HPCTB-200-35型测深仪收发综合响应测量

杨柳青 陈毅 张军

（第七一五研究所，杭州，310023）

测深仪利用换能器在水中发出声波，当声波遇到障碍物而反射回换能器时，根据传播时间与声速，就能得到换能器与障碍物之间的距离。从测深仪的工作原理可知，其发射声源级和接收灵敏度直接影响着测量结果的准确性。为确保测量结果的可靠性和稳定性，就必须对测深仪进行校准。

主动声呐（测深仪）的声学参数主要有：声源级、发送电压响应、发射指向性、接收灵敏度、接收指向性等。目前，校准这些参数的方法主要是标准水听器法和标准目标法。标准目标法的校准技术研究主要有标准目标的研制及不同类型的主动声呐的校准。上世纪 60年代以来，美国和欧洲等水声技术发达国家的研究人员相继设计并研制了一系列标准目标[1-7]，以满足不同的主动声呐校准技术要求。其中，钨钢球与铜球的声散射性能稳定。在主动声呐校准方面，从1987年，Kenneth G Foote首次建立利用标准目标校准主动声呐的方法以来，这种方法得到了广泛的应用[8-11]，但国内却没有此类研究的相关报道。

本文从声传播模型出发，给出了主动声呐的收发综合响应校准公式。针对工作频率为220 kHz的HPCTB-200-35型测深仪（由杭州应用声学研究所研制、生产），设计了一套校准测试系统，采用直径Φ38 mm的钨钢球作为标准目标，对该测试仪进行了校准。

1 测量原理与讨论

如图1所示，以测深仪声中心作为原点，建立空间直角坐标系。z轴为测深仪声轴方向，目标在(θ,φ)方向上，与测深仪之间的距离为r，且目标与球体分别在彼此的远场。目标处的入射声波pi可表示为：

式中，ptran为发射声压的幅值；r是测深仪到目标声中心之间的距离；t表示时间；ω为声信号的角频率；k为波数。不考虑时间因子与相位因素，则入射波可为：

图1 主动声呐校准的声传播模型

若发射器的声压指向性函数为d1(θ,φ)，接收器的声压指向性函数为d2(θ,φ)，fbs为目标在平面波场下的反向散射函数，可通过理论模型计算得到。

不考虑相位因素，则测深仪接收到的声压幅度prec可表示为：

通过换能器不能直接测量声压的大小，需要经过电声转换，其关系为：

式中，Utran为发射电压；Urec为接收端的输出电压；Sv为发射系统的发送电压响应，M为接收系统的接收灵敏度。联立公式（3）与（4）可得：

式中,b(θ,φ)表示发射指向性与接收指向性的乘积。对于互易换能器，其发射指向性与接收指向性相等，则有d1(θ,φ)=d2(θ,φ),b(θ,φ)=d21(θ,φ)为换能器的声强波束图函数。当目标在换能器的声轴上，即θ=0，φ=0，b(0,0)=1时，公式（5）可表示为：

式中，LS为换能器的发送响应级（参考值为1μPa∙m/V）；LM是换能器的灵敏度级 （参考值为1V/μPa）。由公式（6）可知，当测得发送电压与回波电压时，即可得到测深仪的收发综合响应。

对于一体化测深仪而言，其发射电压不变。此时，不需要关心测深仪内部的信号处理过程，其校准示意图如图2所示。因而，公式（6）可表示为：

声源级SL与接收灵敏度级LM之和即为一体化测深仪系统的收发综合响应，记为CR。则有，

图2 测深仪校准示意图

2 测量试验设计

测量实验在1 m×1.8 m×1 m的水池中进行，测试系统如图3所示。该测试系统由计算机、数字示波器、测深仪与标准目标组成。测深仪系统包括电路模块与换能器，其电路模块包括发射信号、信号的A/D转换、功率放大、信号接收、测量放大、信号的D/ A转换等六大部分。将测深仪安装固定在回旋装置之上，利用绳子悬挂Φ38 mm的钨钢球体，使得球体在测深仪换能器的声轴上。测深仪的工作频率为220 kHz，其换能器的形状为圆面活塞，辐射面直径为35 mm。远场测试距离约为14 cm。

图3 HPCTB-200-35型测深仪收发综合响应校准系统

测量测深仪收发综合响应的步骤如下：将测深仪探头安装固定在运动装置上，该运动装置需有升降、左右平移、回转与俯仰等功能；将标准目标悬挂在HPCTB-200-35型测深仪换能器的声轴上，两者之间的距离满足彼此的远场条件；采集回波电压，每次测量至少采集 3组数据；根据公式（8）即可得到HPCTB-200-35型测深仪的收发综合响应。

3 校准结果与讨论

3.1 校准结果分析

按照上节中所述的测量步骤，对测深仪进行测量，得到了不同距离下测得的系统综合响应，如表1所示。

表1 不同距离测得的系统综合响应

测试距离从50～85 cm，均满足目标与测深仪的远场要求。测深仪电路模块所产生的发射信号长度为0.3 ms，发射频率为220 kHz。经计算此时钨钢球的目标强度为–40.03 dB[3]。将回波电压的有效值、测试距离以及标准目标的目标强度代入公式（8）即可获得HPCTB-200-35型测深仪的收发综合响应CR。由表1可知，不同距离下，测量的系统综合响应差别不大，最大相差0.48 dB，表明利用标准目标测量测深仪系统的综合响应具有较高的稳定性。

3.2 测量不确定度分析

为不失一般性，采用目标强度计算偏差的最大值作为计算不确定度，其结果为：

通过6次重复试验和对B类误差源进行分析以及合成不确定度公式可得，uc(Ur)=0.095 5 V，uc(r)=0.006 m。

利用合成不确定度公式计算收发综合响应的合成不确定度[11]，其值为：

工业上，通常采用扩展不确定度来表示测量不确定度，当k=2时，其扩展不确定度u为：

3.3 与标准水听器法比较

标准水听器法，即使用标准水听器，分别测量测深仪的声源级与接收灵敏度，两者之和即为收发综合响应。利用杭州应用声学研究所的标准装置对测深仪所用换能器的发送响应与灵敏度进行校准。测得的灵敏度为–176.7 dB (re 1V/μPa @220 kHz),发送响应为 161.4 dB (re 1μPa∙m/V @220 kHz)。而加在测深仪换能器两端的电压为 277.3 V(均方根值)。因此，可计算此时的CR为 33.6 dB，这与标准目标法测得的结果基本一致。

4 结论

收发综合响应是衡量测深仪系统性能的一个重要的声学参数，通过对收发综合响应的测量能够估算出测深仪的最大作用距离。常规的水听器法采用分离的方式，分别测量测深仪的发射参数与接收参数，其本质都是为了评估其收发综合性能或最大作用距离。本文分别采用标准目标法与标准水听器法，对HPCTB-200-35型测深仪的收发综合响应进行校准，两者的测量结果偏差为0.2 dB，证明了标准目标法的有效性与正确性。而标准目标法，拥有测试更为简便、适合外场试验等优点，因而，具有较广的应用前景和较大的应用价值。