块的本底噪声小于4μVrms,幅度一致性偏差为-6.94 dB,相位一致性偏差为0.25°。     

基于近场声全息的重建算法分析与研究

针对声全息算法种类繁多及应用场合不同需求,通过有限元仿真和数值仿真相结合,对基于傅里叶变换、统计最优和等效源3种算法进行分析,寻找声源频率、重建距离、采样间距及正则化方法对重建精度的影响,并对其计算效率进行对比。在开阔水域进行实验验证。结果表明:随着声源频率增大,重建距离增加,采样点数减少,声全息算法的重建精度逐渐降低。在低频区域,结合L-曲线正则化法的统计最优近场声全息具有最佳的声场重建效果;基于等效源法的声全息重建精度最高,但容易产生虚像;基于傅里叶变换的声全息算法受重建距离影响严重,但重建速度优异,且声源定位准确。     

球形内检测器在海底立管内通过性仿真研究

球形内检测器能准确地检测和定位海底管道微小泄漏,为实现其对微小泄漏的检测和定位,必须保证球形内检测器顺利通过海底管道立管段。应用标准[k-ε]双方程模型和流体计算软件Fluent 14.0,对实验平台立管道内模型球周围流场进行三维数值仿真,并计算模型球通过立管段的临界速度。该速度与实验数据很好吻合,验证了仿真方法的正确性。基于此仿真方法,预测球形内检测器在实际海底管道立管段内的通过性并分析其通过性影响因素。得出结论：球管径比（球体直径与管道直径的比值）是一个很重要的参数,球管径比大于等于73%时,球形内检测器在流速为0.8~1.2 m/s的正常工况下能顺利通过海底管道立管段。