CN102176767A - 一种应用于水声换能器指向性响应的自动分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于水声换能器指向性响应的自动分析方法，该方法完全由计算机自动对测量得到的水声换能器指向性响应数据进行合理性检查、数据平滑以及参数分析，得到主瓣位置、旁瓣位置和旁瓣级、下降3分贝波束宽度、指向性响应起伏等水声换能器指向性响应参数，不需要任何人工计算，分析速度快，分析结果精度高，进而提高了水声换能器指向性参数测量校准的效率。

Description

一种应用于水声换能器指向性响应的自动分析方法

技术领域

本发明涉及水声计量与测试技术，尤其涉及一种应用于水声换能器指向性响应的自动化分析方法，属于水声信号处理技术领域。

背景技术

水声换能器的指向性响应是水声计量与测试的重要内容之一，也是水声换能器的重要参数。测量水声换能器指向性响应时，需要将待测的水声换能器固定在机械回转装置的旋转轴上，使其有效声中心位于旋转轴上，在回转装置旋转的同时测量接收声压的大小，得到换能器指向性响应曲线。为了得到主瓣下降3分贝波束宽度、旁瓣位置和旁瓣级、指向性响应起伏等换能器指向性响应参数，现有的测量方法是先将待测换能器旋转一周，找到指向性响应的最大值点，将该位置设置为回转系统的零度位置，然后将待测换能器再旋转一周测出完整的换能器指向性响应曲线，通过人工读取记录在x-y坐标记录器坐标纸上的指向性响应数据来获得主瓣下降3分贝波束宽度、旁瓣位置和旁瓣级等参数。考虑到x-y坐标记录器的滞后效应，无论工作在自动方式还是手动方式，机械回转装置的旋转速度都比较慢，以保证测量的精度。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术之缺点，提出了一种应用于水声换能器指向性响应的自动分析方法，该方法完全由计算机自动对测量得到的水声换能器指向性响应数据进行分析，得到主瓣位置、旁瓣位置和旁瓣级、下降3分贝波束宽度、指向性起伏等水声换能器指向性响应参数，不需要任何人工计算，分析速度快，分析结果精度高，提高了水声换能器指向性响应测量的效率。

本发明的上述目的是这样实现的：一种应用于水声换能器指向性响应的自动分析方法，其特征在于：水声换能器指向性响应的分析不需要人工计算和干预，完全由计算机自动对指向性响应测量数据进行合理性检查和平滑，搜索指向性响应测量数据中极大值和极小值的位置，当极大值中的最大值和极小值中的最小值的差值小于门限时，则将最大值和最小值的差值作为指向性起伏；当最大值和最小值的差值大于门限时，则搜索主瓣位置、旁瓣位置和旁瓣级，然后利用迭代方法计算下降3分贝波束宽度，当水声换能器指向性响应测量数据点较少时，上述迭代算法可获得高精度的下降3分贝波束宽度数值。

可按以下步骤：

1)对水声换能器指向性响应测量数据进行合理性检查。设水声换能器指向性响应测量数据有N₀点，用序列x_m(θ_m，a_m)表示，其中θ_m为角度，a_m为对应于θ_m角度处的信号幅度，m＝0，1，…，N₀-1，由于水声换能器指向性响应测量所使用的回转系统回送的角度精度有限(通常最小为0.1度)，当回转系统旋转速度较慢时，测量数据中可能出现θ_m为同一个角度的多组数值，这样的数据定义为不合理的数据。首先要对原始测量数据的合理性进行检查：当一个角度在测量数据中重复出现时，以该角度第一次出现时测量得到的那组数据为准，其余角度与之重复的数据全部舍弃。经过数据合理性检查后，指向性测量数据剩余N点，并且有50≤N≤N₀；

2)对第1)步处理后的水声换能器指向性响应测量数据进行平滑；

2a)将N点的测量数据扩展为2N点的新序列y_n(θ_n，a_n)，y_n与p_n的关系为：

$y_n=\left\{\begin{array}{cc}{x}_n& 0\≤n\≤N-1\\ x_{2N-n-1}& N\≤n\≤2N-1\end{array}\right.$

2b)计算序列y_n中信号幅度数据a_n的离散傅里叶变换A_k；

$\begin{array}{cc}{A}_k=\underset{n=0}{\overset{2N-1}{\mathrm{\Σ}}}{a}_k{W}_{2N}^{\mathrm{nk}}& k=\mathrm{0,1,2}...,2N-1\end{array}$

其中W_N＝e^-j2π/N，j为虚数单位；

2c)令序列X_k为

$X_k=\left\{\begin{array}{cc}\frac{1}{2\sqrt{N}}{A}_k& k=0\\ \frac{1}{\sqrt{2N}}{W}_{2N}^{k/2}{A}_k& k=\mathrm{1,2},...,N-1\end{array}\right.$

2d)保留X_k的主要分量，去除X_k的次要分量，得到X’_k，即令

$X_k^{\′}=\left\{\begin{array}{cc}{X}_k& 0\≤k\≤49\\ 0& 50\≤k\≤N-1\end{array}\right.$

2e)重构序列A_k为A’_k；

$A_k^{\′}=\left\{\begin{array}{cc}2\sqrt{N}{X}_k^{\′}& k=0\\ \sqrt{2N}{W}_{2N}^{-k/2}{X}_k^{\′}& 1\≤k\≤N-1\\ 0& k=N\\ {\left(\sqrt{2N}{W}_{2N}^{-(2N-k-1)/2}{X}_{2N-k-1}^{\′}\right)}^{*}& N+1\≤k\≤2N-1\end{array}\right.$

2f)计算序列A’_k的逆离散傅里叶变换，得到经过平滑的信号幅度序列S_m；

$\begin{array}{cc}{S}_m=\frac{1}{N}\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{A}_k^{\′}{W}_N^{-\mathrm{km}}& m=\mathrm{0,1,2}...,N-1\end{array}$

2g)对数据进行归一化并取对数，即令

$\begin{array}{cc}{s}_m=20\log \frac{S_m}{\max S_m}& m=\mathrm{0,1,2}...,N-1\end{array}$

其中maxS_m为序列S_m的最大值。

3)由s_m和θ_m构成新的序列z_m(θ_m，s_m)，搜索序列s_m的极大值和极小值分别构成序列P_i和序列V_l：若s_i满足如下条件1，则s_i为一个极大值，极大值对应的角度为α_i；若s_l满足如下条件2，则s_l为一个极小值，极小值对应的角度为β_l，如图2所示。

条件1  3≤i≤N-4，s_i-3≤s_i-2≤s_i-1≤s_i≤s_i+1≤s_i+2≤s_i+3

条件2  3≤l≤N-4，s_l-3≥s_l-2≥s_l-1≥s_l，s_l≤s_l+1≤s_l+2≤s_l+3

4)在极大值序列P_i中搜索最大值P_max，对应的角度为α_max；在极小值序列V_l中搜索最小值V_min，对应的角度为β_min，令指向性响应起伏

σ_d＝V_min-P_max

若σ_d＞-3，则判定换能器为全向换能器，结束指向性响应分析；若σ_d≤-3，则继续以下步骤。

5)令主瓣位置为α_max，搜索α_max附近的两个极大值位置：若α_SL1为序列α_i中所有小于α_max的角度中的最大值，则令左旁瓣位置为α_SL1，对应的旁瓣级为P_SL1；若α_SR1为序列α_i中所有大于α_max的角度中的最小值，则令右旁瓣位置为α_SR1，对应的旁瓣级为P_SR1。

若找不到满足上述条件的α_SL1和α_SR1则认为换能器指向性响应无旁瓣。

6)计算主瓣左下降3分贝点P_L3，如图3所示；

6a)以角度θ为横坐标，信号幅度s为纵坐标，建立平面直角坐标系，则序列z_m(θ_m，s_m)可以表示为θ-s平面上N个离散的点；

6b)令β_L1表示序列β_l中所有小于α_max的角度中的最大值，β_R1表示序列β_l中所有大于α_max的角度中的最小值；

6c)从主瓣位置开始，在序列z_m中搜索满足条件3且角度值最大的点z_L1(θ_L1，s_L1)

条件3  s_m＜-3且 β_L1＜θ_m＜α_max

6d)计算z_L1及其右邻点z_L1+1之间的连线与平行于横轴的直线s＝-3的交点z_L3(θ_L3，s_L3)；

6e)如果z_L3与z_L1的距离小于z_L3与z_L1+1的距离，则取z_L1+1、z_L1、z_L1-1三个点为插值节点；如果z_L3与z_L1的距离大于z_L3与z_L1+1的距离，则取z_L1、z_L1+1、z_L1+2三个点为插值节点；

6f)利用上述插值节点，使用Lagrange插值法，计算横坐标为θ_L3的点对应的幅度值s’_L3；

$s_{L3}^{\′}=s_{L1-1}\frac{({\mathrm{\θ}}_{L3}-{\mathrm{\θ}}_{L1})({\mathrm{\θ}}_{L3}-{\mathrm{\θ}}_{L1+1})}{({\mathrm{\θ}}_{L1-1}-{\mathrm{\θ}}_{L1})({\mathrm{\θ}}_{L1-1}-{\mathrm{\θ}}_{L1+1})}+s_{L1}\frac{({\mathrm{\θ}}_{L3}-{\mathrm{\θ}}_{L1-1})({\mathrm{\θ}}_{L3}-{\mathrm{\θ}}_{L1+1})}{({\mathrm{\θ}}_{L1}-{\mathrm{\θ}}_{L1-1})({\mathrm{\θ}}_{L1}-{\mathrm{\θ}}_{L1+1})}+s_{L1+1}\frac{({\mathrm{\θ}}_{L3}-{\mathrm{\θ}}_{L1-1})({\mathrm{\θ}}_{L3}-{\mathrm{\θ}}_{L1})}{({\mathrm{\θ}}_{L1+1}-{\mathrm{\θ}}_{L1-1})\left({\mathrm{\θ}}_{L1+1}{-\mathrm{\θ}}_{L1}\right)}$

或者

$s_{L3}^{\′}=s_{L1}\frac{({\mathrm{\θ}}_{L3}-{\mathrm{\θ}}_{L1+1})({\mathrm{\θ}}_{L3}-{\mathrm{\θ}}_{L1+2})}{({\mathrm{\θ}}_{L1}-{\mathrm{\θ}}_{L1+1})({\mathrm{\θ}}_{L1}-{\mathrm{\θ}}_{L1+2})}+s_{L1+1}\frac{({\mathrm{\θ}}_{L3}-{\mathrm{\θ}}_{L1})({\mathrm{\θ}}_{L3}-{\mathrm{\θ}}_{L1+2})}{({\mathrm{\θ}}_{L1+1}-{\mathrm{\θ}}_{L1})({\mathrm{\θ}}_{L1+1}-{\mathrm{\θ}}_{L1+2})}+s_{L1+2}\frac{({\mathrm{\θ}}_{L3}-{\mathrm{\θ}}_{L1})({\mathrm{\θ}}_{L3}-{\mathrm{\θ}}_{L1+1})}{({\mathrm{\θ}}_{L1+2}-{\mathrm{\θ}}_{L1})\left({\mathrm{\θ}}_{L1+2}{-\mathrm{\θ}}_{L1+1}\right)}$

6g)若|s’_L3+3|＜ε，ε为预先设定的误差限，则输出这个θ_L3点为P_L3；若|s’_L3+3|≥ε，则到步骤6h

6h)θ_L3＝θ_L3-h，h为预先设定的步长，且h＜0.1，重复步骤6f～6g直到θ_L3小于等于θ_L1。

7)计算主瓣右下降3分贝点P_R3，如图3所示；

7a)从主瓣位置开始，在序列z_m中搜索满足条件4且角度值最小的点z_R1(θ_R1，s_R1)

条件4  s_m＜-3且α_max＜θ_m＜β_R1

7b)计算z_R1与其左邻点z_R1-1之间连线与平行于横轴的直线s＝-3的交点z_R3(θ_R3，s_R3)，

7c)如果z_R3与z_R1的距离小于z_R3与z_R1-1的距离，则取z_R1-1、z_R1、z_R1+1三个点为插值节点；如果z_R3与z_R1的距离大于z_R3与z_R1-1的距离，则取z_R1-2、z_R1-1、z_R1三个点为插值节点；

7d)利用上述插值节点，使用Lagrange插值法，计算横坐标为θ_R3的点对应的幅度值s’_R3；

$s_{R3}^{\′}=s_{R1-1}\frac{({\mathrm{\θ}}_{R3}-{\mathrm{\θ}}_{R1})({\mathrm{\θ}}_{R3}-{\mathrm{\θ}}_{R1+1})}{({\mathrm{\θ}}_{R1-1}-{\mathrm{\θ}}_{R1})({\mathrm{\θ}}_{R1-1}-{\mathrm{\θ}}_{R1+1})}+s_{R1}\frac{({\mathrm{\θ}}_{R3}-{\mathrm{\θ}}_{R1-1})({\mathrm{\θ}}_{R3}-{\mathrm{\θ}}_{R1+1})}{({\mathrm{\θ}}_{R1}-{\mathrm{\θ}}_{R1-1})({\mathrm{\θ}}_{R1}-{\mathrm{\θ}}_{R1+1})}+s_{R1+1}\frac{({\mathrm{\θ}}_{R3}-{\mathrm{\θ}}_{R1-1})({\mathrm{\θ}}_{R3}-{\mathrm{\θ}}_{R1})}{({\mathrm{\θ}}_{R1+1}-{\mathrm{\θ}}_{R1-1})\left({\mathrm{\θ}}_{R1+1}{-\mathrm{\θ}}_{R1}\right)}$

或者

$s_{R3}^{\′}=s_{R1-2}\frac{({\mathrm{\θ}}_{R3}-{\mathrm{\θ}}_{R1-1})({\mathrm{\θ}}_{R3}-{\mathrm{\θ}}_{R1})}{({\mathrm{\θ}}_{R1-2}-{\mathrm{\θ}}_{R1-1})({\mathrm{\θ}}_{R1-2}-{\mathrm{\θ}}_{R1})}+s_{R1-1}\frac{({\mathrm{\θ}}_{R3}-{\mathrm{\θ}}_{R1-2})({\mathrm{\θ}}_{R3}-{\mathrm{\θ}}_{R1})}{({\mathrm{\θ}}_{R1-1}-{\mathrm{\θ}}_{R1-2})({\mathrm{\θ}}_{R1-1}-{\mathrm{\θ}}_{R1})}+s_{R1}\frac{({\mathrm{\θ}}_{R3}-{\mathrm{\θ}}_{R1-2})({\mathrm{\θ}}_{R3}-{\mathrm{\θ}}_{R1-1})}{({\mathrm{\θ}}_{R1}-{\mathrm{\θ}}_{R1-2})\left({\mathrm{\θ}}_{R1}{-\mathrm{\θ}}_{R1-1}\right)}$

7e)|s’_R3+3|＜ε，ε为预先设定的误差限，则输出这个θ_R3为P_R3；若|s’_R3+3|≥ε，则到步骤7f

7f)θ_R3＝θ_R3+h，h为预先设定的步长，且h＜0.1，重复步骤7d～7e直到θ_R3大于等于θ_R1。

8)计算下降3分贝波束宽度γ-3＝P_R3-P_L3

与现有技术相比，本发明具有的优点及显著效果：

1)水声换能器指向性响应的分析完全由计算机自动完成，不需要人工读取数据；

2)对机械回转装置的旋转速度没有严格要求，在只能获得较少测量数据点的情况下(机械回转装置旋转速度较快)，仍然能够准确得到下降3分贝波束宽度；

3)不需要进行主瓣位置对准，测量过程中，待测换能器只需要旋转一周便可获得各种换能器指向性响应参数；

4)换能器指向性响应参数分析之前的数据平滑方法能够很好地消除测量过程中随机误差的影响；

5)本方法具有较好的可实现性。

附图说明

图1是本发明的流程框图；

图2是指向性响应极大值和极小值搜索结果；

图3是下降3分贝波束宽度迭代算法示意图；

图4是换能器指向性响应测量数据曲线；

图5是经平滑过的换能器指向性响应测量数据曲线；

图6是换能器指向性响应数据极大值和极小值搜索结果。

具体实施方式

对指向性响应测量数据进行合理性检查和平滑，搜索指向性响应测量数据中极大值和极小值的位置，确定指向性起伏，则搜索主瓣位置、旁瓣位置和旁瓣级，利用迭代方法获得下降3分贝波束宽度，包括如下过程：

实施例1

一种应用于水声换能器指向性响应的自动分析方法

1)对水声换能器指向性响应测量数据进行合理性检查。设水声换能器指向性响应测量数据有N₀点，用序列x_m(θ_m，a_m)表示，其中θ_m为角度，a_m为对应于θ_m角度处的信号幅度，m＝0，1，…，N₀-1，由于水声换能器指向性响应测量所使用的回转系统回送的角度精度有限(通常最小为0.1度)，当回转系统旋转速度较慢时，测量数据中可能出现θ_m为同一个角度的多组数值，这样的数据定义为不合理的数据。首先要对原始测量数据的合理性进行检查：当一个角度在测量数据中重复出现时，以该角度第一次出现时测量得到的那组数据为准，其余角度与之重复的数据全部舍弃。经过数据合理性检查后，指向性测量数据剩余N点，并且有50≤N≤N₀，如图4所示。

2)对第1)步处理后的水声换能器指向性响应测量数据进行平滑，如图5所示；

2a)将N点的测量数据扩展为2N点的新序列y_n(θ_n，a_n)，y_n与p_n的关系为：

$y_n=\left\{\begin{array}{cc}{x}_n& 0\≤n\≤N-1\\ x_{2N-n-1}& N\≤n\≤2N-1\end{array}\right.$

2b)计算序列y_n中信号幅度数据a_n的离散傅里叶变换A_k；

$\begin{array}{cc}{A}_k=\underset{n=0}{\overset{2N-1}{\mathrm{\Σ}}}{a}_k{W}_{2N}^{\mathrm{nk}}& k=\mathrm{0,1,2}...,2N-1\end{array}$

其中W_N＝e^-j2π/N，j为虚数单位；

2c)令序列X_k为

$X_k=\left\{\begin{array}{cc}\frac{1}{2\sqrt{N}}{A}_k& k=0\\ \frac{1}{\sqrt{2N}}{W}_{2N}^{k/2}{A}_k& k=\mathrm{1,2},...,N-1\end{array}\right.$

2d)保留X_k的主要分量，去除X_k的次要分量，得到X’_k，即令

$X_k^{\′}=\left\{\begin{array}{cc}{X}_k& 0\≤k\≤49\\ 0& 50\≤k\≤N-1\end{array}\right.$

2e)重构序列A_k为A’_k；

$A_k^{\′}=\left\{\begin{array}{cc}2\sqrt{N}{X}_k^{\′}& k=0\\ \sqrt{2N}{W}_{2N}^{-k/2}{X}_k^{\′}& 1\≤k\≤N-1\\ 0& k=N\\ {\left(\sqrt{2N}{W}_{2N}^{-(2N-k-1)/2}{X}_{2N-k-1}^{\′}\right)}^{*}& N+1\≤k\≤2N-1\end{array}\right.$

2f)计算序列A’_k的逆离散傅里叶变换，得到经过平滑的信号幅度序列S_m；

$\begin{array}{cc}{S}_m=\frac{1}{N}\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{A}_k^{\′}{W}_N^{-\mathrm{km}}& m=\mathrm{0,1,2}...,N-1\end{array}$

2g)对数据进行归一化并取对数，即令

$\begin{array}{cc}{s}_m=20\log \frac{S_m}{\max S_m}& m=\mathrm{0,1,2}...,N-1\end{array}$

其中maxS_m为序列S_m的最大值。

3)由s_m和θ_m构成新的序列z_m(θ_m，s_m)，搜索序列s_m的极大值和极小值分别构成序列P_i和序列V_l：若s_i满足如下条件1，则s_i为一个极大值，极大值对应的角度为α_i；若s_l满足如下条件2，则s_l为一个极小值，极小值对应的角度为β_l。

条件1  3≤i≤N-4，s_i-3≤s_i-2≤s_i-1≤s_i≤s_i+1≤s_i+2≤s_i+3

条件2  3≤l≤N-4，s_l-3≥s_l-2≥s_l-1≥s_l，s_l≤s_l+1≤s_l+2≤s_l+3

4)在极大值序列P_i中搜索最大值P_max，对应的角度为α_max；在极小值序列V_l中搜索最小值V_min，对应的角度为β_min，如图6所示，令指向性响应起伏

σ_d＝V_min-P_max

若σ_d＞-3，则判定换能器为全向换能器，结束指向性响应分析；若σ_d≤-3，则继续以下步骤。

5)令主瓣位置为α_max，搜索α_max附近的两个极大值位置：若α_SL1为序列α_i中所有小于α_max的角度中的最大值，则令左旁瓣位置为α_SL1，对应的旁瓣级为P_SL1；若α_SR1为序列α_i中所有大于α_max的角度中的最小值，则令右旁瓣位置为α_SR1，对应的旁瓣级为P_SR1。

若找不到满足上述条件的α_SL1和α_SR1则认为换能器指向性响应无旁瓣。

6)计算主瓣左下降3分贝点P_L3

6a)以角度θ为横坐标，信号幅度s为纵坐标，建立平面直角坐标系，则序列z_m(θ_m，s_m)可以表示为θ-s平面上N个离散的点；

6b)令β_L1表示序列β_l中所有小于α_max的角度中的最大值，β_R1表示序列β_l中所有大于α_max的角度中的最小值；

6c)从主瓣位置开始，在序列z_m中搜索满足条件3且角度值最大的点z_L1(θ_L1，s_L1)

条件3  s_m＜-3且  β_L1＜θ_m＜α_max

6d)计算z_L1及其右邻点z_L1+1之间的连线与平行于横轴的直线s＝-3的交点z_L3(θ_L3，s_L3)；

6e)如果z_L3与z_L1的距离小于z_L3与z_L1+1的距离，则取z_L1+1、z_L1、z_L1-1三个点为插值节点；如果z_L3与z_L1的距离大于z_L3与z_L1+1的距离，则取z_L1、z_L1+1、z_L1+2三个点为插值节点；

6f)利用上述插值节点，使用Lagrange插值法，计算横坐标为θ_L3的点对应的幅度值s’_L3；

$s_{L3}^{\′}=s_{L1-1}\frac{({\mathrm{\θ}}_{L3}-{\mathrm{\θ}}_{L1})({\mathrm{\θ}}_{L3}-{\mathrm{\θ}}_{L1+1})}{({\mathrm{\θ}}_{L1-1}-{\mathrm{\θ}}_{L1})({\mathrm{\θ}}_{L1-1}-{\mathrm{\θ}}_{L1+1})}+s_{L1}\frac{({\mathrm{\θ}}_{L3}-{\mathrm{\θ}}_{L1-1})({\mathrm{\θ}}_{L3}-{\mathrm{\θ}}_{L1+1})}{({\mathrm{\θ}}_{L1}-{\mathrm{\θ}}_{L1-1})({\mathrm{\θ}}_{L1}-{\mathrm{\θ}}_{L1+1})}+s_{L1+1}\frac{({\mathrm{\θ}}_{L3}-{\mathrm{\θ}}_{L1-1})({\mathrm{\θ}}_{L3}-{\mathrm{\θ}}_{L1})}{({\mathrm{\θ}}_{L1+1}-{\mathrm{\θ}}_{L1-1})\left({\mathrm{\θ}}_{L1+1}{-\mathrm{\θ}}_{L1}\right)}$

或者

$s_{L3}^{\′}=s_{L1}\frac{({\mathrm{\θ}}_{L3}-{\mathrm{\θ}}_{L1+1})({\mathrm{\θ}}_{L3}-{\mathrm{\θ}}_{L1+2})}{({\mathrm{\θ}}_{L1}-{\mathrm{\θ}}_{L1+1})({\mathrm{\θ}}_{L1}-{\mathrm{\θ}}_{L1+2})}+s_{L1+1}\frac{({\mathrm{\θ}}_{L3}-{\mathrm{\θ}}_{L1})({\mathrm{\θ}}_{L3}-{\mathrm{\θ}}_{L1+2})}{({\mathrm{\θ}}_{L1+1}-{\mathrm{\θ}}_{L1})({\mathrm{\θ}}_{L1+1}-{\mathrm{\θ}}_{L1+2})}+s_{L1+2}\frac{({\mathrm{\θ}}_{L3}-{\mathrm{\θ}}_{L1})({\mathrm{\θ}}_{L3}-{\mathrm{\θ}}_{L1+1})}{({\mathrm{\θ}}_{L1+2}-{\mathrm{\θ}}_{L1})\left({\mathrm{\θ}}_{L1+2}{-\mathrm{\θ}}_{L1+1}\right)}$

6g)若|s’_L3+3|＜ε，ε为预先设定的误差限，则输出这个θ_L3点为P_L3；若|s’_L3+3|≥ε，则到步骤6h

6h)θ_L3＝θ_L3-h，h为预先设定的步长，且h＜0.1，重复步骤6f～6g直到θ_L3小于等于θ_L1。

7)计算主瓣右下降3分贝点P_R3

7a)从主瓣位置开始，在序列z_m中搜索满足条件4且角度值最小的点z_R1(θ_R1，s_R1)

条件4  s_m＜-3且α_max＜θ_m＜β_R1

7b)计算z_R1与其左邻点z_R1-1之间连线与平行于横轴的直线s＝-3的交点z_R3(θ_R3，s_R3)，

7c)如果z_R3与z_R1的距离小于z_R3与z_R1-1的距离，则取z_R1-1、z_R1、z_R1+1三个点为插值节点；如果z_R3与z_R1的距离大于z_R3与z_R1-1的距离，则取z_R1-2、z_R1-1、z_R1三个点为插值节点；

7d)利用上述插值节点，使用Lagrange插值法，计算横坐标为θ_R3的点对应的幅度值s’_R3；

$s_{R3}^{\′}=s_{R1-1}\frac{({\mathrm{\θ}}_{R3}-{\mathrm{\θ}}_{R1})({\mathrm{\θ}}_{R3}-{\mathrm{\θ}}_{R1+1})}{({\mathrm{\θ}}_{R1-1}-{\mathrm{\θ}}_{R1})({\mathrm{\θ}}_{R1-1}-{\mathrm{\θ}}_{R1+1})}+s_{R1}\frac{({\mathrm{\θ}}_{R3}-{\mathrm{\θ}}_{R1-1})({\mathrm{\θ}}_{R3}-{\mathrm{\θ}}_{R1+1})}{({\mathrm{\θ}}_{R1}-{\mathrm{\θ}}_{R1-1})({\mathrm{\θ}}_{R1}-{\mathrm{\θ}}_{R1+1})}+s_{R1+1}\frac{({\mathrm{\θ}}_{R3}-{\mathrm{\θ}}_{R1-1})({\mathrm{\θ}}_{R3}-{\mathrm{\θ}}_{R1})}{({\mathrm{\θ}}_{R1+1}-{\mathrm{\θ}}_{R1-1})\left({\mathrm{\θ}}_{R1+1}{-\mathrm{\θ}}_{R1}\right)}$

或者

$s_{R3}^{\′}=s_{R1-2}\frac{({\mathrm{\θ}}_{R3}-{\mathrm{\θ}}_{R1-1})({\mathrm{\θ}}_{R3}-{\mathrm{\θ}}_{R1})}{({\mathrm{\θ}}_{R1-2}-{\mathrm{\θ}}_{R1-1})({\mathrm{\θ}}_{R1-2}-{\mathrm{\θ}}_{R1})}+s_{R1-1}\frac{({\mathrm{\θ}}_{R3}-{\mathrm{\θ}}_{R1-2})({\mathrm{\θ}}_{R3}-{\mathrm{\θ}}_{R1})}{({\mathrm{\θ}}_{R1-1}-{\mathrm{\θ}}_{R1-2})({\mathrm{\θ}}_{R1-1}-{\mathrm{\θ}}_{R1})}+s_{R1}\frac{({\mathrm{\θ}}_{R3}-{\mathrm{\θ}}_{R1-2})({\mathrm{\θ}}_{R3}-{\mathrm{\θ}}_{R1-1})}{({\mathrm{\θ}}_{R1}-{\mathrm{\θ}}_{R1-2})\left({\mathrm{\θ}}_{R1}{-\mathrm{\θ}}_{R1-1}\right)}$

7e)|s’_R3+3|＜ε，ε为预先设定的误差限，则输出这个θ_R3为P_R3；若|s’_R3+3|≥ε，则到步骤7f

7f)θ_R3＝θ_R3+h，h为预先设定的步长，且h＜0.1，重复步骤7d～7e直到θ_R3大于等于θ_R1。

8)计算下降3分贝波束宽度γ-3＝P_R3-P_L3

实施例2

水声换能器指向性响应测量数据为x_m，其中m＝0，1，…，N₀-1，N₀＝1130，如图4所示；对x_m进行数据合理性检查和平滑后得到序列z_m，如图5所示；搜索极大值和极小值序列可以得到序列P_n和V_n，P_max＝0分贝，α_max＝-0.4度，V_min＝-47.53分贝，β_min＝60.9度，σ_d＝-47.49分贝，如图6所示，因此主瓣位置为-0.39度，在主瓣位置左右搜索最大旁瓣和旁瓣级，得到α_SL1＝-20.0度，P_SL1＝-12.52分贝，α_SR1＝16.8度，P_SL1＝-12.35分贝；取ε＝0.01，h＝0.0001，左侧的插值节点为(-6.6，-3.22)、(-6.4，-3.07)、(-6.3，-2.92)，右侧的插值节点为(5.0，-2.67)、(52，-2.86)、(5.4，-3.05)，可以得到左侧下降3分贝点为θ_L3＝-6.38度，右侧下降3分贝点为θ_R3＝5.32度，下降3分贝波束宽度γ-3＝11.70。

Claims (7)

1.一种应用于水声换能器指向性响应的自动分析方法，其特征在于：

首先对水声换能器指向性响应测量数据进行合理性检查；

再对水声换能器指向性响应测量数据进行平滑；

然后搜索指向性响应测量数据中极大值和极小值的位置：

当极大值中的最大值和极小值中的最小值的差值小于门限时，则输出换能器指向性响应起伏参数；

当极大值中的最大值和极小值中的最小值的差值大于门限时，则输出主瓣位置、旁瓣位置和旁瓣级；再利用迭代方法计算换能器下降3分贝波束宽度。

2.根据权利要求1所述的应用于水声换能器指向性响应的自动分析方法，其特征是对水声换能器指向性响应测量数据进行合理性检查的步骤包括：

设水声换能器指向性响应测量数据有N₀点，用序列x_m(θ_m，a_m)表示，其中θ_m为角度，a_m为对应于θ_m角度处的信号幅度，m＝0，1，…，N₀-1；由于水声换能器指向性响应测量所使用的回转系统回送的角度精度有限，当回转系统旋转速度较慢时，测量数据中可能出现θ_m为同一个角度的多组数值，这样的数据定义为不合理的数据，具体来说：

当一个角度在测量数据中重复出现时，以该角度第一次出现时测量得到的那组数据为准，其余角度与之重复的数据全部舍弃；经过数据合理性检查后，指向性测量数据剩余N点，并且有50≤N≤N₀。

3.根据权利要求2所述的应用于水声换能器指向性响应的自动分析方法，其特征是对合理的水声换能器指向性响应测量数据进行平滑，步骤包括：

a)将N点的测量数据扩展为2N点的新序列y_n(θ_n，a_n)，y_n与p_n的关系为：

b)计算序列y_n中信号幅度数据a_n的离散傅里叶变换A_k；

其中W_N＝e^-j2π/N，j为虚数单位； 

c)令序列X_k为

d)保留X_k的主要分量，去除X_k的次要分量，得到X’_k，即令

e)重构序列A_k为A’_k；

f)计算序列A’_k的逆离散傅里叶变换，得到经过平滑的信号幅度序列S_m；

g)对数据进行归一化并取对数，即令

其中maxS_m为序列S_m的最大值。

4.根据权利要求3所述的应用于水声换能器指向性响应的自动分析方法，其特征是搜索指向性响应测量数据中极大值和极小值的位置的步骤包括：

由s_m和θ_m构成新的序列z_m(θ_m，s_m)，搜索序列s_m的极大值和极小值分别构成序列P_i和序列V_l：若s_i满足如下条件1，则s_i为一个极大值，极大值对应的角度为α_i；若s_l满足如下条件2，则s_l为一个极小值，极小值对应的角度为β_l；

条件1  3≤i≤N-4，s_i-3≤s_i-2≤s_i-1≤s_i≤s_i+1≤s_i+2≤s_i+3

条件2  3≤l≤N-4，s_l-3≥s_l-2≥s_l-1≥s_l，s_l≤s_l+1≤s_l+2≤s_l+3 。

5.根据权利要求4所述的应用于水声换能器指向性响应的自动分析方法，其特征是判断当极大值中的最大值和极小值中的最小值的差值与门限的大小，门限值选取-3： 

在极大值序列P_i中搜索最大值P_max，对应的角度为α_max；在极小值序列V_l中搜索最小值V_min，对应的角度为β_min，令指向性响应起伏

σ_d＝V_min-P_max

若σ_d＞-3，则判定换能器为全向换能器，结束指向性响应分析；

若σ_d≤-3，则继续指向性响应分析。

6.根据权利要求5所述的应用于水声换能器指向性响应的自动分析方法，其特征是确定主瓣位置、旁瓣位置和旁瓣级：

令主瓣位置为α_max，搜索α_max附近的两个极大值位置：

条件1)：若α_SL1为序列α_i中所有小于α_max的角度中的最大值；满足条件1)则令左旁瓣位置为α_SL1，对应的旁瓣级为P_SL1；

条件2)：若α_SR1为序列α_i中所有大于α_max的角度中的最小值；满足条件2)则令右旁瓣位置为α_SR1，对应的旁瓣级为P_SR1；

若找不到满足上述条件1)或2)的α_SL1和α_SR1，则认为换能器指向性响应无旁瓣。

7.根据权利要求5所述的应用于水声换能器指向性响应的自动分析方法，其特征是

A、计算主瓣左下降3分贝点P_L3

a)以角度θ为横坐标，信号幅度s为纵坐标，建立平面直角坐标系，则序列z_m(θ_m，s_m)可以表示为θ-s平面上N个离散的点；

b)令β_L1表示序列β_l中所有小于α_max的角度中的最大值，β_R1表示序列β_l中所有大于α_max的角度中的最小值； 

c)从主瓣位置开始，在序列z_m中搜索满足条件3且角度值最大的点z_L1(θ_L1，s _L1)

条件3  s_m＜-3且β_L1＜θ_m＜α_max

d)计算z_L1及其右邻点z_L1+1之间的连线与平行于横轴的直线s＝-3的交点z_L3(θ_L3，s_L3)；

e)如果z_L3与z_L1的距离小于z_L3与z_L1+1的距离，则取z_L1+1、z_L1、z_L1-1三个点为插值节点；如果z_L3与z_L1的距离大于z_L3与z_L1+1的距离，则取z_L1、z_L1+1、z_L1+2三个点为插值节点；

f)利用上述插值节点，使用Lagrange插值法，计算横坐标为θ_L3的点对应的幅度值s’_L3；

或者

g)若|s’_L3+3|＜ε，ε为预先设定的误差限，则输出这个θ_L3点为P_L3；若|s’_L3+3|≥ε，则继续；

h)θ_L3＝θ_L3-h，h为预先设定的步长，且h＜0.1，重复步骤6f～6g直到θ_L3小于等于θ_L1；

B、计算主瓣右下降3分贝点P_R3

a)从主瓣位置开始，在序列z_m中搜索满足条件4且角度值最小的点z_R1(θ_R1，s _R1)

条件4  s_m＜-3且α_max＜θ_m＜β_R1

b)计算z_R1与其左邻点z_R1-1之间连线与平行于横轴的直线s＝-3的交点z_R3(θ_R3，s _R3)，

c)如果z_R3与z_R1的距离小于z_R3与z_R1-1的距离，则取z_R1-1、z_R1、z_R1+1三个点为插值节点；如果z_R3与z_R1的距离大于z_R3与z_R1-1的距离，则取z_R1-2、z_R1-1、z_R1三个点 为插值节点；

d)利用上述插值节点，使用Lagrange插值法，计算横坐标为θ_R3的点对应的幅度值s’_R3；

或者

e)|s’_R3+3|＜ε，ε为预先设定的误差限，则输出这个θ_R3为P_R3；若|s’_R3+3|≥ε，则到步骤7f

f)θ_R3＝θ_R3+h，h为预先设定的步长，且h＜0.1，重复步骤7d～7e直到θ_R3大于等于θ_R1；

根据A和B，计算下降3分贝波束宽度γ-3＝P_R3-P_L3，输出分析结果。 

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