应用案例

【概述】

同济大学研究团队使用ATA-L4HF水声功率放大器，搭建水听器实验系统。

实验名称：双层激光结构声光水听器用于水下高频DOA抗混叠与高精度感知研究

实验内容：围绕设计的双层激光结构声光水听器(DLOA)展开性能测试。该水听器利用六束平行激光构成2×3双层正交光学采样结构，通过声光偏转效应获取水下声波的多通道相位信息，并结合物理可行域约束实现高频条件下的DOA估计，有效解决了紧凑孔径水听起在高频工作时容易出现空间混叠、栅瓣歧义和测向精度下降的问题。

研究方向：水下声光融合探测技术，水声阵列信号处理技术

测试设备：ATA-L4水声功率放大器、信号发生器、换能器、传感器、电脑等。

实验过程：

图：实验装置图

本实验在消声水池中于2m水深、12m声传播距离下进行。发射端以信号发生器输出20周期正弦脉冲，经ATA-L4HF功放恒定增益驱动后，由CT30/CT60换能器产生20–80kHz稳定高频声信号，确保各频点声压一致。接收端采用双层正交六束激光结构的DLOA传感器，通过PSD同步检测声致折射率变化引起的光斑位移，并经NI多通道系统采集六路信号。实验包括20–80kHz宽带抗混叠测试与75kHz下0.08°步长小角度跟踪测试（14角度×10次）。采集数据经滤波、协方差重构与噪声子空间提取后，在物理可行域内进行空间谱搜索，以谱峰确定DOA，最终从频域唯一主峰保持与时域高精度相对跟踪两个维度验证系统性能。

实验结果：

图2：实验结果

实验结果主要从宽带抗混叠能力和75kHz高精度角度跟踪能力两个方面进行验证，具体结果如下。

第一步，20–80kHz宽带抗混叠测试结果表明，DLOA在20、30、40、50、60、70和80kHz各频率点均能够形成清晰的DOA空间谱主峰。即使在高频段单个基线已经存在欠采样风险，DLOA空间谱中仍未出现与真实方向幅度相当的混叠峰，说明其在水池实验中保持了较好的宽带抗混叠能力。

第二步，对照实验结果表明，具有相同基线间距的三阵元均匀线阵ULA-3在高频段出现多个明显峰值，真实方向与栅瓣方向难以区分。相比之下，DLOA能够保持单一主峰，说明其抗混叠能力主要来自双层正交声光采样结构和物理可行域约束，而不是依赖更密集的阵元布置。

第三步，75kHz空间谱结果表明，DLOA在高频欠采样条件下仍能保持明确的主峰。实验测得的75kHz空间谱峰旁瓣比为7.5dB，未出现明显角度歧义，为后续小角度跟踪实验提供了稳定的测向基础。

第四步，75kHz高精度角度跟踪结果表明，DLOA对水下转台施加的0.08°级角度变化具有良好的线性响应。实验共设置14个角度位置，每个位置重复测量10次，共获得140组DOA估计结果。统计结果显示，平均DOA估计值与转台步进变化高度一致，线性拟合得到的有效角度步进为0.080°/step，决定系数R²=0.998。

第五步，跟踪误差统计结果表明，DLOA在75kHz下的相对跟踪RMSE为0.015°，标准差为0.015°，95%置信区间宽度为0.062°。这说明DLOA不仅能够识别主入射方向，而且能够稳定跟踪小角度变化，具备较高的重复测量稳定性。

第六步，小角度分辨结果表明，在最接近的一组相邻角度状态中，两组DOA估计结果的均值间隔为0.038°，重叠系数OVL为0.001，两个95%置信区间之间仍保持0.021°的间隔。该结果说明，DLOA在75kHz水池实验中能够区分小于0.08°的相邻角度状态，具有较强的小角度统计分辨能力。

综合来看，实验验证了DLOA传感器在20–80kHz范围内的宽带抗混叠能力，并证明其在75kHz条件下能够实现0.015°级相对DOA跟踪精度。实验结果表明，该传感器适用于紧凑孔径、高频水声条件下的高精度方位感知。

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图：ATA-L系列水声功率放大器指标参数

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