CN107037418A - 一种低频超指向性多极子矢量阵的有界空间校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于水下声矢量阵校正领域，具体涉及一种20‑1000Hz低频范围内超指向性多极子矢量阵的校正的低频超指向性多极子矢量阵的有界空间校正方法。本发明包括：建立超指向性多极子矢量阵包括0号‑4号阵元；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；在0‑360°范围内旋转超指向性多极子矢量阵，采集与存储0号～4号基元的接收信号，每个阵元包括一路声压信号和两路振速通道信号等。本发明克服了目前小尺度基阵的校正需要大尺度自由场空间的难题，提供一种在有界空间水域、可操作性强、方便实用的校准方法，可广泛应用于低频超指向性矢量阵的校准，因此本发明可以广泛应用于低频水声计量各领域。

Description

一种低频超指向性多极子矢量阵的有界空间校正方法

技术领域

本发明属于水下声矢量阵校正领域，具体涉及一种20-1000Hz低频范围内超指向性多极子矢量阵的校正的低频超指向性多极子矢量阵的有界空间校正方法。

背景技术

在低频甚低频工作段，传统声呐设计的瑞利限严重制约了水下声基阵的应用及其方位估计性能。而超指向性基阵研究工作的突破为本问题提供了解决思路。近几年，基于小孔径的超指向性基阵波束形成方法成为研究热点，大量的设计分析及计算机仿真表明了本类型基阵的优势，但目前只有有限的成品系统被应用于实际工作中，其主要原因之一便是本类型基阵较强的敏感性。

在利用基阵进行方位估计时，需要已知基阵的阵列流形。理论上说，阵列流形在设计时便已给出，但实际中传感器灵敏度误差、相位不一致、阵元间耦合等因素都会导致二者之间的差异。现有的大量研究及发明工作都对这些因素进行了补偿校正，但都只是针对常规基阵。超指向性基阵的校正工作更为复杂，由于超指向性基阵的基元之间排列紧密，因此容易引起互散射等效应，而互散射通常与频率有关，而且安装误差等会影响基阵指向性，这些都难以建模并消除。水声领域超指向性基阵的校正工作更为缺乏。由于实际工作场地的原因，能在水池环境进行校正的频率被限定的非常严格，低频校正难度大大增加；由于超指向性基阵高幅相误差灵敏度等因素的存在，必须考虑安装误差及传感器后续电路不完全一致等系统误差，使得超指向性基阵整体校正迫在眉睫，而其基阵尺寸对于校正空间的不可忽略性使得问题更为复杂。综合以上因素，建立超指向性矢量多极子阵的有限空间校正模型及其关键技术突破是超指向性基阵应用中必须解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于针对水下有界空间的影响，提供一种操作简单、方便实用的低频超指向性多极子矢量阵的有界空间校正方法。

本发明的目的是这样实现的：

(1)建立超指向性多极子矢量阵包括0号-4号阵元，构成一个十字型，十字原点处为0号阵元，1号～4号阵元与0号阵元间距d相等，且阵元间距d与波数k之间满足kd<1；声源的主轴方向对准超指向性多极子矢量阵的正横方向；

(2)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；

(3)在0-360°范围内旋转超指向性多极子矢量阵，采集与存储0号～4号基元的接收信号，每个阵元包括一路声压信号和两路振速通道信号；

(4)将工作环境设置参数代入到球面波声场中的矢量阵列模型中，计算理论阵列流形；

声源距基阵几何中心距离为r，任一初始位置位于与X正轴夹角θ₀位置的基元，在任意声源入射方向θ时，距声源位置为

其矢量通道指向性图为

有界空间中的阵列流形矢量为：

其中，表示第i号基元的X通道指向性；表示第i号基元的Y通道指向性，i＝0,1,…,4；

(5)对存储的接收信号进行分析，将结果与理论模型进行对比：对于每个通道，画出实测数据的幅度随声源入射角度变化图，即指向性图，并与理论指向性图对比；画出实测数据的相位随声源入射角度变化图，并与理论情况对比；若实测情况与本发明中的理论计算结果相符，则表明阵列误差与方位无关，阵列仅存在通道幅相误差；

(6)建立基阵阵列流形校正的加权最小二乘算法；根据所建模型及实测数据分析，设定校正矩阵为对角阵

和分别代表第n个测量角度上的实测阵列流形和理论阵列流形，A_n中的元素表示对应位置上通道的幅相不一致量；而基阵的整体校正算法为：

或

利用参数α_n对数据可信度进行调整；加权最小二乘算法的最优解为

选择数据均方幅值作为加权值：

本发明的有益效果在于：本发明考虑了在有界空间中小尺度基阵校准的主要矛盾，对于有界空间的影响进行了建模并去除。本发明克服了目前小尺度基阵的校正需要大尺度自由场空间的难题，提供一种在有界空间水域、可操作性强、方便实用的校准方法，可广泛应用于低频超指向性矢量阵的校准，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基阵校正模型；

图2发明内容程序流程图；

图3 1X通道幅度特性；

图4 1X通道相位特性；

图5(a)为水池试验所得校正因子实部；

图5(b)为水池试验所得校正因子虚部；

图6(a)为cos2θ基阵高阶指向性；

图6(b)为sin2θ基阵高阶指向性；

图6(c)为cos3θ基阵高阶指向性；

图6(d)为sin3θ基阵高阶指向性；

图7(a)cos2θ校正后基阵高阶指向性；

图7(b)sin2θ校正后基阵高阶指向性；

图7(c)cos3θ校正后基阵高阶指向性；

图7(d)sin3θ校正后基阵高阶指向性。

具体实施方式

下面结合附图对发明做更详细地描述：

(1)超指向性多极子矢量阵包括0号～4号阵元，它们构成一个十字型，十字原点处为0号阵元，1号～4号阵元与0号阵元间距d相等，且阵元间距d与波数k之间满足kd<<1。将基阵通过转接法兰安装在测量水池的行车上，放入水池深度约1/2处，其中，0号基元位于阵中心，且吊放在机械旋转装置的正下方。同时将测量用辅助声源吊放到同一深度，声源距基阵几何中心距离为r满足声学远场条件，声源的主轴方向对准超指向性多极子矢量阵的正横方向。

(2)调节信号发射器产生需要频率的CW脉冲信号，经功率放大器加载到声源输入端，形成测试声场。

(3)在试验过程中，保持声源不动，利用机械装置在0°～360°范围内旋转基阵。利用信号采集系统对信号进行采集，存储，其中信号包括0号～4号基元的接收信号，每个阵元包括一路声压信号和两路振速通道信号。

(4)根据工作环境，建立球面波声场中的矢量阵列接收模型。由于水池空间有限，且在低频工作段，为使直达波信号尽量长，并尽量提高信噪比，基阵中心与发射器间距离有限，且与基阵孔径可比拟，因此必须考虑声源按照球面波方式传播。如图1中所示，设声源在红色圆点处，声源距基阵几何中心距离为r。根据几何关系，任一初始位置位于与X正轴夹角θ₀位置(逆时针为正)的基元，在声源旋转一周的过程中，当声源从任意方向θ入射时，它距声源位置为

其中幅度随传播距离衰减，且与距离减成反比关系，即对于声压通道，其信号可以表示为

而对于各传感器的矢量通道而言，由于其投影轴的关系，声源相对各基元坐标轴的入射角度与原点处基元并不相同，因此各基元矢量通道的指向性图需要考虑图1中θ'的变化情况。根据几何关系，任一初始位置位于与X正轴夹角θ₀位置(逆时针为正)的基元矢量通道的指向性可以表示为

由此，可建立球面波声场中的矢量阵列流形矢量：

尽管此矢量是在五元阵的情形下得出，但对于其他阵型本分析方法同样适用。

(5)对采集到的不同角度入射的15路信号进行后置处理：将各通道接收的所有角度上的信号进行截取，获得含有直达波的有效信号段，然后将数据进行FFT处理。保存所有通道所有角度上FFT处理后的频域信号，作为后续分析的主要目标。

对于特定通道，分析接收信号随声源入射角度变化情况。此时，取对应位置上所保存数据的幅度值，将幅度值随角度的变化情况在极坐标图中画出，并与建模情况进行对比，1X通道的幅度对比情况如图2所示。取对应位置上所保存数据的相位值，将相位随角度的变化情况在直角坐标系中画出，并与建模情况进行对比，1X通道相位的对比情况如图3所示。其它通道的对比情况可同理画出。分析对比结果，在结果基本一致的前提下，认为实测情况符合所建模型，可进行后续分析。

通过相位随角度的变化情况可以看出，基元的实测相位变化规律与自身站位造成的相位(即理论相位)变化规律一致，仅相差一个常数，此常数即是表明基元间的初始相位不一致的量。由以上分析可知，阵列误差与方位基本无关，阵列仅存在通道幅相误差。因此校正矩阵可设定为对角阵。

(6)对于特定入射角度(第n个测量角度)，取对应位置上的数据。选取工作频点处的数值，作为第n个测量角度上的实测阵列流形而理论阵列流形由实际参数代入到下式中即可获得。

最后对公式进行求解

选择数据均方幅值作为加权值：

由此获得校正因子，获得的校准因子矩阵为复对角阵，其实部和虚部如图4(a)和4(b)所示。从校正因子可以看出，X与Y通道基本保持一致，幅相误差很小，而它们与P通道之间差别则较大，且1基元的P通道与其它基元P之间反相，这可以从实验数据波形中得到验证。通过校正因子的质量可以看出，本基阵中各基元一致性较好，无须校正即可实现较理想的二阶指向性图。将校准前基阵的高阶指向性图(图(5))与校准后基阵的高阶指向性图(图(6))对比，可见二阶指向性得到了优化，三阶指向性得到了改善，尤其是指向性的凹点部分改善明显。

Claims (1)

1.一种低频超指向性多极子矢量阵的有界空间校正方法，其特征在于：

(1)建立超指向性多极子矢量阵包括0号-4号阵元，构成一个十字型，十字原点处为0号阵元，1号～4号阵元与0号阵元间距d相等，且阵元间距d与波数k之间满足kd<1；声源的主轴方向对准超指向性多极子矢量阵的正横方向；

(2)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；

(3)在0-360°范围内旋转超指向性多极子矢量阵，采集与存储0号～4号基元的接收信号，每个阵元包括一路声压信号和两路振速通道信号；

(4)将工作环境设置参数代入到球面波声场中的矢量阵列模型中，计算理论阵列流形；

声源距基阵几何中心距离为r，任一初始位置位于与X正轴夹角θ₀位置的基元，在任意声源入射方向θ时，距声源位置为

其矢量通道指向性图为

有界空间中的阵列流形矢量为：

其中，表示第i号基元的X通道指向性；表示第i号基元的Y通道指向性，i＝0,1,…,4；

(5)对存储的接收信号进行分析，将结果与理论模型进行对比：对于每个通道，画出实测数据的幅度随声源入射角度变化图，即指向性图，并与理论指向性图对比；画出实测数据的相位随声源入射角度变化图，并与理论情况对比；若实测情况与本发明中的理论计算结果相符，则表明阵列误差与方位无关，阵列仅存在通道幅相误差；

(6)建立基阵阵列流形校正的加权最小二乘算法；根据所建模型及实测数据分析，设定校正矩阵为对角阵

和分别代表第n个测量角度上的实测阵列流形和理论阵列流形，A_n中的元素表示对应位置上通道的幅相不一致量；而基阵的整体校正算法为：

或

利用参数α_n对数据可信度进行调整；加权最小二乘算法的最优解为

选择数据均方幅值作为加权值：