本发明涉及水声测试技术领域，主要是一种水下声基阵互辐射阻抗的光学测试方法。
背景技术：
随着水声技术的发展，水声应用频率逐渐向低频扩展。为了增加对水下目标的远程探测和预警能力，尤其是要解决对低噪声目标的有效探测。主动声纳阵正逐渐向低频、大孔径、高功率方向发展，为了在有限的空间内实现足够高的发射功率，在主动声纳阵的设计中阵元通常采用密排方式布阵。当阵元间距不满足1/4波长的最低要求时，阵元间产生的互作用(即引起互辐射)会导致主动发射基阵的效率降低，不能形成预期的指向性，甚至出现个别基元吸收声功率，损坏发射设备，严重的会导致整个声纳阵的损毁。目前，在现役或在研的低频主动声纳设备的研制过程中都已发现互辐射的影响，特别是在大功率情况下影响更加明显，使某些工作频率点的性能与设计产生偏差。通常使用测试互辐射的阻抗法属于介入式测试，都是在相对小信号的条件下进行的，与声纳设备的实际使用环境存在很大的差异，不能准确反映声纳设备的实际性能。因此，鉴于现有的介入式测试方法无法开展大功率条件下声基阵阵元互辐射的计量测试，需要开展非接触式的低频主动声纳设备互辐射阻抗测试方法研究。
技术实现要素：
本发明项目为了克服现有介入式声基阵辐射阻抗测试方法的不足，而提供一种水下声基阵互辐射阻抗的光学测试方法，提出了非接触式的光学方法测试声基阵辐射阻抗的方法，解决在大功率下低频主动声纳阵阵元互辐射阻抗的测试问题。
本发明的目的是通过如下技术方案来完成的。这种水下声基阵互辐射阻抗的光学测试方法，包括如下步骤：
(1)、利用激光测振技术来提取水下声基阵工作时其表面或辐射声场信息，通过激光干涉仪直接测试被测声阵工作时表面振动速度分布或在声基阵辐射声场提取其辐射声场中水质点振速分布；
(2)、利用经典的声阵互辐射理论进行水下声基阵阵元辐射阻抗及其互辐射阻抗的估算。
更进一步的，所述的光学法提取水下声阵表面的振动分布或辐射声场信息的过程是利用激光干涉仪直接测试被测声阵工作时表面振动速度分布或在声基阵辐射声场提取其辐射声场中水质点振速分布，再通过经典的互辐射理论对声阵阵元的辐射阻抗及其互辐射阻抗进行估算。整个过程都是非介入式的，不会对声阵产生附加的振动质量。把激光测振用于水下声阵工作时其表面振速或其辐射声场中水中质点振速的提取，对前者采用经典声阵辐射阻抗理论进行估算，对后者需要近场声场反演到声阵表面后采用经典的声阵阵元辐射阻抗理论进行计算。
本发明目的是通过非接触式的光学方法直接扫描水下声基阵的表面或其辐射声场，通过多普勒激光测振仪对被测对象的表面振速或其辐射声场的振速信息进行提取，然后利用经典的声阵互辐射阻抗理论进行计算评估。针对不同的测试对象，实现的方式也略有不同，其具体的测试步骤如下：
(1)发射机激励声基阵辐射声场，激光测振仪通过透声窗发射激光束到被测声基阵的表面(或膜片表面(放置在声基阵的辐射声场内))，提取被测点的振动速度，通过激光束的扫描实现对整个声基阵的辐射面的振动速度的测试；
(2)对所测得的表面振速分布，用经典的声阵互辐射阻抗理论进行计算，就可以得到所测频率下被测声基阵的互辐射阻抗；
(3)改变激励频率，重复(1)和(2)的过程，就可以得到不同工作频率下声阵的辐射阻抗。
在本发明中，把激光测振技术用于声阵表面辐射声场振速的测试，这种利用光学测试所具备的非接触、无扰动，对被测物体不产生附加质量影响的特点，克服了常规的介入式测试方法会给声阵带来附件的质量影响，同时，也避免了由于介入式会直接把声阵的大功率反馈到测试仪器设备中，容易造成测试仪器设备的损毁。同时，利用激光在声阵阵元表面或辐射声场内的快速扫描，可以解决低频大孔径声阵辐射信息的获取速度与测试效率。
本发明的有益效果为：利用光学测试所具备的非接触、无扰动，对被测物体不产生附加质量影响的特点，克服了常规的介入式测试方法会给声阵带来附件的质量影响，同时，也避免了由于介入式会直接把声阵的大功率反馈到测试仪器设备中，容易造成测试仪器设备的损毁。同时，利用激光测振仪对声阵阵元表面振动速度的提取，解决了经典声阵互辐射阻抗理论计算中所需的振动速度的获取的难题，使得水下声阵的辐射阻抗得到准确评估。其实施效果主要包括：(1)采用非接触式的声纳阵阵元辐射阻抗测试可以实现大功率下对声基阵互辐射阻抗的测试，解决了大功率下声基阵互辐射阻抗准确测试所需方法问题。(2)采用激光测振的光学方法实现对声基阵表面或其辐射声场的非接触式扫描，大大提高的扫描的效率，提高对声基阵辐射复声场声压及振动速度的提取精度，提高了测试精度。(3)通过对声纳阵阵元互辐射阻抗的分布的测试，可以得到阵列阵元间的互辐射阻抗模型，通过对阵列阵元进行速度控制，消除互辐射的负面影响，利用声基阵互辐射提高阵列的电声效率，提高声纳阵的性能，实现对声基阵互辐射的有效控制，对声纳阵的设计具有十分重要的意义。
附图说明
图1激光测振仪检测振动体表面质点振速原理示意图。
图2基于激光测振法的水下声阵阵元互辐射测试系统组成框图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做详细的介绍：
水下声基阵由于受尺寸的影响，通常采用密排布阵。特别是在低频工作时由于阵元间距不满足1/4波长，因此阵元间存在互辐射的影响。这种影响会降低基阵的工作效率，严重时会损毁基阵。通常情况下，在低频小功率下可以用介入式的互辐射测试方法来测试。但现代的新型声纳大多工作在低频大功率下。现有的介入式的测试系统任意在在大功率下会毁坏测试设备，给被测声基阵带来误差。而采用非介入式的光学方法来测试水下声阵的互辐射阻抗，我们利用激光测振仪测试水下声基阵或换能器辐射声场或表面振动的光学法，再通过经典的声阵互辐射阻抗理论来估算，从而得到声阵阵元的互辐射阻抗分布。目前，我们已完成了水下声基阵互辐射阻抗的光学方法测试研究，并获得了比较理想的结果。
声基阵互辐射常用的阻抗分析法、三电压法、矢量分解法和利用振动传感器测试阵元的表面振动分布都属于传统的介入式测试方法，只适用于小功率的测试，但声纳阵的实际大多是工作在在大功率下，容易造成测试设备的损毁。为此，我们利用激光测振技术开展互辐射测试的研究，采用非接触的光学方法来实现对声基阵辐射阻抗的准确测试。
●激光测振原理
激光测振技术是一种非接触、无扰动的测试技术，无需对被测物体产生附加质量的影响，因此能够反映物体的真实振动。同时，由于激光优良的汇聚性因而激光测试方法具有很高的空间分辨力。通常采用激光测振仪测试被测对象的振动特性有两类方法，一种是间接测试，利用激光测振仪获取振动物体的辐射声场分布，另外一种是直接测试振动体表面振动速度。前一种由于要考虑辐射声场中声光干涉的效应，而后一种则是比较直接，不需要考虑声光效应。因此，我们选用直接测试法，利用激光测振仪检测振动体表面质点振速，其测试原理示意图如图1所示。
发射基阵工作时向水介质中发射声波，其各个单元的表面都发生振动，利用激光测振仪的激光束入射到振动单元的表面，激光束经过振动体表面反射后返回激光测振仪解码输出，即可得到被测阵元表面质点的振动幅度量值。因此，通过激光测试振动体表面的振速即可得到声基阵阵元激光入射点处振动体的表面质点振速u信息。
在球面波条件下，声压和振速之间的关系可用下式表示：
式中，r是声波的传播距离；a是与声波强度有关的一个常数量；k＝2π/λ为波数；c是水中声速；t为传播时间；ρ是水介质的密度；λ是水中声波波长。
利用激光测振仪对发射基阵的表面振动速度进行测试，测试的原理框图如图2所示，图2中，计算机控制多通道的任意信号发生器发生激励信号，驱动功率放大器激励发射基阵的各个声学模块，使发射基阵发射声波；计算机控制激光测振仪的激光束通过透光窗对发射基阵模块表面进行扫描测试每个模块的表面的振动，获取表面振动速度。
●互辐射测试原理
发射换能器在辐射声波的同时会受到声场的作用，表现为贴近振动面的介质对其施加的作用力。该作用力与由振动面施加给介质的力在数值上相等而方向相反，取决于贴近该面的介质中的声压。根据发射面上声压分布沿振动面的积分可以得到介质对振动面的作用力，而声场中的声压和该处介质的质点振速成正比，即：
p＝u·z0
通常贴近发射面的介质质点的法向振速和发射面的法向振速完全相同，于是发射面上的声压分布可以表示为：
pa＝ua·za
式中ua：发射面上法向振速；za：贴近发射面的介质波阻抗。
声辐射器的辐射阻抗决定于声压对辐射器的辐射面的作用。因为基阵中的每个辐射器处于整个阵的辐射声场中，它面上的声压是所有阵元也包括自身在内的辐射场声压的叠加。因此基阵中每个阵元的总辐射阻抗包括自身辐射场的作用及其他阵元辐射场的作用。当其他阵元不振动时，单辐射器辐射时的辐射阻抗称之为自辐射阻抗。辐射器在声场中受到其他辐射器声场的作用力，为了保持自身声源强度一定，其机械系统的推动力必然有所变化。既然振幅值保持不变，而辐射面受声场的作用力有变化，这表明辐射器的总辐射阻抗发生变化。由于其他声源作用而引起变化的部分，就是总辐射阻抗中除去自辐射阻抗外的部分就是互辐射阻抗引起的。因此基阵中阵元声复合作用可以用辐射场的相互作用力表示，也可以用互辐射阻抗表示。
假设声场中有n个声源。各声源的振速分别为u1,u2,u3…un。在这种振速分布情况下，1号源辐射面上场的总作用力为f1，显然为1号源自身辐射场声压作用在自身辐射面上产生的力与其他源辐射场声压作用在1号源辐射面上产生的力之和，即
其中：f11——1号辐射器自身辐射场声压作用在自身辐射面产生的力；
fin——n号辐射器辐射场声压作用在i号辐射器辐射面产生的力。
i号辐射器总的辐射阻抗为：
由于声源产生的场和声源强度成正比，在均匀振幅分布情况下，辐射场的声压和辐射面的振速成正比，所以可以把fil写成：
fil＝zilul
则可以得到
其中zil表示l单位振速声场作用于i号源面上的力，称之为l号源对i号源的互辐射阻抗，简称互阻抗。
当辐射器以同样的振速和相位振动，那么由n个阵元组成的基阵的辐射阻抗就是
由以上原理可知，只要测试得到各阵元表面的复振速、复声压分布以及该阵元表面位置处由其他阵元产生的辐射声压，即可求得各阵元的自/互辐射阻抗。
利用激光测振仪直接测试水下声阵阵元表面振动速度，再按照经典声阵阵元互辐射理论模型，计算机通过激光测振仪获取的表面振动速度，进行互辐射计算处理后就可以得到每个模块表面的声能量分布和辐射阻抗分布，就可得到互辐射阻抗。
可以理解的是，对本领域技术人员来说，对本发明的技术方案及发明构思加以等同替换或改变都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。