水下爆炸当量和深度估计是全面禁止核试验条约(CTBT)国际监测系统(IMS)水声监测的一项重要任务。为有效估计海域内爆炸事件的当量和深度, 在使用气泡脉动周期半经验公式的基础上, 综合利用水下爆炸气泡脉动第一次、第二次周期比值与气泡半径、深度的关系信息, 估计了近、远场的水下爆炸当量和深度, 对不同当量、爆炸深度的近场水下爆炸分析结果为: 100 g TNT、7 m爆炸深度条件下, 估计当量均值约118 g、估计深度均值约7.96 m; 100 g TNT、25 m爆炸深度条件下, 估计当量均值约76 g, 估计深度均值约21.4 m; 1 kg TNT、50 m爆炸深度条件下, 估计当量均值约1.23 kg、估计深度均值约44 m。上述分析结果表明: 采用的联合估计方法对深度的估计要比对当量的估计更为准确。进一步分析可知: 对于50 m爆炸深度、100 g TNT小当量的爆炸信号来说, 该方法未能给出估计结果, 这表明该方法估计水下爆炸当量是在爆炸深度上受限的。最后对IMS水声台站记录的远场水下爆炸事件进行了分析, 其当量、深度估计结果与参考文献一致, 这说明该方法同样适应于对远场爆炸信号的估计。

为了提升声纳系统的探测性能，该文从扩展水声换能器带宽和提高灵敏度两方面出发，研制了一种“金字塔”结构的宽带高灵敏水声换能器，并选择单金属板空气柱型压电材料作为宽带高灵敏换能器的有源材料。对敏感元件进行机电等效分析和有限元仿真，获得压电材料尺寸的优选范围。根据多模耦合理论设计了“金字塔”型的换能器敏感元件结构。通过建立换能器的制作工艺流程，研制出宽带高灵敏换能器样机。测试结果表明，发送电压响应最高为182.9 dB，发射带宽为170 kHz，接收灵敏度最高达到-173.7 dB，接收带宽为110 kHz，-6 dB波束开角为8.1°。

地震、次声和水声是《全面禁止核试验条约》（CTBT）规定的3种远距离波形监测技术手段，目前CTBT国际监测系统（IMS）的地震、次声、水声监测台站基本采用传统的电学传感设备。分布式光纤传感技术是一种新型的传感技术，仅利用单根光纤的光学效应即可获得沿线各点处的振动或应变，在禁核试核查监测领域展现出广泛的应用前景。分布式光纤传感技术的原理及发展现状表明，分布式光纤传感技术在地震、次声、水声监测方面可直接应用于探测系统获取振动信息，还可应用于现有光纤通信设施获取信息作为监测数据的补充。基于分布式光纤传感技术的探测系统具备的分布式测量、灵敏度高、稳定性好等特点，为地震、次声、水声等探测设备的改进提供了新思路；但分布式光纤传感系统通道密集、采样率高、数据量大的特点，对监测数据的实时处理提出了新的挑战。此外，分布式光纤传感技术的应用对IMS监测能力所带来的影响还需进一步的研究和评估。

针对实际水声信道无法获知先验稀疏度和导频资源问题, 提出一种改进的稀疏度自适应弱选择匹配追踪算法(MSASWOMP)。将稀疏度初始估计作为初始支撑集的大小, 对原子进行阈值弱选择得到的原子支撑集作为回溯筛选的候选集; 再以初始支撑集大小为回溯开始初始条件值进行二次筛选; 最后利用变阶段步长方法进行稀疏度逐步精确估计, 自适应更新回溯开始条件值。仿真实验分析了阈值参数、稀疏度估计步长和导频数目对于 MSASWOMP算法的影响, 结果表明, 该算法能以更少的导频数目获得更精确的信道估计值, 节省导频资源的同时, 其均方误差 (MSE)优于传统算法。

1-3型压电单晶复合材料结合弛豫铁电单晶与复合材料的优势, 具有压电常数高、机电耦合系数极大、声阻抗低等特点, 是理想的高频发射换能器压电元件。基于1-3型压电单晶复合材料设计并研制了高频宽带发射换能器, 根据理论计算分析了压电单晶复合材料的性能特点, 利用有限元建模仿真优化了换能器结构, 研制的1-3型压电单晶复合材料发射换能器在250~410 kHz范围内发送电压起伏不超过3 dB, 工作带宽达到160 kHz, 最大发送电压响应达178.4 dB, 性能大大优于同尺寸结构的1-3型压电陶瓷复合材料高频换能器。运用1-3型压电单晶复合材料制作高频发射换能器可有效拓宽工作频带, 提高水下声发射能力。

水声换能器设计时需考虑结构尺寸及电声特性等因素限制, 快速找到最优设计方案对设计人员非常重要。该文介绍了一种水声换能器参数化优化的设计方法。首先利用ANSYS软件APDL参数化设计语言建立换能器参数化模型, 然后将换能器参数化模型导入ANSYS Workbench平台, 通过设置输入变量和输出变量给出优化约束条件和优化目标, 选择合适优化算法后程序自动进行优化计算, 并给出最优设计结果。结果表明, 该方法可在换能器参数范围内求解最优方案, 同时也能大幅提高设计人员的优化效率。

水声通信系统使用传统的声压水听器接收信号, 无法获得水质点的振速信息。该文研制了直径为38 mm、高为46 mm的同振型矢量水听器, 可以同步共点地获取水质点的声压信息与振速信息, 解决水声通信系统对8~13 kHz的信号获取不全面问题。矢量水听器内部采用专门设计的一种共用惯性质量块的一体化三维加速度传感器, 空间3个轴向的灵敏度均大于328.0 pC/g(g=9.8 m/s2)。采用PZT-5压电陶瓷圆环作为矢量水听器的声压通道, 研制了具有x、y、z通道和声压p通道的矢量水听器样机, 并在水池中对矢量水听器样机进行测试。测试结果表明, 10 kHz处x、y、z通道的声压灵敏度级均大于-172 dB(0 dB参考值1 V/μPa), 且具有良好的余弦指向性; 声压通道灵敏度级达到-198 dB, 可以用于水声通信中8~13 kHz信号的获取。

针对宽带宽波束换能器实现问题, 该文在已有换能器结构基础上提出了一种同轴对置结构实现水平径向360°的宽波束覆盖的新方法。采用有限元法对比分析了已有结构和两种对置结构换能器的发送电压响应(TVR)和指向性。结果显示, 当障板尺寸为100 mm×7 mm, 换能器和障板的对置距离为4 mm。12~19 kHz时, 新结构水平径向波束宽度为360°, 水平径向TVR＞138 dB,换能器实现了径向高TVR和宽工作带宽。

圆管型换能器是水声中常见的一种发射换能器。为拓展工作频带, 工程上可通过改进电端, 将压电圆管与密绕线圈相串联来激发电路谐振,从而增加带宽, 但有限元仿真中压电元件和电磁线圈无法直接耦合在一起。因此,针对圆管-线圈耦合换能器的仿真分析难度较大,该文提出了一种压电-电磁混合有限元仿真方法, 通过在压电模型中增加电路接口, 利用电磁仿真提取线圈的电感和电阻值, 并赋予电路接口中相应元件, 使压电元件和电磁线圈耦合在一起, 进而实现整体性能仿真分析。仿真与实测结果显示二者物理规律相吻合, 验证了所提出仿真方法的有效性。

通用宽带换能器(含低频到高频)一般是将不同类型的换能器进行组合使用，单个换能器独立设计再组合成阵，其综合体积及质量均大，且安装后其性能指标受影响(如换能器开角变小等)。该文在分析当前国内外宽带换能器研究现状基础上，结合小型遥控无人潜水器(ROV)搭载探测需求，提出具体设计指标要求。将复合棒换能器与数个压电陶瓷圆环进行开放式一体化组合设计，在满足小型ROV安装要求的基础上，实现了发射3～100 kHz、接收1～100 kHz的超宽频带覆盖范围，且开角不小于70°。水池及湖上实航实验结果表明，研制的换能器与仿真设计相符，实航测量结果与国内外相关结论一致性较好，具有广泛的工程实用价值。