CN101504459B - 一种测量水声阵阵元相幅一致性的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于水声技术基础领域，主要涉及一种测量水声阵阵元相幅一致性的方法，步骤如下：采用时间延时谱法用于声阵阵元间的幅度与相位测量，得到两个被测阵元A和B之间传递函数的幅值和相位；易地测量过程：通过计算机控制坐标定位回转机构来控制两个被测阵元A和B的位置的互换，在阵元A和B易位后，同样重复步骤(1)，得到两个被测阵元间传递函数的幅值与相位；数据处理：通过两次测量得到的两个接收阵元A和B的幅度与相位值，得到所需测量频率点上两个被测阵元间的幅度与相位偏差；本发明的有益的效果：解决水声混响场中声纳阵阵元间幅度与相位的一致性测量中原有脉冲声方法效率不高、易受定位偏差和声场不均匀条件对测量精度的影响问题。

Description

一种测量水声阵阵元相幅一致性的方法

技术领域

本发明属于水声技术基础研究领域，主要是一种测量水声阵阵元相幅一致性的方法。

背景技术

通常情况下，水声声纳阵阵元间相幅一致性的校准都是在自由场中，利用单频连续信号或单频脉冲信号，采用参考信号比较法或FFT信号处理法来测量的。其中脉冲声信号方法也可以用在非消声的有限水域中。另外，在反射波影响不可忽略的声场条件下，也可以采用扫频连续波信号，直接用扫频相位检测仪读取被测信号与参考信号的相位差。这些方法都需要足够高的信噪比。国外利用时间延时谱法(time delay spectrometry(TDS))来测量高频水听器的幅度，TDS法应用的特点体现在：1)用扫频信号作为测量信号；2)允许自由场测量在反射环境中进行；3)利用带跟随滤波器的频谱分析仪作为主要的分析仪器来实现TDS法。它利用声波在媒介中的有限传播时间来确保在测量中的自由场条件，并能获得更好的信噪比和相对短的测量时间。但在实际使用中，由于两接收阵元与发射器间定位的偏差会使阵元间所在位置的声场产生差异，同时，发射器本身的不均匀也会使声场产生差异。这些都将给声脉冲法与TDS法测量带来偏差，而对相位的测量影响会更大。

由于水声中声纳阵的阵元相幅一致性的测量，涉及到测量的数量比较大，需考虑测量的速度与效率问题。传统的脉冲声方法已不能满足测试的需要，相比之下，TDS法比脉冲声法更容易获得好的信噪比和需要更短的测量时间。目前现有的TDS法都是通过频谱分析仪的硬件条件来实现的，代价很高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种测量水声阵阵元相幅一致性的方法，主要是解决水声混响场中声纳阵阵元间幅度与相位的一致性测量中原有脉冲声方法效率不高、易受定位偏差和声场不均匀条件对测量精度的影响问题。

为解决以上技术问题，本发明是提出以下技术方案实现的：这种测量水声阵阵元相幅一致性的方法，步骤如下：

(1)采用时间延时谱法TDS用于声阵阵元间的幅度与相位测量，得到两个被测阵元A和B之间传递函数的幅值和相位；

(2)易地测量过程：

通过计算机控制坐标定位回转机构来控制两个被测阵元A和B的位置的互换，在阵元A和B易位后，同样重复步骤(1)，得到两个被测阵元间传递函数的幅值与相位；

(3)数据处理：

把两次测量得到的两个接收阵元A和B的幅度与相位值代入方程(9)和(10)中，最后，得到所需测量频率点上两个被测阵元间的幅度与相位偏差；

A_H＝|H₂(w)/H₁(w)|＝|T₁₂(w)·T′₁₂(w)|^1/2            (9)

其中A_H为两只水听器间幅度偏差值，Δθ_H为两只水听器间相位偏差。

幅度偏差取分贝值ΔL_A为：

ΔL_A＝20log|H₂(w)/H₁(w)|＝10log|T₁₂(w)·T′₁₂(w)|   (10)。

本发明中，所述的时间延时谱法的测量过程：利用计算机控制扫频信号发生器产生扫频信号，经功放激励发射器工作，而两个被测阵元A和B的接收信号经放大滤波后经多通道数据采集器同步采样，把测量的数据保存在计算机中；同时，根据测量频率的要求，用TDS算法对测量数据进行处理，就能得到两个被测阵元间传递函数的幅值和相位。

本发明中，把时间延时谱法用于声阵阵元的幅度与相位测量，利用扫频信号作为测量信号，使自由场测量在反射环境中进行，利用声波在媒介中的有限传播时间来确保在测量中的自由场条件。

本发明有益的效果：不仅把TDS法用于阵元的幅值测量，也用于阵元间的相对相位测量。根据TDS法的基本原理，我们利用更灵活方便的软件方法来实现TDS算法，通过数据采集系统和软件信号处理方法来实现硬件频谱分析仪的功能。同时，为了消除由于定位偏差和发射器的不均匀造成的声场差异所引起的测量偏差，我们还引入了易地传递函数法。利用易地测量两个阵元间的传递函数，再求取两次测量传递函数的几何平均值来消除声场差异所带来的测量误差。通过易地传递函数法与软件TDS算法的结合，开创性地提出了易地时间延时谱法(Transposition time delay spectrometry(TTDS))来实现水声阵阵元的相幅一致性测量，圆满地解决了水声阵阵元测量中相幅测量中测量效率、信噪比与声场差异的问题。

附图说明：

图1时间延时谱法原理图；

图2易地传递函数法原理图；

图3易地时间延时谱法测量水声阵阵元相幅一致性原理框图。

附图标记说明：接收水听器1，发射换能器2，接收阵元A3，接收阵元B4，发射器5，旋转轴6。

具体实施方式：

下面结合具体实施例和附图对本发明做进一步的描述：

本发明的设计思路：在实际测量阵元的相幅一致性时，幅度的测量是比较容易实现的。而阵元间的相位比较容易受外界条件的影响。对声阵来说绝对相位是没有意义的，一般的相位测量都指相对相位的测量。测量时，被测对象都是两个一组的。由于定位装置的原因，有时容易带来两个阵元间与发射器间距离的不一致，从而在两个阵元间相幅差的测量引入额外的误差。虽然这个误差可以通过测量距离偏差来修正，但由于发射器本身的不均匀带来的声场差异是比较难以消除的。而采用易地测量传递函数的方法就能消除这个误差。同时，采用了TDS法也是为了提高测量的信噪比和测量的效率，用TDS法能通过跟随滤波器滤掉反射波而分析直达声信号，保证了在自由场条件下测量信号，而克服了反射波的干扰。两者的结合能提高幅度与相位的测量精度，减少误差，同时，还将提高测量的效率。我们把这种方法称为易地时间延时谱法(TTDS)。

1)TDS法的基本原理

TDS法利用了声波在媒介中的有限传播时间来确保在校准中的自由场条件。对所有的应用，它有两个公共的关键特点：(1)TDS法利用扫频信号作为测量信号；(2)TDS技术允许自由场电声测量在反射环境中进行。最初，TDS法被用于空气声中音频段的测量。原理图如图1，图中虚线框内表示是频谱分析仪，它既用于发生扫频激励信号，又可用于接收信号的解谐分析。它可以在两个信号间产生一个频率偏差，用中心频率跟随滤波器来选择接收信号的传播路径的长度。这个频率偏差是一个与声波在媒介中传播时间成比例关系的常数，传播时间：t＝d/c，其中，d为发射换能器2与接收水听器1间的传播距离，c为声波在水中的速度。扫频速度：

其中，f_start是起始频率，f_stop为终止频率，t_s是信号频率从f_start变化到f_stop的扫频时间。作为去谐的结果，只有特定传播时间的信号才能被接收。而反射波比直达声需要更长的传播时间，它的频率也更低。对固定的扫频速度，发射换能器发射的声波需要一些时间到达水听器，水听器接收到的信号瞬间频率的偏移Δf为：

$\mathrm{\Δf}=\frac{f_{\mathrm{stop}}-f_{\mathrm{start}}}{t_s}\frac{d}{c}---\left(1\right)$

当去谐时，使选择的频率偏差等于Δf，也即选择了在发射换能器与接收水听器间的直达声信号，从而滤掉了测量场地中混响的影响。

信号的空间分辨率Δx由跟随滤波器的带宽B决定：

Δx＝c.B/s                            (2)

而滤波器的带宽B依赖于扫频速度s的设置，对给定的扫频速度，滤波器的瞬态响应以

不应该干扰到被测对象的频率响应为度。在选择滤波器的带宽时，还应满足以下条件：

B²≤s                                 (3)

2)TDS法的软件实现

在一般的TDS法中，它的核心部分都是用频谱分析仪来实现的。它的好处是扫频信号的发生与接收信号的分析处理都由频谱分析仪来实现。当然，具有中心频率跟随滤波器的频谱分析仪是比较昂贵的。我们的方案是利用扫频信号发生器来产生信号通过功率放大器来驱动发射换能器，而接收部分利用多通道数据采集设备来完成，为确保采集的同步，我们利用发射信号作为数据采集系统的参考同步信号，采集后的数据存储在电脑的硬盘中。基于这些原始测量数据，我们设计了包括满足TDS法条件的、不同参数可多次复用的带通滤波器在内的处理算法，通过改变激励和延时滤波器中心位置间的时间偏差和滤波器的带宽来把分析的重点放在对接收波形感兴趣的部分，而忽略其它的成分，然后利用快速傅立叶算法来进行相关的信号分析。如图1中虚线框内频谱分析仪的功能，我们是用数据采集系统、软件设计的带通数字滤波器和信号处理软件来实现的。也就是TDS法的软件实现。重复这样的处理过程就可以对其它部分进行相同测量。

3)易地传递函数法

在图2中，设在声场中A、B两点声压为P_A，P_B，水听器H₁和H₂分别置于A、B两点，水听器对应的输出电压分别为U_A、U_B(如图2中虚线框2a部分)，水听器H₁和H₂的响应函数分别对应为H₁(w)和H₂(w)，则有：

U_A＝H₁(w)P_A

(4)

U_B＝H₂(w)P_B

依据(4)式就可以写出水听器H₁和H₂的输出电压，就可以得到两个通道间输出电压间的传递函数T₁₂(w)：

$T_{12}\left(w\right)=\frac{U_B}{U_A}=\frac{H_2\left(w\right)}{H_1\left(w\right)}(P_B/P_A)---\left(5\right)$

两个通道易地后(如图2b)，水听器H₂和H₁的输出电压分别为U′_A和U′_B，则两通道间输出电压的传递函数T₁₂′(w)为：

${T_{12}}^{\′}\left(w\right)=\frac{{U^{\′}}_B}{{U^{\′}}_A}A=\frac{H_2\left(w\right)}{H_1\left(w\right)}(P_A/P_B)---\left(6\right)$

由(5)和(6)可以得到两次传递函数的几何平均值

为：

${\stackrel{\‾}{T}}_{12}\left(w\right)=\sqrt{T_{12}\left(w\right)\·T_{12}^{\′}\left(w\right)}=\frac{H_2\left(w\right)}{H_1\left(w\right)}---\left(7\right)$

从而由两次易地测量的传递函数复函数的几何平均消除了两点不均匀的声压对通道测量的影响。

当H₁(w)和H₂(w)用复数形式表示时，如(其中|H₁(w)|对应为模，θ₁为与模对应的相位)和

(其中|H₂(w)|对应为模，θ₂为与模对应的相位)，则有：T₁₂(w)＝|T₁₂(w)|e^jφ(|T₁₂(w)|对应为模，φ为与模对应的相位)和

对应为模，φ′为与模对应的相位。

同时，(7)式可以写成： ${\stackrel{\‾}{T}}_{12}\left(w\right)={|T_{12}\left(w\right)\·T_{12}^{\′}\left(w\right)|}^{1/2}{e}^{j(\mathrm{\φ}+{\mathrm{\φ}}^{\′})/2}---\left(8\right)$

最终，我们可以得到：

A_H＝|H₂(w)/H₁(w)|＝|T₁₂(w)·T′₁₂(w)|^1/2

(9)

其中A_H为两只水听器间幅度偏差值，Δθ_H为两只水听器间相位偏差。

幅度偏差取分贝值ΔL_A为：

ΔL_A＝20log|H₂(w)/H₁(w)|＝10log|T₁₂(w)·T′₁₂(w)|                    (10)

从(9)和(10)式，我们就可以得到两个水听器的幅度与相位的偏差。

本发明所述的这种测量水声阵阵元相幅一致性的方法，易地时间延时谱法(TTDS法)就是利用TDS法的高信噪比与使用扫频信号的高效率和易地传递函数法能降低测量中声场的不均匀带来的偏差，解决声纳阵阵元间幅度与相位一致性测量中的技术难点。TTDS法测量水声阵阵元相幅一致性的原理框图如图3所示，具体的实施过程如下：

(1)TDS法的测量过程

利用计算机控制扫频信号发生器产生扫频信号，经功放激励发射器5工作，而两个接收阵元A3和接收阵元B4的接收信号经放大滤波后经多通道数据采集器同步采样，把测量的数据保存在计算机中。同时，可以根据测量频率的要求，利用预先设计好的不同参数可多次复用的带通滤波器在内的软件TDS算法对测量数据进行处理，就能得到两个被测阵元间传递函数的幅值和相位；把时间延时谱法用于声阵阵元的幅度与相位测量，利用扫频信号作为测量信号，允许自由场测量在反射环境中进行，它利用声波在媒介中的有限传播时间来确保在测量中的自由场条件，并能获得更好的信噪比和相对短的测量时间。

(2)易地测量过程

通过计算机控制坐标定位回转控制仪来控制两个被测阵元A和B的位置的互换，通过旋转轴6实现互换，在阵元A和B易位后，同样重复(1)中的步骤得到两阵元间传递函数的幅值与相位；利用扫频信号和软件设计的可调中心频率滤波器及离散傅立叶变化等信号处理算法来代替原有时间延时谱法中频谱分析仪的功能。

(3)数据处理

把两次测量得到的被测阵元间的幅度与相位值代入方程(9)和(10)中，最后，就可以得到所需测量频率点上两个被测阵元间的幅度与相位偏差。把易地传递函数法用于阵元间相幅一致性测量，是通过交换被测对象的位置，然后求取两次测量的传递函数的几何平均，来消除声场的不均匀性和定位误差引起的测量偏差。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本成果要求的保护范围。

Claims (3)

1.一种测量水声阵阵元相幅一致性的方法，其特征是：步骤如下：

(1)采用时间延时谱法TDS用于声阵阵元间的幅度与相位测量，得到两个被测阵元A和B之间传递函数的幅值和相位；

(2)易地测量过程：

通过计算机控制坐标定位回转机构来控制两个被测阵元A和B的位置的互换，在阵元A和B易位后，同样重复步骤(1)，得到两个被测阵元间传递函数的幅值与相位；

(3)数据处理：

把两次测量得到的两个接收阵元A和B的幅度与相位值代入方程(9)和(10)中，最后，得到所需测量频率点上两个被测阵元间的幅度与相位偏差；

A_H＝|H₂(w)/H₁(w)|＝|T₁₂(w)·T′₁₂(w)|^1/2                (9)

其中A_H为两只水听器间幅度偏差值，Δθ_H为两只水听器间相位偏差；

幅度偏差取分贝值ΔL_A为：

ΔL_A＝20log|H₂(w)/H₁(w)|＝10log|T₁₂(w)·T′₁₂(w)|        (10)。

2.根据权利要求1所述的测量水声阵阵元相幅一致性的方法，其特征是：所述的时间延时谱法的测量过程：利用计算机控制扫频信号发生器产生扫频信号，经功放激励发射器工作，而两个被测阵元A和B的接收信号经放大滤波后经多通道数据采集器同步采样，把测量的数据保存在计算机中；同时，根据测量频率的要求，用TDS算法对测量数据进行处理，就能得到两个被测阵元间传递函数的幅值和相位。

3.根据权利要求2所述的测量水声阵阵元相幅一致性的方法，其特征是：把时间延时谱法用于声阵阵元的幅度与相位测量，利用扫频信号作为测量信号，使自由场测量在反射环境中进行，利用声波在媒介中的有限传播时间来确保在测量中的自由场条件。

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