海洋背景噪声声压信号监测设备的利记博彩app

文档序号:5980499阅读:244来源:国知局
专利名称:海洋背景噪声声压信号监测设备的利记博彩app
技术领域
本实用新型属于水下监测装置技术领域,具体地说,是涉及一种用于对海洋的背景噪声进行声压信号监测的设备。
背景技术
研究海洋背景噪声场的特性与模型,可以反演海洋的运动过程,了解海洋动物的行为,进而有助于进行水下目标的识别、声纳性能的评估以及水声对抗的研究。随着现代工业生产、海洋航运以及渔业的发展,海洋背景噪声的特性变得更加复杂,这也对海洋噪声的监测提出了更高的要求。传统用于检测水下噪声的声压监测装置多以压电式、电容式、磁电式测量原理为主,存在非线性、带宽窄、尤其在低频段信号灵敏度下降快等缺点。而低频段是现代海洋背景噪声与目标识别研究领域的主要频段,因而采用现有的声压监测装置并不能很好地满足海洋背景噪声声压强度的准确监测要求。
发明内容本实用新型基于激光干涉原理,提出了一种海洋背景噪声声压信号监测设备,以提高对海洋背景噪声声压信号的检测精度。为了解决上述技术问题,本实用新型采用以下技术方案予以实现一种海洋背景噪声声压信号监测设备,包括壳体以及设置于壳体中的光路系统、控制系统和供电系统;所述壳体的左侧或者右侧开口,在所述开口处安装有一带反射面的振动片,通过所述振动片与壳体形成一个密闭的腔室,且振动片的反射面朝向腔室内;在所述腔室内设置有一带透视窗的隔板,将腔室分隔成左右两部分,其中振动片所在的腔室为气室,通过管路与位于壳体外部的气囊连通,另外一个腔室为器件室,布设所述的控制系统、供电系统以及光路系统中的激光器、半透射半反射的分光镜、平面反射镜和光电接收器;所述激光器发射激光射向所述的分光镜,通过所述分光镜反射形成一路光束作为参考臂射向所述的平面反射镜,透射形成另一路光束作为测量臂穿过所述的透视窗射向振动片的反射面;通过所述平面反射镜和振动片反射的两路光束经由分光镜形成干涉后射入所述的光电接收器,进而通过光电接收器生成电流输出信号传输至控制系统中的控制器;在所述控制系统中还包含有压电陶瓷,安装在所述的平面反射镜上,接收控制器输出的电压信号,利用自身形变带动平面反射镜移动。优选的,在所述平面反射镜上优选安装两个压电陶瓷,一个接收控制器输出的调制信号,以用于判断振动片的形变方向;另一个接收控制器输出的补偿电压,以跟踪振动片的形变量。进一步的,所述的两个压电陶瓷按照同一极化方向对接粘合在一起,安装在所述平面反射镜的背面。优选的,在所述控制器中包括A/D转换器、D/A转换器和CPU,所述光电接收器输出的电流输出信号经A/D转换器变换为数字信号后传输至所述的CPU ;所述CPU通过D/A转换器输出电压信号至所述的压电陶瓷。又进一步的,在所述管路中安装有一电磁阀,接收控制器输出的开关控制信号,在设备下水后,通过控制器控制电磁阀打开,保持气室内的压力与外界水压一致。优选的,所述透视窗优选采用平面玻璃安装在所述隔板上。为了减小整个监测设备的体积,在所述光路系统中还包含有三个倾斜布设的反射镜,在所述器件室中,上方位置安装第一反射镜和所述的激光器,中间位置安装第二反射镜和所述的分光镜,所述第二反射镜与振动片分设在分光镜的左右两侧,下方位置安装第三反射镜和所述的平面反射镜;所述激光器沿水平方向发射激光,以45°入射角射入第一反射镜,反射形成垂直方向的光束以45°入射角射入第二反射镜,进而经由第二反射镜反射 形成水平方向的光束以45°入射角射入分光镜,通过分光镜反射形成垂直方向的第一段参考臂光束以45°入射角射入第三反射镜,进而经由第三反射镜反射形成水平方向的第二段参考臂光束射向垂直布设的平面反射镜;所述光电接收器布设在分光镜的上方,接收两束垂直入射的光线。为了便于干涉图样的采集,在所述第二反射镜与分光镜之间还设置有一扩束器,通过所述扩束器对激光器发出的激光光束的直径进行扩大。再进一步的,在所述器件室内还设置有通信系统,连接所述的控制器,将控制器计算生成的检测结果上传至上位机进行显示和存储。优选的,所述通信系统优选通过通讯线缆与上位机连接通信。与现有技术相比,本实用新型的优点和积极效果是本实用新型的海洋背景噪声声压信号监测设备利用迈克尔逊干涉原理进行光路系统的结构设计,通过振动片感应海洋背景噪声的振动,进而使作为测量臂的光束长度发生变化,由此来改变通过分光镜反射和透射出的两束光线所形成的干涉条纹,由此便可以通过检测干涉条纹的变化间接地计算出海洋背景噪声的振幅,并可以进一步通过调节参考臂的距离来对计算出的振幅进行补偿,以获得更为精确的声压大小。由此设计的监测设备精度高、线性度好,在O-IOKHz范围内特别是在低频段信号无衰减,具有良好的频率响应特性,且该监测设备性能稳定,测量精度受设备中器件灵敏度的影响较小,易于实现制造集成。结合附图阅读本实用新型实施方式的详细描述后,本实用新型的其他特点和优点将变得更加清楚。

图I是本实用新型所提出的海洋背景噪声声压信号监测设备的整体结构示意图;图2是图I中光路系统和控制系统的设计原理示意图;图3是光路系统在声压监测设备壳体中的一种实施例的布设结构示意图;图4是中心为亮斑的干涉图样示意图;图5是振动片处于初始状态时干涉条纹的位移波形与电流输出信号的合成坐标图;图6是振动片内移时干涉条纹的位移波形与电流输出信号的合成坐标图;图7是振动片外移时干涉条纹的位移波形与电流输出信号的合成坐标图。
具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的具体实施方式
作进一步详细地说明。本实用新型的海洋背景噪声声压信号监测设备基于迈克尔逊干涉原理设计而成,采用补偿的方法监测海洋背景噪声的声压,在灵敏度、稳定性、频率响应能力特别是低频段的信号响应能力方面优于目前采用压电式、电容式、磁电式测量原理设计的声压监测设备。下面通过一个具体的实施例,来详细阐述所述海洋背景噪声声压信号监测设备的具体组建结构及其工作原理。实施例一,参见图 I所示,本实施例的海洋背景噪声声压信号监测设备主要由壳体2以及设置在所述壳体2中的光路系统、控制系统、供电系统和通信系统等部分组成。其中,供电系统用于为所述的光路系统、控制系统和通信系统提供工作电压;通信系统连接所述的控制系统,将控制系统计算生成的海洋背景噪声的声压上传至岸上的上位机,通过上位机向工作人员实时显示监测数据,并完成监测数据的长期连续保存,以方便研究人员随时调取进行海洋环境的研究和分析。在本实施例中,所述通信系统与上位机之间优选采用有线信号传输方式通过通信线缆连接通讯。所述通信线缆可以与用于下放声压监测设备的绳索整合设计在一起,同绳索一起随所述声压监测设备下放。当然,在所述声压监测设备中也可以不设置通信系统,通过在控制系统中设置存储器件,例如SD卡或者TF卡等,以用于保存监测到的海洋声压数据。在完成监测任务后,将所述声压监测设备提出水面,将存储器件与计算机连接通讯,实现监测数据的下载输出,供研究人员调取使用。对于所述的光路系统和控制系统,其设计原理参见图2所示。在本实施例的光路系统中主要包括激光器3、分光镜5、平面反射镜11、振动片I和光电接收器4等。其中,分光镜5可以选用半透射半反射的分光镜片,按照与水平面所成锐角为45°的关系倾斜设置。在分光镜5的左右两侧对应设置激光器3和振动片I。将所述振动片I垂直安装在壳体2 —侧的开口处,所述开口可以开设在壳体2的左侧,如图2所示,也可以开设在壳体2的右侧,进而通过所述振动片I与壳体2形成一个密闭的腔室。将所述控制系统、通信系统、供电系统以及光路系统中除振动片I以外的其他部件均设置在所述的腔室中,仅通过振动片I接触海水,感应海洋噪声的声压变化。在本实施例中,所述振动片I为带有反射面的振动片,可以采用溅射镀膜工艺在不锈钢板的表面形成一层反射膜的方式设计实现,且将振动片I的反射面朝向腔室内部的分光镜5。在分光镜5的上下两侧对应设置所述的平面反射镜11和光电接收器4,在平面反射镜11的背面安装压电陶瓷9、10,通过控制压电陶瓷9、10形变,以带动平面反射镜11移动,以补偿振动片I的位移变化。作为本实施例的一种优选设计方案,优选在所述平面反射镜11的背面安装两个压电陶瓷9、10,将两个压电陶瓷9、10进行按照同一极化方向对接粘合后,再安装在所述的平面反射镜11上,利用两个压电陶瓷9、10的形变共同实现对平面反射镜11位移的控制。在所述控制系统中,除了包括上述的两个压电陶瓷9、10以外,还设置有控制器。将所述控制器分别与光电接收器4和所述的两个压电陶瓷9、10对应连接,一方面接收光电接收器4输出的电流信号,另一方面输出电压信号至两个压电陶瓷9、10,以控制两个压电陶瓷9、10的形变量。作为本实施例的一种优选设计方案,所述控制器优选采用一颗CPU芯片配合一颗A/D转换器和一颗D/A转换器组建实现,如图2所示。下面结合图2所示的光路系统和控制系统,对本实施例所提出的海洋背景噪声声压信号监测设备的工作原理进行具体阐述。将激光器3发射的激光作为光源射向所述的分光镜5。为了便于干涉图样的采样,在所述激光器3与分光镜5之间优选再进一步安装一个扩束器8,如图2所示。在本实施例中,优选采用放大倍数为10倍的扩束器8进行系统设计,扩束后的激光光束的直径可以达到5. 4_。激光器3发出的激光经过扩束器8后,光束的直径扩大,扩束后的激光在分光镜5处分为两路一路为经由分光镜5反射后形成的光束S0,将其定义为参考臂,垂直射向所述的平面反射镜4 ;另外一路为经由分光镜5透射后形成的光束SI,将其定义为测量臂,垂直射向所述振动片I的反射面。而后,作为参考臂的光束SO经由平面反射镜4反射后,重新射向所述的分光镜5,并通过所述分光镜5透射后,垂直入射到所述的光电接收器4中。作为测量臂的光束SI则经由振动片I的反射面反射后,重新射向所述的分光镜5,并通过所述分光镜5反射后,垂直入射到所述的光电接收器4中。射入到所述光电接收器4的两路·光束在光电接收器4处汇合,形成干涉图样,如图4所示,光电接收器4根据接收到的光线强度生成与之对应的电流输出信号,经由A/D转换器进行模拟信号到数字信号的转换处理后,输出至所述的CPU芯片。当振动片I受到外界压力时,会发生形变,从而改变测量臂的长度,引起干涉条纹发生变化。本实施例正是基于干涉条纹的这种变化来间接地计算出振动片I的形变量,进而换算出外界压力的强度。考虑到将所述声压信号监测设备下放到水中时,根据设备所处的水深不同,其设备受到的水压也会不同,这将导致在没有噪声作用到振动片I上时,振动片I已经在水压的作用下发生了形变,使得干涉条纹已经偏离了初始状态。为了在没有噪声作用到振动片I上时,干涉条纹仍能保持在初始状态,以方便后续的声压计算过程,本实施例优选在所述壳体2与振动片I所形成的密闭腔室内分隔出一个密闭气室A,如图I、图3所示。所述气室A可以采用在密闭腔室内设置一个隔板17的方式将腔室分隔成左右两部分,其中,振动片I所在的腔室为气室A,另外一个腔室为器件室B。在所述隔板17上设置一个透视窗16,以避免阻挡光线的正常传输。在本实施例中,所述透视窗16优选采用平面玻璃制成,通过分光镜5透射出的测量臂光束SI通过所述透视窗16射向振动片I的反射面,经由反射面发射的光束也能通过所述透视窗16返回分光镜5,以满足光路的正常传输要求。在所述壳体2的外部设置一个气囊13,通过管路14与所述的气室A连通,在所述管路14中还可以进一步设置电磁阀15,电连接于所述的控制器,具体通过D/A转换器连接所述的CPU芯片,接收(PU输出的开关控制信号,以控制电磁阀15导通或者关断。在声压信号监测设备下水前,振动片I内外两侧的压力均为大气压PO,此时,振动片I无形变,控制器控制电磁阀15关闭,通过对光路系统进行预调节,使得所述光电接收器4接收到的干涉图样刚好调节到设定的初始状态。当声压信号监测设备入水后,随着水深的不断变化,振动片I会随之产生形变。当设备入水到达指定的水深位置后,外界水压为P1,气室A内的压力为PO,且P1>P0,振动片I向腔室内形变。通过控制器打开电磁阀15,使气室A与气囊13连通。由于气囊13也位于水下相同的深度,因此气囊13也会发生形变,压力变为P1。由于气室A与气囊13连通,所以气室A内的压力也会变为P1。此时,振动片I受到的外侧水压为P1,气室A内的压力也为P1,振动片I恢复到初始状态,即无形变。由此便可以使得干涉图样重新恢复到初始状态,只有在水下噪声作用到振动片I上时,振动片I才会再次发生形变。此时,根据振动片I的形变量计算出的压力即为海洋背景噪声的压力。将所述的控制系统、供电系统、通信系统以及光路系统中除振动片I以外的其它器件布设在所述的器件室B内,如图I、图3所示,以完成设备的整体设计。为了对振动片I的振动方向进行判断,并补偿振动片I的位移量,本实施例采用对一个压电陶瓷9 (可称为第一压电陶瓷)施加周期性正弦变化的电压调制信号的方式,控制第一压电陶瓷9震荡,以形成光信号的调制,实现对振动片I振动方向的准确判断。具体可以通过CPU芯片配合D/A转换器产生并输出所述的电压调制信号,作用于第一压电陶瓷9,以控制其震荡。对于另外一个压电陶瓷10 (可称为第二压电陶瓷),则可以通过CPU芯片根据振动片I的形变量配合D/A转换器生成并输出合适的补偿电压,施加到第二压电陶瓷10上,以补偿测量臂的变化。然后,CPU芯片根据其输出的补偿电压值便可以计算出第二压电 陶瓷10的形变量,即振动片I的形变量,进而根据振动片I的形变量间接地换算出被测海洋背景噪声的声压级。下面对振动片I形变方向的判断过程以及海洋背景噪声的声压振幅测量步骤分别进行具体阐述。 (I)振动片形变方向的判断首先,对所述声压监测设备进行初始化,通过对光路系统进行预调节,使所述光电接收器4刚好能够检测到干涉图样的中心亮斑,即如图4所示的干涉条纹。其次,将声压监测设备放入水下,启动声压监测设备进入正常工作状态,CPU配合D/A转换器输出调制信号驱动第一压电陶瓷9震荡,对光信号进行调制。当被检测的水域有声音信号时,在声波到达振动片I时,便引起振动片I振动,从而改变测量臂SI的距离,使干涉条纹产生相应的变化。然后,CPU通过A/D转换器接收光电接收器4产生的电流输出信号iPD,并结合CPU输出的调制信号io的波形来判断振动片I的振动方向,结合图5至图7所示。图5至图7为干涉条纹位移与电流变化的合成坐标图,其中,I表示光强、Ax表示干涉条纹位移量、iPD表不光电接收器4产生的电流输出信号、L表不与CPU输出的电压调制信号相对应的电流调制信号。具体判断过程如下若调制信号处于波峰时(即CPU输出的调制信号为最大值时)光电接收器4输出的电流值=调制信号处于波谷时(即CPU输出的调制信号为最小值时)光电接收器4输出的电流值,即如图5所示的波形图,则表示振动片I未发生形变,没有噪声作用于振动片I上。此时,CPU无需输出补偿电压。若调制信号处于波峰时光电接收器4输出的电流值〈调制信号处于波谷时光电接收器4输出的电流值,即如图6所示的波形,则表示振动片I向缩小测量臂SI的方向发生了形变。此时,CPU需要输出补偿电压,控制第二压电陶瓷10向缩小参考臂SO的方向形变,进而带动平面反射镜11向缩小参考臂SO的方向移动,以补偿测量臂SI的变化,直到所述光电接收器4重新检测到干涉图样的中心亮斑为止。若调制信号处于波峰时光电接收器4输出的电流值 > 调制信号处于波谷时光电接收器4输出的电流值,即如图7所示的波形,则表示振动片I向增大测量臂SI的方向发生了形变。此时,CPU需要输出补偿电压控制第二压电陶瓷10向增大参考臂SO的方向形变,进而带动平面反射镜11向增大参考臂SO的方向移动,以补偿测量臂SI的变化,直到所述光电接收器4重新检测到干涉图样的中心亮斑为止。(2)声压振幅的测量本实施例通过控制器输出一个补偿电压控制第二压电陶瓷10形变,以跟踪振动片I的形变量,进而根据控制器输出的补偿电压的大小计算海洋噪声的振幅。具体方法是通过CPU配合D/A转换器输出一个模拟量的补偿电压Ucmp,将该补偿电压Ucmp经过放大处理后,施加到第二压电陶瓷10,控制第二压电陶瓷10发生形变,进而带动平面反射镜11移动,使干涉条纹反方向移动,以补偿测量臂SI的变化,直到光电接收器4检测到的干涉图样恢复到初始状态。在本实施例中即光电接收器4重新检测到干涉图样的中心亮斑。已知控制第二压电陶瓷10形变幅度为
j时控制器需要输出的电压为U,其中,λ为激光器3发射的激光的波长,贝u有
权利要求1.一种海洋背景噪声声压信号监测设备,其特征在于包括壳体以及设置于壳体中的光路系统、控制系统和供电系统;所述壳体的左侧或者右侧开口,在所述开口处安装有一带反射面的振动片,通过所述振动片与壳体形成一个密闭的腔室,且振动片的反射面朝向腔室内;在所述腔室内设置有一带透视窗的隔板,将腔室分隔成左右两部分,其中振动片所在的腔室为气室,通过管路与位于壳体外部的气囊连通,另外一个腔室为器件室,布设所述的控制系统、供电系统以及光路系统中的激光器、半透射半反射的分光镜、平面反射镜和光电接收器;所述激光器发射激光射向所述的分光镜,通过所述分光镜反射形成一路光束作为参考臂射向所述的平面反射镜,透射形成另一路光束作为测量臂穿过所述的透视窗射向振动片的反射面;通过所述平面反射镜和振动片反射的两路光束经由分光镜形成干涉后射入所述的光电接收器,进而通过光电接收器生成电流输出信号传输至控制系统中的控制器;在所述控制系统中还包含有压电陶瓷,安装在所述的平面反射镜上,接收控制器输出的电压信号,利用自身形变带动平面反射镜移动。
2.根据权利要求I所述的海洋背景噪声声压信号监测设备,其特征在于在所述平面反射镜上安装有两个压电陶瓷。
3.根据权利要求2所述的海洋背景噪声声压信号监测设备,其特征在于所述的两个压电陶瓷按照同一极化方向对接粘合在一起,安装在所述平面反射镜的背面。
4.根据权利要求I所述的海洋背景噪声声压信号监测设备,其特征在于在所述控制器中包括A/D转换器、D/A转换器和CPU,所述光电接收器输出的电流输出信号经A/D转换器变换为数字信号后传输至所述的CPU ;所述CPU通过D/A转换器输出电压信号至所述的压电陶瓷。
5.根据权利要求I所述的海洋背景噪声声压信号监测设备,其特征在于在所述管路中安装有一电磁阀,接收控制器输出的开关控制信号。
6.根据权利要求I所述的海洋背景噪声声压信号监测设备,其特征在于所述透视窗为平面玻璃。
7.根据权利要求I至6中任一项所述的海洋背景噪声声压信号监测设备,其特征在于在所述光路系统中还包含有三个倾斜布设的反射镜,在所述器件室中,上方位置安装第一反射镜和所述的激光器,中间位置安装第二反射镜和所述的分光镜,所述第二反射镜与振动片分设在分光镜的左右两侧,下方位置安装第三反射镜和所述的平面反射镜;所述激光器沿水平方向发射激光,以45°入射角射入第一反射镜,反射形成垂直方向的光束以45°入射角射入第二反射镜,进而经由第二反射镜反射形成水平方向的光束以45°入射角射入分光镜,通过分光镜反射形成垂直方向的第一段参考臂光束以45°入射角射入第三反射镜,进而经由第三反射镜反射形成水平方向的第二段参考臂光束射向垂直布设的平面反射镜;所述光电接收器布设在分光镜的上方,接收两束垂直入射的光线。
8.根据权利要求7所述的海洋背景噪声声压信号监测设备,其特征在于在所述第二反射镜与分光镜之间还设置有一扩束器,通过所述扩束器对激光器发出的激光光束的直径进行扩大。
9.根据权利要求I至6中任一项所述的海洋背景噪声声压信号监测设备,其特征在于在所述器件室内还设置有通信系统,连接所述的控制器,将控制器计算生成的检测结果上传至上位机进行显示和存储。
10.根据权利要求9所述的海洋背景噪声声压信号监测设备,其特征在于所述通信系统通过通讯线缆与上位机连接通信。
专利摘要本实用新型公开了一种海洋背景噪声声压信号监测设备,包括壳体以及设置于壳体中的光路系统、控制系统和供电系统;所述壳体的左侧或者右侧开口,在所述开口处安装有一带反射面的振动片,通过所述振动片与壳体形成一个密闭的腔室,且振动片的反射面朝向腔室内;在所述腔室内设置有一带透视窗的隔板,将腔室分隔成左右两部分,其中振动片所在的腔室为气室,通过管路与位于壳体外部的气囊连通,另外一个腔室为器件室,布设所述的控制系统、供电系统以及光路系统中的激光器、半透射半反射的分光镜、平面反射镜和光电接收器。本实用新型利用迈克尔逊干涉原理进行光路系统的结构设计,精度高、线性度好,在低频段信号无衰减,具有良好的频率响应特性。
文档编号G01H9/00GK202676278SQ20122022528
公开日2013年1月16日 申请日期2012年5月18日 优先权日2012年5月18日
发明者李磊, 周忠海, 刘军礼, 刘波, 吕成兴, 李金萍, 臧鹤超, 张照文, 惠超, 蒋慧略, 牟华, 周晓晨, 姚璞玉, 徐娟 申请人:山东省科学院海洋仪器仪表研究所
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