CN103983338A - 多极子矢量接收阵校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在20-1000Hz低频范围内的多极子矢量接收阵校准方法。平面多极子矢量接收阵包括1号～9号阵元，声源与平面多极子矢量接收阵之间距离满足d≥(最大线度)²/波长；调节信号发生器产生CW脉冲信号，经功率放大器加载到声源上形成测试声场；采集与存储各阵元的接收信号；选取5号阵元为参考阵元，分别获得0-360°范围内1号～9号阵元的接收信号与参考阵元的接收信号之间的相位修正因子，进行校正。本发明提供一种在有限水域、可操作性强、方便实用、校准精度高的校准方法，可广泛应用于低频小型接收阵的校准。

Description

多极子矢量接收阵校准方法

技术领域

本发明属于一种水下矢量接收阵的相位校准方法，尤其涉及一种在20-1000Hz低频范围内的多极子矢量接收阵校准方法。

背景技术

随着矢量水听器应用技术的不断发展，基于矢量水听器的成阵技术研究也得到普遍关注，比如，2003年孟洪的《组合矢量水听器及其成阵技术研究》，2004年吕钱浩的《矢量传感器阵列技术研究》，2009年邢世文《三维矢量水听器及其成阵研究》，2012年葛晓洋《声传感器阵列的实验研究》，等等。国外在矢量阵技术研究方面起步较早，比如1995年，美国加利福尼亚海洋环境大学斯克利普斯研究所的Peter F.Worcester等人利用在海底放置的40元垂直矢量水听器线阵来开展海洋环境监测，参见文献：Peter F.Worcester,Kevin R.Hardy,DavidHorwitt,and Douglas A.Peckham.A DEEP OCEAN DATA RECOVERY MODULE；美国俄勒冈州立大学、北加利福尼亚州立大学和隶属于美国国家海洋大气委员会的太平洋环境实验室的研究人员使用垂直三元矢量线阵开展海底水文信息探测研究，参见文献：H.Matsumoto,D.Bohnenstiehl,R.P.Dziak1,L.Williams,R.Gliege,C.N.Meinig and P.Harben.A VerticalHydrophone Array Coupled via Inductive Modem for Detecting Deep-Ocean Seismic and VolcanicSources。

但在国内外，如上所述的矢量阵基本都是依托线列阵或十字交叉阵(L型阵或圆形阵)，而且阵列设计的理论基础是依据声压阵(标量阵)的设计原理，即阵元间距等于1/2波长的理论，因此在低频段阵元数量较多，阵体庞大，校准困难。目前还未见到小型平面多极子矢量阵校准方法的文献报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种操作简单、校准精度高的多极子矢量接收阵校准方法。

本发明是通过以下技术方案实现的。

多极子矢量接收阵校准方法，包括以下几个步骤：

步骤一：平面多极子矢量接收阵包括1号～9号阵元，1号～9号阵元成3行3列排列，5号阵元位于中心位置，相邻阵元间距a按照a≤λ/6布放，λ为矢量接收阵上限工作频率对应的波长，声源与平面多极子矢量接收阵之间距离满足d≥(最大线度)²/波长，声源的主轴方向对准平面多极子矢量接收阵的正横方向；

步骤二：调节信号发生器产生CW脉冲信号，经功率放大器加载到声源上形成测试声场；

步骤三：在0-360°范围内旋转平面多极子矢量接收阵，采集与存储1号～9号阵元的接收信号，每个阵元包括一路声压通道信号和两路质点振速通道信号；

步骤四：选取5号阵元为参考阵元，分别获得0-360°范围内1号～9号阵元的接收信号与参考阵元的接收信号之间的相位修正因子，进行校正；

平面多极子矢量接收阵的旋转角度为θ，1号阵元的声压通道信号和参考阵元的声压通道信号在同一时刻收到的直达波稳态部分的信号分别为：

A₁＝p₁cos(α₁-ωt)

A₅＝p₅cos(α₅-ωt)

A₁为1号阵元的稳态部分的信号，A₅为参考阵元的稳态部分的信号，p₁、p₅为信号幅度，α₁、α₅为信号初始相位，将信号A₁和信号A₅进行数字滤波后，对幅度进行归一化处理，然后将两个信号做差：

$\cos ({\mathrm{\α}}_1-\mathrm{\ωt})-\cos ({\mathrm{\α}}_5-\mathrm{\ωt})=2\sin \left(\frac{{\mathrm{\α}}_5-{\mathrm{\α}}_1}{2}\right)\sin (\frac{{\mathrm{\α}}_5+{\mathrm{\α}}_1}{2}-\mathrm{\ωt})$

求解1号阵元和参考阵元在旋转角度θ下的相位差值，得到相位修正因子D_1v(ω,θ)，

$D_{1v}(\mathrm{\ω},\mathrm{\θ})=f_{1v}(\mathrm{\ω},\mathrm{\θ})e^{i\sqrt{2}\mathrm{ka}\cos (\frac{\mathrm{\π}}{4}+\mathrm{\θ})}/f_{5p}(\mathrm{\ω},\mathrm{\θ})$

分别获得2号～9号阵元的接收信号与参考阵元的接收信号之间的相位修正因子：

D_2v(ω,θ)＝f_21v(ω,θ)e^ikacos(θ)/f_5p(ω,θ)

$D_{3v}(\mathrm{\ω},\mathrm{\θ})=f_{3v}(\mathrm{\ω},\mathrm{\θ})e^{i\sqrt{2}\mathrm{ka}\cos (\frac{\mathrm{\π}}{4}-\mathrm{\θ})}/f_{5p}(\mathrm{\ω},\mathrm{\θ})$

D_4v(ω,θ)＝f_4v(ω,θ)e^-ikasin(θ)/f_5p(ω,θ)

D_5v(ω,θ)＝f_5v(ω,θ)/f_5p(ω,θ)

D_6v(ω,θ)＝f_6v(ω,θ)e^ikasin(θ)/f_5p(ω,θ)

$D_{7v}(\mathrm{\ω},\mathrm{\θ})=f_{7v}(\mathrm{\ω},\mathrm{\θ})e^{-i\sqrt{2}\mathrm{ka}\cos (\frac{\mathrm{\π}}{4}-\mathrm{\θ})}/f_{5p}(\mathrm{\ω},\mathrm{\θ})$

D_8v(ω,θ)＝f_8v(ω,θ)e^-ikacos(θ)/f_5p(ω,θ)

$D_{9v}(\mathrm{\ω},\mathrm{\θ})=f_{9v}(\mathrm{\ω},\mathrm{\θ})e^{-i\sqrt{2}\mathrm{ka}\cos (\frac{\mathrm{\π}}{4}+\mathrm{\θ})}/f_{5p}(\mathrm{\ω},\mathrm{\θ})$

每个阵元在旋转角度θ下的声压通道信号为p_1-9(ω,θ)，振速通道信号为和振速通道信号统一用f_nv(ω,θ)表示，其中的n代表的平面矢量接收阵各个阵元数，v代表的是每个阵元的振速通道x、y和声压通道p，ω为角频率，θ为平面阵旋转角度，

将各相位修正因子代入相应阵元的接收信号中进行校正，得到9个阵元测量所得到得信号，形成多极子平面矢量接收波束：

本发明多极子矢量接收阵校准方法还可以包括：

1、平面多极子矢量接收阵阵元位置为第一行从左到右依次为9号阵元、6号阵元和3号阵元，第二行从左到右依次为8号阵元、5号阵元和2号阵元，第三行从左到右依次为7号阵元、4号阵元和1号阵元。

2、声源的声中心与平面多极子矢量接收阵的声中心处于同一水深位置。

3、信号发生器产生的CW脉冲信号的频率在20-1000Hz低频范围内。

本发明的有益效果：

本发明适合低频矢量阵校准，对测试空间限制小；并且本发明的校准系统简单、使用方便；本发明测试信号处理方法成熟，可靠性强，校准精度高。

本发明克服了目前接收阵低频校准需要大尺度自由场空间的难题，提供一种在有限水域、可操作性强、方便实用、校准精度高的校准方法，可广泛应用于低频小型接收阵的校准。因此本发明可以广泛应用于低频水声计量各领域。

附图说明

图1为平面多极子矢量接收阵校准示意图，

图2为平面多极子矢量接收阵阵元位置示意图，

图3为平面矢量接收阵信号流程框图，

图4为矢量平面阵3阶波束图，

图5为矢量平面阵4阶波束图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

本发明公开的是一种在20-1000Hz低频范围内对平面多极子矢量接收阵进行校准的方法。平面多极子矢量接收阵包括9个矢量阵元、圆柱形耐压阵体及上下盖板、27路信号放大滤波电路单元、1套信号采集系统和1块供电电池单元以及连接导线。每个阵元有声压通道一个，质点振速通道二个，共计3路数据。校准方法包括首先将平面多极子矢量接收阵安装在测量水池的行车升降杆上，再启动将接收阵放入水池深度1/2处，同时将测量用辅助声源用线绳吊放，使声源声中心与基阵的声中心与处于同一水深位置。声源与接收阵之间距离满足远场条件d≥(最大线度)²/波长，声源的主轴方向对准接收阵的正横方向；然后调节信号发生器产生需要频率的CW脉冲信号，经功率放大器加载到声源输入端上激励声源，形成测试声场，同时在0-360°范围内旋转接收阵，并调整信号采集系统，对经过27路放大滤波电路处理后的各个角度下的接收阵27路信号进行采集、存储；最后，将整个工作频带内不同测试频率点上采集到的0-360°范围内的9个矢量阵元的27路信号，分别与参考阵元进行比较计算，获取各阵元信号与参考阵元信号之间的相位差值，并将该差值带回各阵元原信号中进行修正，从而实现对平面多极子矢量接收阵的校准。

本发明克服了目前接收阵低频校准需要大尺度自由场空间的难题，提供一种在有限水域、可操作性强、方便实用、校准精度高的校准方法，可广泛应用于低频小型接收阵的校准。

本发明是这样实现的：首先如图1所示，将平面多极子矢量接收阵1通过转接法兰2安装在测量水池的行车升降杆3上，再启动将接收阵放入水池深度1/2处，同时将测量用辅助声源用线绳吊放，使声源声中心与基阵的声中心与处于同一水深位置。声源与接收阵之间距离满足远场条件d≥(最大线度)²/波长，声源的主轴方向对准接收阵的正横方向；然后调节信号发生器5产生需要频率的CW脉冲信号，经功率放大器6加载到声源输入端上激励声源，形成测试声场，同时在0-360°范围内旋转接收阵，同时利用信号采集系统7对信号进行采集，对经过27路放大滤波电路7a处理后的各个角度下的9个矢量阵元的27路信号进行采集、存储7b，其信号放大滤波、采集存储流程图，如图3所示。

最后，将整个工作频带内不同测试频率点上采集到的0-360°范围内的9个矢量阵元的27路信号进行相位修正后置处理。所述相位修正后置处理方法包括：当矢量接收阵处于旋转角度θ时，平面矢量阵1号阵元的声压通道信号和5号参考阵元的声压通道信号，在同一时刻收到的直达波稳态部分的信号可以表示为：

A₁＝p₁cos(α₁-ωt)

A₅＝p₅cos(α₅-ωt)

p₁、p₅为信号幅度，α₁、α₅为信号初始相位。将信号进行数字滤波后，对幅度进行归一化处理，然后将两个信号做差计算：

$\cos ({\mathrm{\α}}_1-\mathrm{\ωt})-\cos ({\mathrm{\α}}_5-\mathrm{\ωt})=2\sin \left(\frac{{\mathrm{\α}}_5-{\mathrm{\α}}_1}{2}\right)\sin (\frac{{\mathrm{\α}}_5+{\mathrm{\α}}_1}{2}-\mathrm{\ωt})$

由上式可知，两个信号差的幅度刚好等于两个信号相位差的一半的正弦值的两倍，这样1号阵元和5号参考阵元在旋转角度θ下的相位差就能求解出来。这个相位差即包括阵元互散射带来的相位干扰(需要修正去除掉)，也包括由于每个阵元在声场中所站的位置和参考阵元不同，而有的声程差相位(这个是正确的相位信息)，因此需要对每个阵元逐一按上述方法进行相位修正。将上述求解出来的1号阵元和5号参考阵元在旋转角度θ下的相位差值，减去理论上已知的1号阵元和5号参考阵元正确相位值，得到相位修正项D_nv(ω,θ)，其中的n代表的平面矢量接收阵各个阵元数，v代表的是每个阵元的振速通道x、y和声压通道p，ω为角频率，θ为平面阵旋转角度。

继续旋转角度，按照上述处理方法，得到0-360°范围内各阵元信号与参考阵元信号之间的相位修正项，并将该修正项代入各阵元原信号中进行修正，以去除阵元互散射带来的相位干扰，得到每个阵元与参考阵元正确的相位信息，从而实现对平面多极子矢量接收阵在整个工作频带内不同测试频率点下的校准。

本发明提出了一种通过将矢量阵元各路信号与参考阵元相比较的方法获取修正项从而校准基阵的方法，对声场的自由场环境条件要求不苛刻，大大降低了校准过程实施的难度，提高了校准精度。

本发明的基本理论依据是：

本发明所述的平面多极子矢量接收阵其阵元间距按照a≤λ/6布放，其中a为相邻两个阵元之间的间距，λ为矢量接收阵上限工作频率对应的波长。因为多级阵列的形成，会导致阵元之间有强烈的互散射，因而导致相互独立的各个阵元灵敏度和相位响应发生很大的改变。因此，在平面多极子矢量接收阵工程应用之前，必须做好仔细的校准。

平面多极子矢量接收阵阵元位置坐标示意图，如图2所示。在远场平面波入射情况下，每个阵元在旋转角度θ下的声压信号为p_1-9(ω,θ)，振速信号为和统一用f_nv(ω,θ)表示。其中的n代表的平面矢量接收阵各个阵元数，v代表的是每个阵元的振速通道x、y和声压通道p，ω为角频率，θ为平面阵旋转角度。

在信噪比足够高的情况下，以5阵元作为参考阵元，则不同阵元各个通道接收到的信号与5阵元接收到的声压信号之间的相位修正因子D_nv(ω,θ)如下所示：

$D_{1v}(\mathrm{\ω},\mathrm{\θ})=f_{1v}(\mathrm{\ω},\mathrm{\θ})e^{i\sqrt{2}\mathrm{ka}\cos (\frac{\mathrm{\π}}{4}+\mathrm{\θ})}/f_{5p}(\mathrm{\ω},\mathrm{\θ})$

D_2v(ω,θ)＝f_21v(ω,θ)e^ikacos(θ)/f_5p(ω,θ)

$D_{3v}(\mathrm{\ω},\mathrm{\θ})=f_{3v}(\mathrm{\ω},\mathrm{\θ})e^{i\sqrt{2}\mathrm{ka}\cos (\frac{\mathrm{\π}}{4}-\mathrm{\θ})}/f_{5p}(\mathrm{\ω},\mathrm{\θ})$

D_4v(ω,θ)＝f_4v(ω,θ)e^-ikasin(θ)/f_5p(ω,θ)

D_5v(ω,θ)＝f_5v(ω,θ)/f_5p(ω,θ)

D_6v(ω,θ)＝f_6v(ω,θ)e^ikasin(θ)/f_5p(ω,θ)

$D_{7v}(\mathrm{\ω},\mathrm{\θ})=f_{7v}(\mathrm{\ω},\mathrm{\θ})e^{-i\sqrt{2}\mathrm{ka}\cos (\frac{\mathrm{\π}}{4}-\mathrm{\θ})}/f_{5p}(\mathrm{\ω},\mathrm{\θ})$

D_8v(ω,θ)＝f_8v(ω,θ)e^-ikacos(θ)/f_5p(ω,θ)

$D_{9v}(\mathrm{\ω},\mathrm{\θ})=f_{9v}(\mathrm{\ω},\mathrm{\θ})e^{-i\sqrt{2}\mathrm{ka}\cos (\frac{\mathrm{\π}}{4}+\mathrm{\θ})}/f_{5p}(\mathrm{\ω},\mathrm{\θ})$

将此修正因子带回各阵元原始信号中进行修正，从而实现对平面多极子矢量接收阵的校准。相位修正因子的具体计算如下进行：

以1号阵元的相位修正为例。平面矢量阵1号阵元和5号参考阵元，在同一时刻收到的直达波稳态部分的信号可以表示为：

A₁＝p₁cos(α₁-ωt)

A₅＝p₅cos(α₅-ωt)

p₁、p₅为信号幅度，α₁、α₅为信号初始相位。将信号进行数字滤波后，对幅度进行归一化处理，然后将两个信号做差计算：

$\cos ({\mathrm{\α}}_1-\mathrm{\ωt})-\cos ({\mathrm{\α}}_5-\mathrm{\ωt})=2\sin \left(\frac{{\mathrm{\α}}_5-{\mathrm{\α}}_1}{2}\right)\sin (\frac{{\mathrm{\α}}_5+{\mathrm{\α}}_1}{2}-\mathrm{\ωt})$

这样由上式可知，两个信号差的幅度刚好等于两个信号相位差的一半的正弦值的两倍，这样1号阵元和5号参考阵元的相位差就能求解出来。此方法简洁、方便。但是需要注意的是，通过上式求解反正弦值得到的相位差还包括由于阵元的位置不同，声程差带来的相位差，这个相位差通常会有10多度，因此在计算反正弦值得到相位差之后予以修正。为了避免反正弦值的象限的测定引起歧义，最好使用两个信号之间相对位置较远的那个阵元信号作为被减信号。

这样，通过校准后9个阵元测量所得到的信号，按照多极子平面矢量接收波束形成表达式

可以得到多极子平面矢量接收阵波束图。

其校准结果如图4---图5所示。从校准结果可知，此方法能有效的去除平面多极子矢量接收阵各阵元之间的互散射影响，效果理想。

Claims (5)

1.多极子矢量接收阵校准方法，其特征在于，包括以下几个步骤：

步骤一：平面多极子矢量接收阵包括1号～9号阵元，1号～9号阵元成3行3列排列，5号阵元位于中心位置，相邻阵元间距a按照a≤λ/6布放，λ为矢量接收阵上限工作频率对应的波长，声源与平面多极子矢量接收阵之间距离满足d≥(最大线度)²/波长，声源的主轴方向对准平面多极子矢量接收阵的正横方向；

步骤二：调节信号发生器产生CW脉冲信号，经功率放大器加载到声源上形成测试声场；

步骤三：在0-360°范围内旋转平面多极子矢量接收阵，采集与存储1号～9号阵元的接收信号，每个阵元包括一路声压通道信号和两路质点振速通道信号；

步骤四：选取5号阵元为参考阵元，分别获得0-360°范围内1号～9号阵元的接收信号与参考阵元的接收信号之间的相位修正因子，进行校正；

平面多极子矢量接收阵的旋转角度为θ，1号阵元的声压通道信号和参考阵元的声压通道信号在同一时刻收到的直达波稳态部分的信号分别为：

A₁＝p₁cos(α₁-ωt)

A₅＝p₅cos(α₅-ωt)

A₁为1号阵元的稳态部分的信号，A₅为参考阵元的稳态部分的信号，p₁、p₅为信号幅度，α₁、α₅为信号初始相位，将信号A₁和信号A₅进行数字滤波后，对幅度进行归一化处理，然后将两个信号做差：

$\cos ({\mathrm{\α}}_1-\mathrm{\ωt})-\cos ({\mathrm{\α}}_5-\mathrm{\ωt})=2\sin \left(\frac{{\mathrm{\α}}_5-{\mathrm{\α}}_1}{2}\right)\sin (\frac{{\mathrm{\α}}_5+{\mathrm{\α}}_1}{2}-\mathrm{\ωt})$

求解1号阵元和参考阵元在旋转角度θ下的相位差值，得到相位修正因子D_1v(ω,θ)，

$D_{1v}(\mathrm{\ω},\mathrm{\θ})=f_{1v}(\mathrm{\ω},\mathrm{\θ})e^{i\sqrt{2}\mathrm{ka}\cos (\frac{\mathrm{\π}}{4}+\mathrm{\θ})}/f_{5p}(\mathrm{\ω},\mathrm{\θ})$

分别获得2号～9号阵元的接收信号与参考阵元的接收信号之间的相位修正因子：

D_2v(ω,θ)＝f_21v(ω,θ)e^ikacos(θ)/f_5p(ω,θ)

$D_{3v}(\mathrm{\ω},\mathrm{\θ})=f_{3v}(\mathrm{\ω},\mathrm{\θ})e^{i\sqrt{2}\mathrm{ka}\cos (\frac{\mathrm{\π}}{4}-\mathrm{\θ})}/f_{5p}(\mathrm{\ω},\mathrm{\θ})$

D_4v(ω,θ)＝f_4v(ω,θ)e^-ikasin(θ)/f_5p(ω,θ)

D_5v(ω,θ)＝f_5v(ω,θ)/f_5p(ω,θ)

D_6v(ω,θ)＝f_6v(ω,θ)e^ikasin(θ)/f_5p(ω,θ)

$D_{7v}(\mathrm{\ω},\mathrm{\θ})=f_{7v}(\mathrm{\ω},\mathrm{\θ})e^{-i\sqrt{2}\mathrm{ka}\cos (\frac{\mathrm{\π}}{4}-\mathrm{\θ})}/f_{5p}(\mathrm{\ω},\mathrm{\θ})$

D_8v(ω,θ)＝f_8v(ω,θ)e^-ikacos(θ)/f_5p(ω,θ)

$D_{9v}(\mathrm{\ω},\mathrm{\θ})=f_{9v}(\mathrm{\ω},\mathrm{\θ})e^{-i\sqrt{2}\mathrm{ka}\cos (\frac{\mathrm{\π}}{4}+\mathrm{\θ})}/f_{5p}(\mathrm{\ω},\mathrm{\θ})$

每个阵元在旋转角度θ下的声压通道信号为p_1-9(ω,θ)，振速通道信号为和振速通道信号统一用f_nv(ω,θ)表示，其中的n代表的平面矢量接收阵各个阵元数，v代表的是每个阵元的振速通道x、y和声压通道p，ω为角频率，θ为平面阵旋转角度，

将各相位修正因子代入相应阵元的接收信号中进行校正，得到9个阵元测量所得到得信号，形成多极子平面矢量接收波束：

2.根据权利要求1所述的多极子矢量接收阵校准方法，其特征在于：所述的平面多极子矢量接收阵阵元位置为第一行从左到右依次为9号阵元、6号阵元和3号阵元，第二行从左到右依次为8号阵元、5号阵元和2号阵元，第三行从左到右依次为7号阵元、4号阵元和1号阵元。

3.根据权利要求1或2所述的多极子矢量接收阵校准方法，其特征在于：所述的声源的声中心与平面多极子矢量接收阵的声中心处于同一水深位置。

4.根据权利要求1或2所述的多极子矢量接收阵校准方法，其特征在于：所述的信号发生器产生的CW脉冲信号的频率在20-1000Hz低频范围内。

5.根据权利要求3所述的多极子矢量接收阵校准方法，其特征在于：所述的信号发生器产生的CW脉冲信号的频率在20-1000Hz低频范围内。