CN104199013B - 一种能在有限水域内降低测试频率的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种能在有限水域内降低测试频率的方法，该方法包括如下步骤：(1)、信号发生器发生线性正弦扫频信号，并激励功率放大器驱动发射器发生信号；(2)、接收器接收的信号经测量放大器后通过数据采集器进行数据采集，同时，采集信号发生器的发射信号，并存储数据；(3)、信号发生器发生线性余弦扫频信号，重复步骤(1)和步骤(2)的过程；(4)、对测试的数据进行处理：首先要对发射信号和接收信号的复数化，发射信号与接收信号复数化是复共轭的复数化；两个处理后的信号进行复共轭相乘的数学处理，非消声水池的传递函数；然后对传递函数进行复数移动平均处理。

Description

一种能在有限水域内降低测试频率的方法

技术领域

本发明涉及声学测试技术领域，是一种能在有限水域内降低测试频率的方法。

背景技术

在水声技术研究中最主要的声学量是水声声压，各种声纳设备的主要电声参数都是以水声声压为基础的，都必须检测水声声压值来计算。随着声纳向低频大孔径方向发展，测试频率也需要向低频方向拓宽。

开展水听器的自由场校准就必须克服声场中的反射，通常情况下都是使用脉冲信号技术，利用时域方法来实现直达信号与回声信号的分离。这种方法在窄带通道内的瞬时处理会造成脉冲信号的扭曲，随着频率的降低，效果也在下降，这就造成了自由场校准中频率下限的限制。目前，国际上在实验室条件下的校准还使用时间延时谱法(TDS)。TDS方法是基于直达和反射扫频信号的频率分离方法，在水池中校准时，它可以看作是通过水池复传递函数来实现直达信号分离的一种方法。在实验水池条件下，它可以获得很好的时间稳定性，提高分离效果，简化实现方法。但它的测试精度比脉冲声方法要低。目前国内所用的自由场标校方法，在现有的校准条件下，很难实现对1kHz工作频率的校准，很难满足实际声纳设备的低频测试需求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种能在有限水域内降低测试频率的方法。

本发明的目的是通过如下技术方案来完成的。这种能在有限水域内降低测试频率的方法，该方法包括如下步骤：

(1)、信号发生器发生线性正弦扫频信号，并激励功率放大器驱动发射器发生信号；

(2)、接收器接收的信号经测量放大器后通过数据采集器进行数据采集，同时，采集信号发生器的发射信号，并存储数据；

(3)、信号发生器发生线性余弦扫频信号，重复步骤(1)和步骤(2)的过程；

(4)、对测试的数据进行处理：首先要对发射信号和接收信号的复数化，发射信号与接收信号复数化是复共轭的复数化；两个处理后的信号进行复共轭相乘的数学处理，非消声水池的传递函数；然后对传递函数进行复数移动平均处理，利用反射波与直达声的程差所引起的时间延时和带来的平均频率间隔的差异来对测试得到的水池传递函数按公式(7)进行移动平均，通过不同反射波与直达波的程差的不同，对接收信号进行多次的复数移动平均处理，最终使公式(8)中第2项逼近0，最后得到直达波传播条件下发射器与接收器之间的传输阻抗；

式中α＝2πΔr_i/c，c为水中声速，直达波与反射波传播差异Δr_i，平均频率间隔Δf；

水池传递函数表示为：

其中函数表示残留的第i个反射波的影响，是第i路反射波的延时；函数决定了反射影响的减小依赖于时间延迟τ和平均频率间隔Δf。

本发明的有益效果为：为了解决声纳设备低频校准的方法问题，提出了一种复数移动平均的方法来开展在有限水域内对低频自由场水声声压的校准研究，并取得了较好的成果。复数移动平均法可以减少在非消声水池中连续波引入的反射影响，与传统方法不同，它是基于目标(发射器、水池和接收器)的特性分析以及自由场发射器与接收器传输阻抗的估计，而不是基于信号分析和分离。它能有效地降低有限水域内测试的频率下限，满足声纳设备对低频性能的测试需求。

附图说明

图1为水听器系统示意图；

图2为复数移动平均法原理框图；

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明：

复数移动平均方法与传统方法不同，它是基于目标(发射器、水池和接收器)的特性分析以及自由场发射器与接收器的传输阻抗的估计，而不是基于信号分析和分离。复数移动平均法方法，可以减少在非消声水池中连续波引入的反射影响。复数移动平均法采用前后两次线性扫频正余弦信号组成复数信号，并对发射换能器的激励信号与水听器的接收信号比值(传输阻抗)估计，通过对多次反射波引起的延时叠加进行移动平均来降低反射波对直达波的影响。

复数移动平均法方法理论的说明如附图1所示的水听器系统开始考虑，图中所示的系统包括三个连续线性元素：发射器、非消声水池以及接收器。

系统的每一个元素可以用其传递函数来表示。发射器用灵敏度表示(其中f为频率，以下相同)，水池用声压传递函数(水池传递函数)表示，接收器用灵敏度表示。系统的输入和输出分别是水听器输入电流和接收器输出电压

考虑到反射的情况下，水池传递函数可以定义为在接收点处的总声压与直达波声压的比值，即

在水池中的发射器与接收器的传输阻抗可以表示为发射器与接收器在自由场中的传输阻抗与水池的传递函数的乘积，即

自由场校准过程是基于在直达波传播条件下对水听器和接收器传输阻抗的校准，这就意味着存在唯一的水池传递函数

在假设对声场有影响的反射波有限的情况下，水听器的接收声压可以由直达波声压与反射波声压的和表示：

则也可用反射波与直达波的形式来表示：

显然，当等于0时，的目的就可以实现。

反射波声压可以通过直达波声压和由直达波与反射波传播差异Δr_i引入的相位延迟来表示。

为便于研究，假设Δr₁<Δr₂<…<Δr_n，反射因素与频率无关，且反射波声压幅度与传播差异Δr无关。

基于这些基本假设，反射波可以表示为：

则，水池传递函数可以表示为：

式中的j为复数符号

考虑到波数k＝2πf/c(其中c为水中声速)，指定参数α＝2πΔr_i/c，并且使用比值表示在幅度为1的复指数函数exp(-jαf)在频率范围Δf内的移动平均值，即

式中，平均的结果表示为假设函数与真实函数的乘积，即α和Δf总是不一致，不为0；围绕0作振荡；振幅随着参数α和平均频率间隔Δf的增大而减小。因而，在频率间隔内复指数函数的移动平均造成了函数幅度的减小。

因此，水池传递函数可以表示为：

其中函数表示残留的第i个反射波的影响，是第i路反射波的延时；函数决定了反射影响的减小依赖于时间延迟τ和平均频率间隔Δf。

在频率间隔Δf₁＝1/τ₁内平均使函数为0时，τ_i>τ₁时间延时的反射影响减少到不足5次。这个结论对于任意i路反射相似的情况都存在。

每个水池传递函数在频率间隔1/τ_i内的复数移动平均都排除了延迟τ_i的反射影响，导致后续反射至少五倍的减少。总之，反射影响的减少可以看作是在频率间隔Δf₁＝1/τ₁,Δf₂＝1/τ₂,…,Δf_m＝1/τ_m内一步一步平均的结果(m≤n)。频率间隔由函数确定。

复数移动平均法的目的是通过基于目标(发射器、水池和接收器)的特性分析以及自由场发射器与接收器的传输阻抗的估计，对反射波信号与直达声波之间的不同传播程差的关系及其对发射器与接收器之间的传输阻抗的估计的贡献来减少在非消声水池中连续波引入的反射影响。

所述的基于目标特性分析，它是把发射器、测试水域(水池)和接收器作为一个整体考虑，也即把发射、传输媒介和测试系统作为一个整体，只对自由场发射器与接收器之间的传输阻抗进行估计。在进行测试中，利用正余弦函数组成复数的特性，在实施过程中采用前后两次分别发射正弦与余弦信号来驱动发射器，并对发射与接收信号进行记录。在对信号进行处理时，分别把发射与接收信号按复数信号组合，然后获取发射器与接收器之间的复数转移阻抗；在对发射器与接收器之间的传输阻抗进行分析时，利用多次反射波与直达波之间的传播延时所产生的频差来确定每次对信号进行移动平均的带宽；复数移动平均法采用复数线性扫频信号，通过反射波延时产生的频差对整个频段内的信号进行移动平均。

复数移动平均法，实际上是利用反射波与直达波间不同传播程差来设置滤波器的带宽对接收信号进行滤波处理来实现对不同反射波的剔除。在实施中采用扫频信号，并巧妙地采用前后两次不同信号(正余弦)发射，利用正弦与余弦信号组成复数信号，并利用正余弦函数组成的复数的特点(复函数与其共轭函数的乘积等于1)，来消除发射系统与接收系统间的系统误差。通过对特定带宽内信号的复数平均，对整个测试频段范围内实现移动平均。整个测试的原理如附图2所示：

整个实施过程如下：

(1)信号发生器发生线性正弦扫频信号，并激励功率放大器驱动发射器发生信号；

(2)接收器接收的信号经测量放大器后进行数据采集。同时，采集信号发生器的发射信号；并存储数据；

(3)信号发生器发生线性余弦信号，重复(1)和(2)的过程；

对测试的数据进行如图2标示的处理：首先要对发射信号和接收信号的复数化，发射信号与接收信号复数化是复共轭的复数化。两个处理后的信号进行数学处理(复共轭相乘)，得到水池的传递函数。然后对传递函数进行复数移动平均处理。复数移动平均就是利用反射波与直达声的程差所引起的时间延时和带来的平均频率间隔的差异来对测试得到的水池传递函数按公式(7)进行移动平均，通过不同反射波与直达波的程差的不同，对接收信号进行多次的复数移动平均处理，最终使公式(8)中第2项逼近0，最后就可以得到直达波传播条件下发射器与接收器之间的传输阻抗。得到传输阻抗后，就可以根据测试对象的不同进行相关的计算。

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，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (1)

1.一种能在有限水域内降低测试频率的方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：

(1)、信号发生器发生线性正弦扫频信号，并激励功率放大器驱动发射器发生信号；

(2)、接收器接收的信号经测量放大器后通过数据采集器进行数据采集，同时，采集信号发生器的发射信号，并存储数据；

(3)、信号发生器发生线性余弦扫频信号，并激励功率放大器驱动发射器发生信号；接收器接收的信号经测量放大器后通过数据采集器进行数据采集，同时，采集信号发生器的发射信号，并存储数据；

(4)、对测试的数据进行处理：首先要对发射信号和接收信号的复数化，发射信号与接收信号复数化是复共轭的复数化；两个处理后的信号进行复共轭相乘的数学处理，得到非消声水池的传递函数；然后对传递函数进行复数移动平均处理，利用反射波与直达声的程差所引起的时间延时和带来的平均频率间隔的差异来对测试得到的水池传递函数按公式(7)进行移动平均，通过不同反射波与直达波的程差的不同，对接收信号进行多次的复数移动平均处理，最终使公式(8)中第2项逼近0，最后得到直达波传播条件下发射器与接收器之间的传输阻抗；

$\frac{1}{\mathrm{\&Delta;}f}\underset{-\frac{\mathrm{\&Delta;}f}{2}}{\overset{\frac{\mathrm{\&Delta;}f}{2}}{\&Integral;}}\exp (-j\mathrm{\&alpha;}(f-f^{\&prime;}\left)\right){\mathrm{df}}^{\&prime;}=\exp (-j\mathrm{\&alpha;}f)\frac{sin\left(\frac{\mathrm{\&alpha;}\mathrm{\&Delta;}f}{2}\right)}{\frac{\mathrm{\&alpha;}\mathrm{\&Delta;}f}{2}}---\left(7\right)$

式中α＝2πΔr_i/c，c为水中声速，直达波与反射波传播差异Δr_i，平均频率间隔Δf，f是直达波频率，f'是反射波的频率；

水池传递函数表示为：

${\stackrel{\&CenterDot;}{H}}_{WT}(f,\mathrm{\&Delta;}f)=\frac{1}{\mathrm{\&Delta;}f}\underset{-\frac{\mathrm{\&Delta;}f}{2}}{\overset{\frac{\mathrm{\&Delta;}f}{2}}{\&Integral;}}{\stackrel{\&CenterDot;}{H}}_{WT}(f-f^{\&prime;}){\mathrm{df}}^{\&prime;}=1+\underset{i=1}{\overset{n}{\&Sigma;}}{\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&epsiv;}}}_i(f,\mathrm{\&Delta;}f)---\left(8\right)$

其中函数表示残留的第i个反射波的影响，是第i路反射波的延时；函数决定了反射影响的减小依赖于时间延迟τ和平均频率间隔Δf。