1、本科毕业论文（20 届）声学渔探仪设计 所在学院 专业班级 海洋科学 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 摘要传统的渔探仪即主动式渔探仪的实质是主动式声纳系统，它存在着体积庞大、造价高以及操作复杂等缺点，为了解决这些问题，将现已发展成熟的矢量水听器加入到渔探仪中产生被动式渔探仪。利用矢量水听器可以同时、共点测量空间点上的振速和声压信息，然后从中提取我们所需的信号，采用最大似然比检测，通过与已知的目标特征进行比较，从而能够得到待识别的鱼群的种类。本文将分析被动式渔探仪相对于主动式渔探仪而言，其具有的优点以及具有这些优点的原因。随着海洋噪声环境的恶化，矢量水听器从复杂的噪声场中检测出
2、是否含有我们所需要的信号，即鱼群信号变得越来越困难，因而需要对系统进行优化，采用矢量水听器组成垂直阵列来提高性噪比，有效屏蔽一部分环境噪声，从而提高了矢量水听器的检测能力。关键词：主动式渔探仪；被动式渔探仪；矢量水听器；目标识别；系统优化3AbstractThe traditional fishery detector in other words is active fishery detector.The substance of active fishery detector is active sonar system ,which there is a large volume, h
3、igh cost and complex operation and other shortcomings.In order to solve these problems,we apply passive sonar technology to the fishery detector prodcuing passive fishery detector. Hydrophone can be used simultaneously, concurrent measurements of space points and sound pressure on the velocity infor
4、mation, and then extract the signal we need, using the maximum likelihood ratio test, with the known target features were compared, which can are the types of fish to be identified. This paper will analyze passive sounder with respect to fisheries and fisheries sounder active, its advantages and wit
5、h reason with these advantages. With the deterioration of the marine environment, noise, vector hydrophone noise field from the complex detected in the presence of what we need to signal that the fish signal becomes increasingly difficult, and therefore the need to optimize the system, using vector
6、hydrophone array of devices to improve the composition of the vertical noise ratio, the effective shielding part of the environmental noise, thus improving the detection of vector sensor capabilities.Key words: active fishery detector; passive fishery detector; hydrophone;target recognition;system o
7、ptimization.4目 录摘要 .2Abstract .31 绪论 .11.1 鱼探仪的简要介绍 .11.2 鱼探仪的发展历程 .11.3 矢量水听器目前发展情况 .22 渔探仪的结构设计 .42.1 理论基础及设计方案 .42.2 矢量水听器的结构与选择 .62.3 信号放大及处理 .82.3.1 信号放大及调理部分的具体作用 .82.3.2 低噪声前置放大器 .82.3.3 抗混带通滤波器 .82.3.4 可变增益放大器 .92.3.5 渔探仪的数据采集 .102.4 渔探仪的目标识别信号处理 .103 被动式渔探仪系统优化 .123.1 矢量水听器噪声来源 .123.2 系统优化
8、.124 总结 .13参考文献 .1411 绪论1.1 鱼探仪的简要介绍鱼探仪又称为渔用声纳 1,是目前在渔业生产领域中应用较广的水声助渔仪器。它是将声纳技术应用到渔业上用来探测鱼群的仪器，传统的渔探仪是利用声波在水下传播特性，通过电声转换和信号处理，来完成水下目标探测的设备。在渔业研究和休闲钓鱼方面，渔探仪用于探测鱼群的地位显得越来越重要，传统的渔探仪是根据已经研究得到的不同鱼的声学模型和试验统计数据,给出特定鱼种的统计模型后，然后将鱼探仪探测得到的数据与统计模型进行比较,就可以比较准确知道鱼的位置和大小。渔探仪的优点是探测时基本不会干扰所研究鱼种的自然状态。本课题的主要任务是完成渔探仪系统
9、的设计，拟从被动式鱼探仪的角度出发设计声学渔探仪。1.2 鱼探仪的发展历程第 二 次 世 界 大 战 时 ， 装 有 军 用 声 纳 的 驱 潜 舰 有 时 把 鱼 群 误 认 为 潜 水 艇 加 以 攻击 ， 这 就 引 起 人 们 对 声 纳 探 鱼 的 兴 趣 。 战 后 ， 一 些 国 家 借 用 装 有 声 纳 的 军 舰 进 行了 探 鱼 研 究 2。 50年 代 初 ， 挪 威 开 始 建 造 专 门 用 来 探 鱼 的 单 波 束 机 械 扫 描 声 纳 ；60年 代 ， 声 纳 已 成 为 围 网 渔 船 和 中 层 拖 网 渔 船 上 的 重 要 装 备 。 1959年 研
10、 制 成 功了 可 以 发 射 高 低 两 种 频 率 的 双 频 渔 探 仪 ， 从 而 可 对 水 下 探 测 的 深 度 和 范 围 进 行 细致 调 节 。 中 国 从 60年 代 开 始 研 制 单 波 束 渔 用 声 纳 ， 70年 代 研 制 多 波 束 电 子 扫 描声 纳 ， 并 在 围 网 渔 船 上 装 备 使 用 。 80年代以前的渔探仪在利用声波探测仪，由于采用模拟技术，发射和接受的参数均将半量程时的数据作为该量程的标准参数进行预置，属于固定参数式，因此很难保证在整个量程范围内都能实现比较理想的探测和显示。鱼群和大鱼难以区分，尤其是在噪声杂波多的水面附近和具有强回波海
11、底附件时，要准确无误地判断鱼情更是难上加难。以英国雷松公司为代表的渔用系统开发商在90年代的中后期，开始着手研究将数字处理模块加入渔探仪中 3，研发了另一种类型的渔探仪系统，这种类型的渔探仪解决了先前的各种难题，并自动地调2整脉冲重复频率、接受宽带、接受增益、颜色增益等参数，使水下鱼情和海底状况能够真实展现在我们面前。从上面的分析可以看到，这两代渔探仪都属于传统的渔探仪。传统的渔探仪实质上是主动声纳系统，缺点是成本高、设备复杂，作用距离近。为了提高渔探仪探测距离、降低渔探仪成本使其普及化、简化设备 4，将被动式声纳技术应用于渔探仪系统。被动式渔探仪的基本原理是被动式声纳，即没有发射转换器，而是
12、直接利用矢量水听器接收测量范围的质点的声压和振速信息，然后对声压和振速经过一系列处理，从而对信号的声能流值进行最大似然比检测，在最大似然比检测的基础上声源的方位角进行估计，获得方位角的最大似然估计值。随着国民经济的发展，人们对海洋资源的需求日益增加，渔业资源的开发越来越受到重视。又因为声波在水中的传播损失比电磁波和光波小又不易受低频噪音干扰，是水下探测和传输的首选。渔探仪安装在船上，在船航行时利用声波探测鱼群的有无、位置、大小、种类。充分合理利用渔探声纳技术逐渐成为人们的共识。1.3 矢量水听器目前发展情况矢量水听器是接收换能器的一种，是由传统的声压水听器和质点振速水听器复合而成，可以同步、共
13、点测量声场空间一点处地声压和质点振速的三个正交分量。作为声纳的关键部件，自从水听器正式进入应用领域以来，尤其是二战期间水听器的优良表现促使各国纷纷开始了水听器的研究。测量质点振速最早、最简单的方法是“瑞丽盘“，但不实用。1942 年美国贝尔实验室 4在电动换能器基础上设计制作的 BTL-1A 型振速水听器是历史上第一只真正意义上直接测量水中质点振速的传感器，但其灵敏度很低，约为-240dB，且寄存谐振。此后，CBS 实验室的 B.B.Bauer和美国海军军械研究所（NOL）的 Leslie 制作了类似的动圈式振速水听器，并且后者将灵敏度提高到-210-220dB。因此声场中某点位移、振速、加速
14、度或声压梯度之间存在换算关系，所以知其一便可推的其他参数，因此质点振速的测量也可以转化为加速度或声压梯度的测量。由此，美国海军的大卫泰勒船模水池实验室研制出基于加速度计工作的矢量水听器；与此同时，前苏联于 20 世纪 50 年代在莫斯科大学3的物理系教研室也发展了矢量水听器技术及理论的研究，到 1975 年前苏联已经创立了专门生产矢量水听器的机构及基于矢量水听器的测量装置、测量方法和测量的理论基础。目前，在矢量水听器的研究应用方面，美国和俄罗斯仍处于领先地位，其应用技术已成熟并进入工程应用阶段。20 世纪 50 年代中期美国就研制成功了第一代基于矢量传感器的无线电声呐浮标系统 AN/SSQ-5
15、3（后来在此基础上发展成为“DIFAR”系统） ，其中采用的矢量水听器为美国海军研究实验室研制成功的 SV1 和SV2 两种型号的振速传感器，以后又相继研制了其改进姓 AN/SSQ-62 和 AN/SSQ-77B。 20 世纪 80 年代末美国 SCRIPPS 海洋技术研究所利用矢量水听器准基阵SWALLOW 浮标系统在加利福尼亚海域进行了一系列试验，该基阵由八个阵元组成，以等间距垂直布放，工作深度为 400-1300m，分析频带 0.6-20Hz，结果表明，对于舰船辐射射声的次声分量，声强信噪比的增益比单纯的声压测量高 3-6dB。与此同时，1983 年，前苏联也研制成功了矢量传感器低噪声测
16、量系统 CTAC-429；俄罗斯太平洋海洋技术研究所在 20 世纪 80 年代末、90 年代初这段时间内，利用矢量水听器浮标系统在日本海，库页海、勘察加半岛附近海域以及南中国海等处进行了大量的试验，分析的频带多在 101000Hz 范围内，研究结果表明，与单只声压水听器相比声强的信噪比可以提高约 1020dB，为矢量水听器的工程应用提供了有利的数据。国内矢量水听器技术近年来亦有长足进步。20 世纪 80 年代哈尔滨船舶工程学院研制了国内最早的压力梯度振速传感器。在 20 世纪末哈尔滨工程大学贾志富研究员研制了国内最早的同振型矢量水听器，声压和三维振速传感器已组装成一体。其后，如雨后春笋，许多水
17、声研究单位研制了多种矢量水听器。国内外的研究表明，矢量水听器由于体积小、重量轻、布放方便, 特别适合于声呐浮标的要求, 是解决低频辐射噪声测试问题的有效途径之一。在拖线阵使用矢量水听器可以改善拖线阵的噪声抑制能力 5，解决在主动式渔探仪中存在的左右舷模糊问题，大大地提高了目标定位的精度。美国在 SURTASS 系统中应用矢量水听器, 解决了存在在主动式渔探仪中左右舷模糊问题,同时，前苏联利用研制出来的矢4量水听器拖线阵, 很好地研究了矢量水听器拖曳速度、拖线阵的姿态和流噪声对矢量水听器检测性能的影响等。52 渔探仪的结构设计2.1 理论基础及设计方案本文中被动式渔探仪的接受水听器采用矢量水听器
18、，其系统总体设计初步方案图如图2所示。本系统先有矢量水听器接受到特定海域内的各类信号及噪声，再经过低噪声前置放大器将接受到的各类信号放大。放大的后的信号再通过抗混带通滤波器，而滤波器只能允许一段频段内的信号通过，而将其他频段的信号排除或者抑制，这样大大减少了海底中的各类噪声。选取出来的信号是连续信号，经过可变增益放大器后，就变成离散的数字信号。最后根据提取出来的特征，通过与已知的目标特征比较来判定是否是目标以及判定是哪种目标。在水声学的领域，传感器又叫换能器，接受换能器主要包括标量传感器和矢量传感器，亦称标量水听器和矢量水听器。在测量过程中，采用传统的标量水听器只能检测到声场中的标量参数，而新
19、型的矢量水听器可测量声场中的矢量参数，获得声场中的矢量信息，对鱼探仪的功能的扩展和完善有着积极的意义。矢量水听器是在传统无指向性的声压水听器的基础上发展而来的，标量“声压”只表征空间点的动态压力的大小，而矢量表征了媒质质点在声场作用下以怎样的速度或者加速度运动而又朝什么方向运动的，换句话说，矢量水听器使得我们能够了解到声波能量流来自哪个方向或者朝哪个方向传递着。矢量水听器可以同时、共点测量到空间点上的声压p（t）和振速v（t），在相空间点上可以处理pp 2v v2p,vv，pvp,pvp,v 2p,v,pv,其中v是振速，p是声压，pv是声强，p 2为势能，而v 2 是动能，由此可见与主动式渔
20、探仪相比，被动式渔探仪中的矢量水听器能够获得比之更多的声场信息。由于声纳系统环境的不断恶化，因而我们需要减振降噪技术的发展，主动式渔探仪中采用传统的辐射噪声测量技术，即采用多个声压水听器或者多个声压水听器6构成的水听器列阵，但是由声压水听器构成的声压列阵存在着许多无法克服的问题，如在低频的情况下，如果使用声压水听器列阵来获得比较客观的空间增益同时保持一定的束宽，那么所需要的声压列阵一般体积都是很庞大的，给安装带来很大的麻烦；如果追求体积小型化，那么就需要减少阵元的个数，但是当阵元的个数减少时，检测低噪声目标就会存在一定的困难；另外，声压阵对目标定向存在左右舷模糊问题，要想解决这个问题，只能将线
21、阵换转90 0，对目标进行两次定向，这不仅给实际操作带来很多麻烦，而且经过线阵调整后，需要一定时间稳定，但是这段时间内很容易丢失快速运动的目标。而矢量水听器将声压和振速结合为一个整体，这样可以获得声场中的多种信息，拓宽了后置信号处理空间，同时它又具有良好的低频指向性和抑制各向同性噪声的特点，因而它在工程上的应用为声压阵存在的上述问题提供了很好的解决法。另外被动式渔探仪还有一个优点。主动式渔探仪是由换能器发射声波，在海水中遇到目标，发射散射或者发射，换能器接受目标的回波，被动式渔探仪的系统中是没有发射传播器的，只是用矢量水听器来听取海水能发出声音的目标发出的声波，以此来判断目标鱼群方向和距离。而声波在海水中的传播是有一定的损失的，被动式渔探仪就能很好的减少了这部分的损失，提高了系统的性能。传播损失TL可由下列经验公式计算获得 6：式中r为目标传播距离，为海水吸收系数（dB/m），f为目标频率（kHz）。Thorp早在1967年就建立了计算海水吸收系数的经验公式，不过它只适用于50kHz以下的频率： 220.14.936ffFrancois和Garrison在1982年也建立了海水吸收系数的公式，这个公式的适用频率广，适合计算几百kHz及以上的声波的水吸收系数，最适合用于高频声纳的模拟：in salt water1232AfPfAin fresh water3f
