一种基于角运动的水声测量装置及方法

技术领域

本发明涉及一种基于角运动的水声测量装置及方法，可用于水声观测范畴，可运用于水下振动监测、地声观测等领域。

背景技术

水声观测可获得水体的运动学特性，从而直接获得水文信息或间接获得水下振动源的信息。水声观测技术被广泛运用于军事监控、生物观测、船舶监测中。

水声测量的物理量一般为水声压力差。现有的水声测量原理本质上是水声振动产生的压力差驱动传感器内部的惯性体产生形变，通过某种测量技术观测这一惯性体形变，从而获得水声压力差。目前的干涉型光纤水听器、压电水听器及MEMS压电水听器均属于该类型。然而，基于该原理制造的水听器具有指向性，即对各方向响应不一致，且低频自噪声水平较高，难以实现高灵敏度低频水声探测。

发明内容

本发明提供一种基于角运动的水声测量装置及方法。完整的介质运动形式包括平动、旋转运动(角运动)和形变三类，在传统的水声测量中，仅利用了形变进行水声传感。本发明提出利用角运动完成水声传感。

图1为基于角运动的水声测量原理图，其中惯性正方体用于敏感水声信号，L为边长，惯性正方体在水声信号作用下产生角运动。对于附图1所示的水中的惯性正方体而言，其转动惯量为：

其中，m为其质量，L为其边长。

当惯性正方体受到水流扰动时，水流的角运动将导致惯性立方体成对的面存在一个等效的旋转力ΔF，从而产生惯性旋转力矩

根据转动定律：

其中，β表示角运动的角加速度。

考虑到压力差ΔP与旋转力之间的关系，可得：

通过上式，即可通过测量角运动的角加速度观测水声的压力差，实现水声测量。

本发明的技术方案为：

一种基于角运动的水声测量方法，其步骤包括：

1)将一惯性体放置于待测水域，在所述惯性体的一个或多个表面分别设置一个角运动传感器，用于当所述惯性体受到水流扰动时测量各表面对应方向的角加速度β；所述惯性体为惯性正方体，所述惯性正方体的质量为m、边长为L；

2)当所述惯性体受到水流扰动时，各所述角运动传感器分别将测量得到的对应方向的角加速度β发送给数据处理单元；

3)所述数据处理单元根据

进一步的，在所述惯性正方体的三个正交面分别设置一个角运动传感器，用于分别测量三个正交方向上的角加速度β。

进一步的，所述角运动传感器采用基于Sagnac效应的干涉型光纤陀螺实现；通过对所述基于Sagnac效应的干涉型光纤陀螺测得的Sagnac相移φ进行求导得到

进一步的，所述角运动传感器为角度传感器、角速度传感器或角加速度传感器。

一种基于角运动的水声测量装置，其特征在于，包括惯性体、若干角运动传感器和数据处理单元；

所述惯性体的一个或多个表面分别设置一个角运动传感器，用于当所述惯性体受到水流扰动时测量各表面对应方向的角加速度β；所述惯性体为惯性正方体，所述惯性正方体的质量为m、边长为L；

所述数据处理单元，用于根据

与现有技术相比，本发明的积极效果为：

本发明基于惯性体的角运动完成对水声的传感，对水声的敏感性高。基于该发明实施的传感器可打破现有基于惯性体形变观测水声的传感器存在的对各方向响应不一致、低频自噪声水平较高等问题。本发明可基于Sagnac效应实现测量，该效应对于平动不敏感，压制了其它运动形式的影响；Sagnac效应对角运动的敏感没有指向性，对各方向响应相同，可以解决目前水声测量中的方向性不均一问题；光纤Sagnac干涉仪的使用可通过增加光纤长度和环直径增加灵敏度，且可以获得全频段的低自噪声特性，满足水声测量的高稳定性和高灵敏度需求。

附图说明

图1为基于角运动的水声测量原理图。

图2为基于角运动的水声测量流程图。

图3为基于角运动的水声测量实施示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步详细描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

图2为基于角运动的水声测量流程图，水声信号驱动惯性体产生角运动，通过角运动传感器(包括角度传感器、角速度传感器、角加速度传感器等)测量角运动，并转换为水声压力差，从而完成水声测量。如采用角度传感器，在测量角运动的角度量后可通过两次对时间的求导获得角加速度；如采用角速度传感器，在测量角运动的角速度量后可通过一次对时间的求导获得角加速度。通过式(3)将角加速度转换为水声压力差，从而完成水声测量。

图3为基于角运动的水声测量实施示意图，在惯性立方体架构的三个正交的面各安置一个角运动传感器(包括角度传感器、角速度传感器、角加速度传感器等)，用于敏感惯性正方体架构在水声信号作用下产生的对应方向角运动，角运动传感器的监测值通过前述方法得到该方向的水声压力差。

其中，不同方向的角运动传感器得到的是对应测量方向的水声压力差；三个正交布置的角运动传感器得到的是三个正交方向的水声压力差；角运动传感器可采用基于Sagnac效应的干涉型光纤陀螺实现。在干涉型光纤陀螺中，一般将一段较长的光纤通过绕制成光纤环的方式使其作为核心传感部件敏感角运动。若光纤环长为T，环直径为D，则Sagnac相移φ的表达式可写为：

其中λ表示真空中的光波长，c表示真空中的光速，Ω为角速度。Sagnac效应仅对角运动敏感，对于平动不敏感，因此可压制其它运动形式的影响。角加速度β可通过对光纤陀螺测得的Sagnac相移φ进行求导得到，具体地：对Sagnac相移φ求导得到

尽管为说明目的公开了本发明的具体实施例，其目的在于帮助理解本发明的内容并据以实施，本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于最佳实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。