CN104062645A - 一种测量参量阵差频波与同频小振幅波信号相位差的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于水声测量领域，具体涉及一种测量参量阵差频波与同频小振幅波信号相位差的方法。本发明包括：在水中吊放参量阵声源、小振幅波声源、第一水听器和第二水听器，触发信号发生器产生两路触发信号；参量阵声源和小振幅波声源在Δt时间间隔后分别发射信号，采集器采集并保存第一水听器和第二水听器接收到的信号；进行相关处理，找出处理结果中的相关峰；得到参量阵差频波与同频小振幅波信号相位差。本发明测量数据的处理方法简单，不需要复杂的信号处理算法。

Description

一种测量参量阵差频波与同频小振幅波信号相位差的方法

技术领域

本发明属于水声测量领域，具体涉及一种测量参量阵差频波与同频小振幅波信号相位差的方法。

背景技术

参量阵广泛应用于水声定位、水声导航、水中通讯、水下探测等许多方面。参量阵是利用了介质的非线性作用，由声源发射两个频率相近的高强声波(原波)，在其互作用区内产生所需的差频声波。参量阵差频声波的传播规律依赖于原波频率下的介质参数，而海水介质通常含有气泡和微小沙粒等，其声学参数是频率的函数。因而，海水中参量阵差频声波和同频小振幅波在传播过程中相位变化会有所差别。在参量阵的应用中需要测量这种相位差的变化，

实际应用中参量阵多发射正弦波填充的脉冲信号。关于相位差的测量在信号分析、电力电子、通讯和导航定位等技术中有广泛应用，如直接闸门计数法、过零点法、固定相移法等，这些方法均是测量两个连续正弦信号的相位差。本发明针对测量参量阵差频波与同频小振幅波信号相位差的问题，发明了一种测量脉冲信号相位差的方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种计算方法简单的测量参量阵差频波与同频小振幅波信号相位差的方法。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

(1)在水中吊放参量阵声源、小振幅波声源、第一水听器和第二水听器，触发信号发生器产生两路触发信号，分别对参量阵声源和小振幅波声源的信号源进行触发，触发信号的间隔Δt在1～5倍的信号源发射脉冲信号脉宽范围内，触发信号对采集器进行触发，即在触发信号到达时刻开始接收信号的采集并保存；

(2)参量阵声源和小振幅波声源在Δt时间间隔后分别发射信号，采集器采集并保存第一水听器和第二水听器接收到的信号；

(3)第一水听器和第二水听器接收到的信号均为两个脉冲信号，截取第一水听器接收信号中的第一个脉冲信号，并把截取的第一个脉冲信号与第一水听器接收的全部信号进行相关处理，找出处理结果中第一个相关峰的最大值位置，记为N1；截取第二水听器接收信号中的第一个脉冲信号，把截取的第一个脉冲信号与第二水听器接收的全部信号进行相关处理，找出处理结果中第一个相关峰的最大值位置，记为N2；

(4)截取第一水听器接收信号中的第二个脉冲信号，并把截取的第二个脉冲信号与第一水听器接收的全部信号进行相关处理，找出处理结果中第二个相关峰的最大值位置，记为N3；截取第二水听器接收信号中的第二个脉冲信号，截取的第二个脉冲信号与第二水听器接收的全部信号进行相关处理，找出处理结果中第二个相关峰的最大值位置，记为N4；

(5)对N1、N2、N3、N4进行计算，得到参量阵差频波与同频小振幅波信号相位差ΔΦ

$\mathrm{\Δ\Φ}=\frac{[(N2-N1)-(N4-N3)]\·360}{f_s\·T}$

其中：f_s为采样频率；T为暂态信号参量阵差频波或同频小振幅波信号的周期；ΔΦ为所求的相位差，单位为度。

本发明具有以下有益效果：

1、可以测量两个脉冲信号传播过程中的相位差；

2、水下吊放的声源和水听器在水中的位置变化对测量结果的影响较小，对实验条件的要求不高；

3、由于采用了短时间内分别发射参量阵信号和小振幅波信号，水介质随时间的变化对测量结果影响较小；

4、实验测量数据的处理方法简单，不需要复杂的信号处理算法。

附图说明

图1是实验设备连接示意图。

图2是两个水听器的接收信号。

图3是截取的第一个脉冲信号。

图4是截取的第一个脉冲信号与第一个水听器接收信号相关处理结果。

图5是截取的第一个脉冲信号与第二个水听器接收信号相关处理结果。

图6是截取的第二个脉冲信号。

图7是截取的第二个脉冲信号与第一个水听器接收信号相关处理结果。

图8是截取的第二个脉冲信号与第二个水听器接收信号相关处理结果。

具体实施方式

下面结合附图1～6和实例对本发明作进一步详细说明。

本发明包括：

1、如图1所示连接仪器设备，并在水中吊放参量阵声源1、小振幅波声源2、水听器3和水听器4。触发信号发生器的作用是产生两路触发信号，分别对参量阵声源和小振幅波声源对应的信号源进行触发，触发信号的间隔Δt在1～5倍的信号源发射脉冲信号脉宽范围内。其中一路触发信号对采集器进行触发，即在触发信号到达时刻开始接收信号的采集并保存。

2、系统工作时，参量阵声源和小振幅波声源在Δt时间间隔后分别发射信号，采集器采集并保存水听器3和水听器4接收到的信号。

3、水听器3和水听器4接收到的信号均为两个脉冲信号，截取水听器3接收信号中的第一个脉冲信号，并把截取的脉冲信号与整个水听器3接收信号进行相关处理，找出处理结果中第一个相关峰的最大值位置，记为N1；再把截取的脉冲信号与整个水听器4接收信号进行相关处理，找出处理结果中第一个相关峰的最大值位置，记为N2。

4、截取水听器3接收信号中的第二个脉冲信号，并把截取的脉冲信号与整个水听器3接收信号进行相关处理，找出处理结果中第二个相关峰的最大值位置，记为N3；再把截取的脉冲信号与整个水听器4接收信号进行相关处理，找出处理结果中第二个相关峰的最大值位置，记为N4。

5、对N1、N2、N3、N4进行以下计算，得到参量阵差频波与同频小振幅波信号相位差ΔΦ。

$\mathrm{\Δ\Φ}=\frac{[(N2-N1)-(N4-N3)]\·360}{f_s\·T}$

其中：f_s为采样频率；T为暂态信号参量阵差频波或同频小振幅波信号的周期；ΔΦ为所求的相位差，单位为度。

实施例

第一步，结合图1，触发信号发生器产生两个间隔为Δt＝1.05s的触发信号，参量阵声源1发射的差频波信号和小振幅波声源2发射信号均为10Hz，发射信号脉冲宽度为0.7s。

第二步，结合如图2，水听器3和水听器4接收到差频波脉冲信号分别为5、6，接收信号采样频率为1000Hz。这里设定参量阵差频波与同频小振幅波信号在水听器3和水听器4之间距离内传播的相位差为39度。

第三步，结合图3，截取水听器3接收信号5中的第一个脉冲信号；结合图4，把截取的脉冲信号7与整个水听器3接收信号5进行相关处理，找出相关处理结果8中第一个相关峰的最大值位置N1＝8442；结合图5，把截取的脉冲信号7与整个水听器4接收信号6进行相关处理，找出相关处理结果中第一个相关峰的最大值位置N2＝11452。

第四步，结合图6，截取水听器3接收信号5中的第二个脉冲信号；结合图7，把截取的脉冲信号10与整个水听器3接收信号5进行相关处理，找出相关处理结果11中第二个相关峰的最大值位置N3＝10194；结合图8，把截取的脉冲信号10与整个水听器4接收信号6进行相关处理，找出相关处理结果12中第二个相关峰的最大值位置N4＝13214。

第五步，利用公式 $\mathrm{\Δ\Φ}=\frac{|(\mathrm{\ΔN}1-\mathrm{\ΔN}2)-(\mathrm{\ΔN}3-\mathrm{\ΔN}4)|\·360}{f_s\·T},$ 得到参量阵差频波与同频小振幅波信号相位差ΔΦ＝39.6°。

测量结果存在误差的主要原因是由采样频率决定，此实例中采样频率为1000Hz，则对于频率为10Hz信号而言，理论上测量的误差范围为±3.6°。为了提高测量精度，可以增加信号采样频率，例如此实例中采样频率如果提高为2000Hz时，则测量的误差范围为±1.8°。

Claims (1)

1.一种测量参量阵差频波与同频小振幅波信号相位差的方法，其特征在于：

(1)在水中吊放参量阵声源(1)、小振幅波声源(2)、第一水听器(3)和第二水听器(4)，触发信号发生器产生两路触发信号，分别对参量阵声源和小振幅波声源的信号源进行触发，触发信号的间隔Δt在1～5倍的信号源发射脉冲信号脉宽范围内，触发信号对采集器进行触发，即在触发信号到达时刻开始接收信号的采集并保存；

(2)参量阵声源和小振幅波声源在Δt时间间隔后分别发射信号，采集器采集并保存第一水听器和第二水听器接收到的信号；

(3)第一水听器和第二水听器接收到的信号均为两个脉冲信号，截取第一水听器接收信号中的第一个脉冲信号，并把截取的第一个脉冲信号与第一水听器接收的全部信号进行相关处理，找出处理结果中第一个相关峰的最大值位置，记为N1；截取第二水听器接收信号中的第一个脉冲信号，把截取的第一个脉冲信号与第二水听器接收的全部信号进行相关处理，找出处理结果中第一个相关峰的最大值位置，记为N2；

(4)截取第一水听器接收信号中的第二个脉冲信号，并把截取的第二个脉冲信号与第一水听器接收的全部信号进行相关处理，找出处理结果中第二个相关峰的最大值位置，记为N3；截取第二水听器接收信号中的第二个脉冲信号，截取的第二个脉冲信号与第二水听器接收的全部信号进行相关处理，找出处理结果中第二个相关峰的最大值位置，记为N4；

(5)对N1、N2、N3、N4进行计算，得到参量阵差频波与同频小振幅波信号相位差ΔΦ

$\mathrm{\Δ\Φ}=\frac{[(N2-N1)-(N4-N3)]\·360}{f_s\·T}$

其中：f_s为采样频率；T为暂态信号参量阵差频波或同频小振幅波信号的周期；ΔΦ为所求的相位差，单位为度。