CN102590804A - 一种多普勒声纳陆上测试系统及其测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种多普勒声纳陆上测试系统及方法，所述系统包括：用于发射多通道声信号并接收多通道回波信号的多普勒声纳、与多普勒声纳对接的对接模块以及数据处理模块，该数据处理模块接收对接模块中信号调理电路调理后的信号，并根据接收到的信号运算以发送控制信号给所述信号调理电路对所述对接模块接收到的多通道信号进行调理，并产生多通道的模拟回波信号；所述多普勒声纳接收到的模拟回波信号与其发射信号对比计算，得到多普勒频移参数，从而得到相对速度和深度。本发明可减少陆上测试多普勒声纳性能的过程中对耦合损失等外部因素的影响，提高测试精度，降低系统误差。

Description

一种多普勒声纳陆上测试系统及其测试方法

技术领域

本发明涉及多普勒声纳测试技术领域，具体涉及一种应用自动增益补偿和耦合损失补偿的多普勒声纳陆上测试系统及其测试方法。

背景技术

多普勒声纳是一种利用多普勒效应进行测速的声纳设备，常规阵多普勒声纳通常由一个发射机生成发射信号，之后通过换能器向多个波束方向发射，并使用多个通道分别接收回声，最后通过计算各通道回波信号中的多普勒频移，从而获得多普勒声纳对水底或水层的相对速度，以达到测速目的。该种设备现已广泛应用于流速测量、导航等领域。

由于多普勒声纳的正常工作环境是在水中，因此通常情况下，需要通过航行实验中多普勒声纳与差分GPS数据比对的方法来对多普勒声纳的主要功能和性能进行考核。然而，这种在航行实验中验证考核方法成本高、时间长，且易受海况、海深等外界环境因素的影响。而实验室中的测试主要是针对电子组件，无法对整个多普勒声纳的工作性能进行判断。

为了实现非航行状态下对多普勒声纳的性能测试，可以将多普勒声纳发射的声波转化为电信号进行处理，经过适当的信号处理后，再发送模拟回波信号，通过换能器转化为声波实现多普勒声纳发射声波的声传播仿真，以此达到检验声纳工作性能的目的。

例如，公开号为CN101458331A的中国发明专利中公开了一种多普勒声纳测试的声对接装置，其系统架构如图1所示，该种声对接装置的原理是：在多普勒声纳的每个换能器的表面分别对接一个发射换能器，在四个换能器的其中一个的表面与一个发射换能器和一个接收换能器共同对接，通过耦合材料的选择和结构设计实现声耦合。具体说，多普勒声纳发射的声信号通过匹配材料传递给接收换能器，接收换能器将接收到的声信号转换成电信号发送给发射换能器，发射换能器将上述电信号转换成声信号并通过匹配材料耦合到多普勒声纳的换能器上。多普勒声纳接收上述声信号并处理，以得到速度和深度的测量值。将多普勒声纳的速度和深度的测量值与设定值比较，从而判断多普勒声纳的性能状态，进而实现多普勒声纳的陆上精度测试。

该种装置仅采用一个接收换能器，因此只能采集多普勒声纳的某一个固定通道的发射信号，也就无法反应多普勒声纳全部发射通道的情况；由于无法预知耦合损失等因素，因此也就无法避免因耦合效率不一致导致的各个通道所接收到的多普勒声纳发射信号转化后的电信号幅度不一致的情况；并且检测系统发射的模拟回波信号通过耦合后受耦合损失等因素影响也会出现各个通道的信号幅度不一致的问题；在耦合对接的过程中信号衰减的程度无法预知，因此可能导致信号的幅度与信号在海洋中的声传播损失规律不相符，造成用于仿真的模拟回波信号出现失真的情况。

因此，如何提供一种测试系统，以实现对海洋环境仿真，实现对多普勒声纳实现高精确度的陆上测试，是业内亟待解决的问题。。

发明内容

有鉴于此，本发明的第一目的是提供一种多普勒声纳陆上测试系统，以模拟海洋环境，高精确度地对多普勒声纳进行陆上测试。

本发明的另一目的是提供一种多普勒声纳陆上测试方法，以解决上述测试装置所存在的测试精度较低的问题。

一种多普勒声纳陆上测试系统，所述多普勒声纳发射多通道声信号并接收多通道模拟回波信号，包括：对接模块，其与所述多普勒声纳的多通道信号对接；数据处理模块，其接收所述对接模块传送的信号，产生多通道的模拟回波信号，并通过所述对接模块将该数据处理模块产生的模拟回波信号返回给所述多普勒声纳；其中，所述数据处理模块对所述模拟回波信号进行补偿，以获得与多普勒声纳在水中声波回波的强度相当的调整后模拟回波信号，所述对接模块将该调整后的模拟回波信号发送给所述多普勒声纳；所述多普勒声纳接收到的模拟回波信号与其发射信号对比计算，得到多普勒参数，从而得到相对速度和深度。

本发明提供的一种多普勒声纳陆上测试方法，该方法包括：对接模块接收与多普勒声纳耦合后的耦合信号；采集耦合后的多普勒声纳发射信号；生成模拟回波信号；调整生成的模拟回波信号；多普勒声纳接收调整后模拟回波信号，计算所需数值；将测得数值与测试设定值比较，以判断多普勒声纳的工作性能。

由于采用了以上的技术方案，使得本发明相比于现有技术，具有如下的优点和积极效果：

采用本发明提供的多普勒声纳陆上测试系统和方法，可以通过模拟海上航行时的状态，对多普勒声纳的性能进行测试；并且，无需人工进行各个通道的信号幅度调整，检测系统可以按照海洋声传播的理论模型进行仿真参数设定，对多普勒声纳的发射信号和模拟回波信号进行增益补偿和耦合损失补偿，得到模拟回波信号，从而计算相对速度和深度，并根据测得的相对速度及深度和系统预设值比较，以获取多普勒声纳的性能参数。

本发明提高了多普勒声纳的陆上检测精度，避免了耦合损失等外部因素对陆上测试的影响。

附图说明

图1是现有技术的一种多普勒声纳陆上测试系统的架构图；

图2为本发明的系统架构图；

图3是Janus配置波束倾角示意图；

图4为本发明的运行状态原理图。

具体实施方式

为便于理解，下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

本发明提供一种多普勒声纳陆上测试系统，用于模拟多普勒声纳在海上航行中的测试过程，包括：多普勒声纳，用于发射多通道声信号，并接收多通道模拟回波信号；对接模块，其与所述多普勒声纳对接，该对接模块包括一信号调理电路；数据处理模块，其接收所述信号调理电路调理后的信号，并根据接收到的信号运算以发送控制信号给所述信号调理电路对所述对接模块接收到的多通道信号进行调理，并产生多通道的模拟回波信号；所述数据处理模块发送增益控制信号给所述信号调理电路，由该信号调理电路对所述对接模块采集到的多普勒声纳的发射信号进行增益补偿和耦合损失补偿；并且，该数据处理模块根据所述增益补偿的数值和耦合损失，对所述模拟回波信号进行调整，并将调整后的模拟回波信号发送给所述多普勒声纳；所述多普勒声纳接收到的模拟回波信号与其发射信号对比计算，得到包含多普勒频移和延时等在内的多普勒参数，从而得到相对速度和深度。

请参考附图2，为本发明提供的测试系统的一种实施例的架构图，如图2所示，检测系统100包括数据处理模块120和对接模块110两主体部分。常规地，多普勒声纳包括多个换能器，这些换能器组成一个换能器阵列。在本实施例中，采用了4个换能器，但是并不作为限制，也可配置为8个或者更多。对接模块110同样包括4个与多普勒声纳的4个换能器一一对应且分别耦合的换能器，以及一个处理模拟信号的信号调理电路111。

数据处理模块120则包括多个信号转换的通道和一个作为控制核心组件的控制器121，当然也可称之为CPU、处理器等等，在此仅以其功能作为举例，而不限制在其名称。具体地，数据处理模块120的信号转换通道包含高速A/D转换通道和高速D/A转换通道，例如模数转换器或者数模转换器。高速A/D转换通道的通道数与多普勒声纳的换能器阵元数相一致，例如分别有4个完成信号处理电路产生的信号向控制器传输的A/D转换通道和四个控制器产生的模拟回波信号向信号处理电路发送的D/A转换通道。此外，数据处理模块中还增加了低速D/A通道用于输出增益控制电压给信号处理电路完成对发射信号或模拟回波信号的增益补偿，并通过控制器121控制整个系统工作以及信号处理和参数计算等功能。

如图3所示，以Janus配置(一种多普勒声纳四波束正交的配置方式，国内外很多多普勒声纳采用了这种配置)的常规阵多普勒声纳测试过程为例，多普勒声纳检测系统通过对接模块的四个换能器与Janus配置的常规阵多普勒声纳的换能器间耦合对接，但是换能器的数目并不作为限制，可以是更多，也可以更少。只要满足需要检测的通道数目即可。并且，与现有技术中采用的单路接收多路发射对接装置相比，检测系统对接模块110使用收发合置换能器，也就是说对接模块和多普勒声纳的耦合器都是同时具有发射换能和接收换能功能的换能器，具备声信号/电信号之间的转化功能。对接模块110的换能器与多普勒声纳的换能器一一对应，且相对应的一对换能器之间，通过耦合剂(如YM100医用超声耦合剂)提高耦合效率使通过耦合后的发射信号通过检测阈值。

在本实施例中，采用多路接收多路发射的方式，多通道同时进行。也就是说，检测系统中发射换能器和接收换能器的数量相同，使多普勒声纳和检测系统之间的耦合过程互逆。这种对接模块的设计可使得根据每一路接收到的电信号幅度动态补偿发射模拟回波信号在耦合过程中的损失。

检测系统与多普勒声纳的通讯接口连接，使其能够获得多普勒声纳的输出结果，并将输出结束通过显示界面显示，完成参数比较，以获取经过检测的多普勒声纳的工作性能。

请参考图4、藉由上述的系统，可以实现如下所示的多普勒声纳陆上检测方法，该方法采用具备自动增益补偿和耦合损失补偿，步骤如下：

步骤一、检测系统完成初始参数的设置；

在系统中设定待测底深H和三维坐标系下的多普勒声纳对底相对速度值V_x、V_y、V_z，这些数据是用来模拟航行中水下的运行状态。

步骤二、分路采集经过耦合得到各通道多普勒声纳发射信号转化后的电信号；

具体地说，多普勒声纳发送4路声信号，经耦合后转换为4路电信号，驱动检测设备，也就是将低速待测的电信号通过低速A/D转换装置转换后，发送给控制器，完成初始信号的采集。

步骤三、对采集到的上述发射信号进行自动增益补偿，并记录增益补偿数值；

采用自动增益补偿的方法处理的目的是使4个通道的信号幅度一致并满足预设门限值，方法如下：

检测系统以预设的增益控制电压调整发射信号的增益，在满足信噪比的前提下将过门限(也就是在门限值之内)的发射信号进行处理，得到发射信号的采样信号幅度。检测系统以初始增益控制电压调整发射信号的增益，再以20log(V/V_AD)进行粗调，其中V为耦合转化后的电信号采样幅值，V_AD为检测系统接收信号目标幅值。

之后，对粗调后的信号进行微调，采用步长自适应调整的方法进行调整，方法如下：

V(n+1)＝V(n)+γ(n)

其中γ(n)为步长，其本身随着目标幅值的逼近进行自适应调整，调整步长可根据精度要求进行设定。

当信号幅度进入门限值后调整结束时，各通道信号幅度一致，记录每个通道的增益补偿值G_AD1......G_ADn。

输出信号增益补偿应使多普勒声纳接收到的信号总增益G′＝TL(TL为声纳方程中的传播损失)。

通过控制器发送增益控制电压来调整信号调理电路的输入和输出通道增益，完成对输入和输出信号幅度增益补偿。使用自动计算参数配合信号幅度反馈的方法使增益控制电压随信号幅度的变化而调整，直到信号幅度调整到预定值。增益补偿动态范围应大于多普勒声纳自身的动态范围保证检测系统的检测范围能够包含多普勒声纳的作用距离。

步骤四、生成模拟回波信号：

首先，按照多普勒声纳发射信号的脉冲宽度，中心频率，编码形式等构造模拟回波信号。

之后，以发射信号的起始时刻为基准，按照

的关系构造延时后将模拟回波信号发出。其中H为设定的待测底深，c为声速，

为声纳波束倾角。

接着，按照设定步骤一中的测试速度值生成各个通道多普勒频移，调整模拟回波信号的频率，方法如下：

其中f₁、f₂、f₃、f₄为通道1～通道4的多普勒频移(模拟回波信号频率与发射频率偏差)，c为声速，f₀为多普勒声纳中心频率，

为波束倾角的函数。Janus配置的多普勒声纳在水平面上的波束投影正交，有

V_x、V_y、V_z分别表示正交坐标系下的多普勒声纳各向速度设定值。

模拟回波信号中多普勒频移的生成通过高精度控制模拟回波信号产生速率的方法获得。

步骤五、对生成的模拟回波信号增益补偿，获得调整模拟回波信号。

以下介绍下补偿耦合损失的原理，补偿耦合损失补偿采用如下方式：

多普勒声纳的换能器为收发共用的合置换能器，在换能器设计过程中，换能器的接收灵敏度和发射灵敏度是确定的，而且需要保证4个通道的一致性。对接模块的换能器也具有同样的性质。

经过换能器耦合对接，从对接模块采集到的各通道电信号幅度V_n与多普勒声纳的发射信号幅度V_T之间的关系：

20log(V_n)＝20log(V_T)+P′_n发-Δ-P_n收

其中P′_n发为第n通道多普勒声纳换能器的等效发射灵敏度，P_n收为第n通道对接模块换能器的等效接收灵敏度，Δ为耦合损失。

经过换能器耦合对接，从多普勒声纳端得到的各通道模拟回波信号幅度V′_n与对接模块端的模拟回波信号幅度V′_DAn之间的关系：

20log(V′_n)＝20log(V′_DAn)+P_n发-Δ-P′_n收

其中，P_n发为对接模块换能器的等效发射灵敏度，P′_n收为多普勒声纳换能器的等效接收灵敏度，Δ为耦合损失。

因此，信号从多普勒声纳发送至对接模块和由对接模块发送至多普勒声纳换能器的过程中的耦合损失过程互易，上述两公式联立：

20log(V_n)-20log(V_T)+P_n收-P′_n发＝20log(V′_n)-20log(V′_DAn)-P_n发+P′_n收    (1)

由于G＝20log(V′_DAn)-20log(V_DAn)    (2)

G_ADn＝20log(V_ADn)-20log(V_n)    (3)

多普勒声纳发射信号V_T对于各通道完全一致，需要保证多普勒声纳收到的模拟回波信号幅度V′_n一致，则有：

G_n＝G_b+ΔG_AD+ΔP

其中，G_n表示n通道的耦合损失补偿增益，G_b表示以某一个通道为基准通道的增益，ΔG_AD表示n通道相对基准通道采集信号增益补偿值偏差，ΔG_AD＝G_ADn-G_ADb，ΔP表示n通道相对基准通道的等效收发灵敏度偏差。

将(2)、(3)代人(1)，得到：

20log(V_ADn)-G_ADn-20log(V_T)+P_n收-P′_n发＝20log(V′_n)-G-20log(V_DAn)-P_n发+P′_n收即G＝G_ADn-20log(V_ADn)+20log(V_T)+20log(V′_n)-20log(V_DAn)-P_n发+P′_n收-P_n收+P′_n发(4)

由于四通道换能器的灵敏度已知，当采集通道的增益补偿值G_AD确定后，各通道间的耦合损失也随之确定。根据对接模块采集信号的损失补偿各个通道输出的模拟回波信号耦合损失，保证了多普勒声纳采集到的模拟回波信号的一致性不会受到耦合的外界因素影响而变化。

已知，从声源辐射声波声强SL，到接收回波的回声信号级声强SL’为

发射声源级与采集通道信号增益的关系为

SL＝20log(V_T)+C1   (6)

回声信号级与模拟回波增益的关系为

SL′＝20log(V′_n)+C2    (7)

综合自动增益补偿和耦合损失补偿方法，将(5)、(6)、(7)带入(4)得到模拟回波信号增益补偿G的经验公式：

其中，C为常数，G_AD为发射信号采样增益，V_AD为检测系统接收信号幅值，V_T为声纳发射电压，V_DA为检测系统发送回波的幅度(根据用户需要选择)，H为底深，a为吸收系数，BB为底反射强度，CI为编码参数，P表示等效收发灵敏度参数。

应用自动增益补偿和耦合损失补偿方法，降低了对接模块对于耦合过程中使用的匹配材料和对接模块耦合精确度的要求，保证了各通道模拟回波信号一致性。

步骤六、在多普勒接收调整后回波信号之前，还可以依照参数值修正模拟声速，进而修正各通道的多普勒频移，例如按照多普勒声纳的温度传感器及盐度和深度值实时修正模拟声速，4通道的多普勒频移也随之实时修正。

在本实施例中，声速的修正公式采用：

c＝1449.2+4.6T-5.5×10^-2T²+2.9×10^-4T³+(1.34-10^-2T)(S-35)+1.6×10^-2D

其中T为温度，S为盐度，D为深度。

如多普勒声纳温度传感器报出18°，盐度为30‰，设定V_x＝1，V_y＝2，V_z＝0，底深50m，根据上述方法获得的多普勒频移值分别为418.086Hz，139.362Hz，-418.086Hz，-139.362Hz，延时为76.5ms。当多普勒声纳传感器报出值变为20°，其余参数不变的情况下，多普勒频移值分别为416.5Hz，138.833Hz，-416.5Hz，-138.833Hz。在采用的声速修正公式不同时，上述的数据将会有所微调。

步骤七、多普勒声纳接收调整后模拟回波信号，根据此模拟回波信号，计算多普勒频移和延时，并根据多普勒频移和延时计算出此次检测的相对速度和深度；

步骤八、将测得的相对速度数值和深度数值与测试设定值比较，以判断多普勒声纳的工作性能。

采用本发明提供的系统和方法，具有如下的优点：

上述的采用自动增益补偿和耦合损失补偿的方法，无须人工进行各通道的信号幅度调整，检测系统会自动按照海洋声传播的理论模型进行仿真参数的设定，通过软件控制自主测试。

本发明应用易用性好，操作简单，有效的解决了多普勒声纳陆上检测的问题，避免耦合损失等外部因素对测试的影响，提高测试精度，降低了系统误差。

专业人员应该还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (16)

1.一种多普勒声纳陆上测试系统，所述多普勒声纳发射多通道声信号并接收多通道模拟回波信号，其特征在于，包括：

对接模块，其与所述多普勒声纳的多通道信号对接；

数据处理模块，其接收所述对接模块传送的信号，产生多通道的模拟回波信号，并通过所述对接模块将该数据处理模块产生的模拟回波信号返回给所述多普勒声纳；

其中，所述数据处理模块对所述模拟回波信号进行补偿，以获得与多普勒声纳在水中声波回波的强度相当的调整后模拟回波信号，所述对接模块将该调整后的模拟回波信号发送给所述多普勒声纳；

所述多普勒声纳接收到的模拟回波信号与其发射信号对比计算，得到多普勒参数，从而得到相对速度和深度。

2.如权利要求1所述的多普勒声纳陆上测试系统，其特征在于，所述对模拟回波信号进行补偿进一步包括增益补偿和对各个通道的耦合损失，以使个通道信号幅度相一致。

3.如权利要求2所述的多普勒声纳陆上测试系统，其特征在于，所述对接模块包括一信号调理电路，其接收多通道声纳发射声波经耦合转化后的电信号，并将电信号发送给所述数据处理模块，所述数据处理模块根据接收到的信号发出增益控制信号给所述信号调理电路，对接收到的电信号进行幅度调整，并记录补偿值。

4.如权利要求3所述的多普勒声纳陆上测试系统，其特征在于，所述数据处理模块进一步包括一控制器，其通过若干个模数转换通道与所述信号调理电路连接，并根据接收到的信号发出增益控制信号给所述信号调理电路，对接收到的电信号进行幅度调整，并记录自动增益补偿值。

5.如权利要求4所述的多普勒声纳陆上测试系统，其特征在于，所述控制器生成模拟回波信号，并根据记录的自动增益补偿值，对各通道的模拟回波信号进行补偿。

6.如权利要求1所述的多普勒声纳陆上测试系统，其特征在于，所述多普勒声纳包含第一换能器阵列，所述对接模块包括第二换能器阵列，该第一、第二换能器阵列分别包括复数个换能器，藉由该些换能器完成信号耦合，形成多个信号通道。

7.如权利要求6所述的多普勒声纳陆上测试系统，其特征在于，所述换能器均为具有发射换能和接收换能功能的合置换能器，且所述第一、第二换能器包含的换能器数目相同、一一对应。

8.如权利要求3所述的多普勒声纳陆上测试系统，其特征在于，所述数据处理模块进一步包括：

复数个高速A/D转换通道，用以将所述信号调理电路发出的模拟信号转换为数字信号，发送给所述控制器运算；

复数个高速D/A转换通道，用以将控制器发送的数字模拟回波信号转换为模拟信号并发送给所述信号调理电路。

9.如权利要求1所述的多普勒声纳陆上测试系统，其特征在于，所述模拟回波信号中包含了仿真声传播过程的多普勒频移、延时和传播损失信息。

10.一种多普勒声纳陆上测试方法，其特征在于，包括：

对接模块接收与多普勒声纳耦合后的耦合信号；

采集耦合后的多普勒声纳发射信号；

生成模拟回波信号；

调整生成的模拟回波信号；

多普勒声纳接收调整后模拟回波信号，计算所需数值；

将测得数值与测试设定值比较，以判断多普勒声纳的工作性能。

11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，还包括对采集到的多普勒声纳发射信号经耦合转化后的电信号进行自动增益补偿，并计算增益补偿值。

12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述调整生成的模拟回波信号包括依据计算出的增益补偿值对生成的模拟回波信号增益补偿。

13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述调整生成的模拟回波信号还包括将发射过程和接收过程中的耦合损失抵消。

14.如权利要求11所述的方法，其特征在于，在自动增益补偿步骤中进一步包括：

检测系统以预设的增益控制电压调整发射信号的增益，在满足信噪比的前提下将过门限的发射信号进行处理，得到发射信号的采样信号幅度；

检测系统以初始增益控制电压调整发射信号的增益；

进一步粗调发射信号；

步长自适应调整法微调控制电压，直至信号幅度进入门限值。

15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，进一步粗调发射信号包括以20log(V/V_AD)进行粗调，其中V为耦合后的多普勒声纳发射信号采样幅值，V_AD为检测系统接收信号目标幅值。

16.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述依据计算出的增益补偿值对生成的模拟回波信号增益补偿进一步包括：

获取对接模块采集到的各通道信号幅度与多普勒声纳发射信号幅度之间关系；

获取多普勒声纳得到的模拟回波信号幅度与对接模块端的模拟回波信号幅度之间关系；

互易以上两过程中的耦合损失，获取模拟回波信号增益补偿经验公式。

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