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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)研究了信號(hào)預(yù)處理方法，經(jīng)過Matlab仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，信號(hào)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； 信號(hào)預(yù)處理方法； 差頻轉(zhuǎn)換效率
中圖分類號(hào)： TN911.7?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2015）09?0047?04
Abstract： Nonlinear principle of acoustic wave propagation is applied to the nonlinear acoustic parametric array， and the high directivity low frequency sound wave is obtained by a small size transducer. Low frequency sound wave is great significance for shallow stratum information detection. A parametric array sub?bottom profiler is designed with Berktay nonlinear self?demodulation parametric array principle， and the signal preprocessing method is studied to improve the disadvantage of low parametric array difference frequency conversion efficiency. The Matlab simulation experiments prove that the performance of difference frequency conversion is improved by the signal preprocessing method.
Keywords： pipeline detection； parametric array sub?bottom profiler； signal preprocessing method； difference frequency conversion efficiency
引 言
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，本文通過研究發(fā)射信號(hào)的預(yù)處理方法來提高參量陣的差頻轉(zhuǎn)換效率。
1 非線性聲學(xué)參量陣原理
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（Primary 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（Difference 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?yán)碚撌强紤]兩個(gè)單獨(dú)的高頻原頻波產(chǎn)生的差頻信號(hào)，Berktay在其基礎(chǔ)上對(duì)寬帶信號(hào)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)制的原頻波來產(chǎn)生差頻信號(hào)。
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)雙頻信號(hào)，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)信號(hào)對(duì)獲得的差頻聲壓大小有顯著影響。
2 參量陣淺剖儀的設(shè)計(jì)
本文設(shè)計(jì)的參量陣淺剖儀由干端和濕端兩部分組成。濕端由嵌入式信號(hào)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、濕端通過以太網(wǎng)通信，由水密電纜相連。
系統(tǒng)初始化后，由計(jì)算機(jī)控制嵌入式信號(hào)處理機(jī)產(chǎn)生調(diào)制原頻波信號(hào)，經(jīng)過驅(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，為保證差頻信號(hào)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信號(hào)，避免原頻信號(hào)在接收機(jī)中由于電路的非線性而產(chǎn)生差頻信號(hào)而引起的干擾；通道最大增益為110 dB，具有TVG控制。
信號(hào)處理機(jī)以TMS320F28335為核心，負(fù)責(zé)發(fā)射信號(hào)形成、原頻信號(hào)處理及差頻信號(hào)處理，將處理結(jié)果通過以太網(wǎng)發(fā)送至干端的顯示控制計(jì)算機(jī)，原頻信號(hào)采用帶通采樣，差頻信號(hào)通過直接采樣的方法，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)信號(hào)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，提高了轉(zhuǎn)換效率，與平方根法相比工程容易實(shí)現(xiàn)。
3 信號(hào)預(yù)處理仿真實(shí)驗(yàn)
通過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)制信號(hào)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)制信號(hào)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。
4 結(jié) 語(yǔ)
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，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)，提出了通過信號(hào)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。
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