参量阵浅剖仪及其信号预处理方法的创新分析

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1、参量阵浅剖仪及其信号预处理方法的创新分析摘要：非线性声学参量阵利用声波传播的非线性原理，能在小换能器尺寸下得到高指向性的低频声波。低频声波对于浅地层信息探测具有重要意义。利用Berktay非线性自解调参量阵原理设计一款参量阵浅地层剖面仪，并针对参量阵差频转换效率较低的缺点研究了信号预处理方法，经过Matlab仿真实验验证，信号预处理方法可以改善差频转换性能。关键词：管线探测；参量阵浅剖仪；信号预处理方法；差频转换效率：TN911.7?34：A：1004?373X（2015）09?0047?04Abstr

2、act：Nonlinearprincipleofacousticetricarray，andthehighdirectivityloallsizetransducer.Loinformationdetection.Aparametricarraysub?bottomprofilerisdesignedodulationparametricarrayprinciple，andthesignalpreprocessingmethodisstudiedtoimprovethedisadvantageofloe

3、tricarraydifferencefrequencyconversionefficiency.TheMatlabsimulationexperimentsprovethattheperformanceofdifferencefrequencyconversionisimprovedbythesignalpreprocessingmethod.Keyetricarraysub?bottomprofiler；signalpreprocessingmethod；differencefrequencycon

4、versionefficiency0引言伴随我国对海洋资源的日渐渴求，海洋工程建设与日俱增，用于资源输送的掩埋管线的架设与维护依赖于对海底浅地层信息的探测。基于线性声学原理的传统地质探测，声纳采用较低的工作频率，一方面减少海水对声波的吸收；另一方面使低频声波穿透海底沉积层，并达到一定的深度，进而实现对浅地层信息的探测。但是线性低频声纳的波束较宽，径向分辨率很低，非常容易受到海面回波的干扰，且因为宽波束造成的侧向回波与正向回波时延相差很大，使得界面混响大幅度降低了设备的轴向分辨率，而如果采用高指向性低频波

5、束，换能器的尺寸会十分庞大，工程应用十分不便。非线性声学参量阵利用声波传播的非线性原理，能在小换能器尺寸下得到高指向性的低频声波（即差频波），并且具有低旁瓣，相对带宽展宽的特点，非常适合于海底沉积层结构和浅地层掩埋管线的探测。鉴于非线性声学参量阵的优点，本文设计了一款用于海底浅地层掩埋管线探测的参量阵浅剖仪。虽然声学参量阵具有诸多优点，却是以牺牲发射功率为代价，以很低的差频转换效率得到高指向性低频声波，所以，本文通过研究发射信号的预处理方法来提高参量阵的差频转换效率。1非线性声学参量阵原理1.1非线性声

6、学参量阵在介质中，由换能器发射两个频率较为接近的共轴高频声波，分别为和（假定），称为原频（PrimaryFrequency）。在原频波共同覆盖的区域，由于声波之间的非线性作用，产生了差频为的低频声波（DifferenceFrequency），对于共轴的高频原频波，差频波如同一个沿原频波轴向连续分布的虚源线阵，其阵长决定于介质对原频波和差频波的吸收。1.2Berktay宽带自解调参量阵S320F28335为核心，负责发射信号形成、原频信号处理及差频信号处理，将处理结果通过以太X发送至干端的显示控制计算机，

7、原频信号采用带通采样，差频信号通过直接采样的方法，采样频率为100kHz。一路原频A/D输入，只需要检波处理；一路差频A/D输入，进行脉冲压缩处理；两路D/A输出，分别给原频和差频TVG控制，差频的TVG控制由原频检测信号控制。湿端电源由干端直流供电，直流电源的电压为48V，供电电流最大为2A。湿端所需的各种电压采用DC/DC变换产生，发射机直接由48V供电。发射机发射时的瞬时能量由储能电容供给。利用单边带调幅调制原频波自解调到的差频波比双边带调制节约了带宽，显著节省了功率，不存在谐波失真，提高了转换效

8、率，与平方根法相比工程容易实现。4信号预处理仿真实验通过分析三种方法自解调产生的差频声压可知：（1）平方根法以最低的调制信号强度产生了与其他两种方法同数量级的差频声压强度，但是平方根法工程物理实现困难。（2）从图4与图6的对比，可知同数量级的调制信号强度，双边带调制法产生的差频声压是单边带调制法的100倍，但从式（9）可以看出，双边带调制法得到的差频声压与包含在差频中的二次谐波声压存在1500的关系，所以单边带调制法产生的差频波强度约为双边