CN108415004B

CN108415004B - 光纤水听器阵列全频段相位一致性的测量方法

Info

Publication number: CN108415004B
Application number: CN201710355420.5A
Authority: CN
Inventors: 申和平; 张海兵; 靳湧涛; 张西建
Original assignee: WUHAN PUHUI OCEAN PHOTOELECTRIC TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: WUHAN PUHUI OCEAN PHOTOELECTRIC TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2017-05-19
Filing date: 2017-05-19
Publication date: 2019-01-18
Anticipated expiration: 2037-05-19
Also published as: CN108415004A

Abstract

公开了一种光纤水听器阵列全频段相位一致性的测量方法，包括：将光纤水听器阵列的第一阵元作为参考阵元垂直放置在由第一声源、第二声源、第一参考基元和第二参考基元构成的直线上，并记录第一阵元的位置；由第一声源和第二声源发射数据信号，记录第一参考基元、第二参考基元和第一阵元的接收信号，并计算第一阵元的第一时延和第二时延；改变所述光纤水听器阵列垂直于支架的位置，使得其他被测阵元依次到达上一被测阵元的位置，重复发射信号，计算相应被测阵元的第一时延和第二时延；根据所计算的时延结果，计算各阵元相对于参考阵元的初始相位差；和基于所计算的初始相位差，对光纤水听器阵列的不同阵元进行相位补偿。

Description

光纤水听器阵列全频段相位一致性的测量方法

技术领域

本发明涉及传感器性能计量领域，特别涉及一种光纤水听器阵列全频段相位一致性的测量方法。

背景技术

随着科学技术的进步，传感器被广泛应用于各个领域。在水下声信号探测领域，光纤水听器阵列作为一种高灵敏度、轻型、大孔径水声拖曳探测设备，在地震信号探测、环境检测和水下安全警戒方面发挥着重要作用。光纤水听器阵列用于远程目标侧向的原理是根据声波来向对阵列不同基元进行相位补偿后再进行同相叠加，即波束形成原理。补偿的相位主要依据声波来向和阵元间距计算得到。波束形成过程需设置参考阵元，但是当阵元相对于参考阵元存在初始相位差时，补偿的相位便不够精确，造成目标测向精度下降。因此，水听器阵列各基元的相位一致性是一个重要指标。

实际上，由于制作工艺、材料本身的电声性能以及装配工艺的差异等原因，不同的光纤传感器确实存在不同的初始相位。在工程应用之前，测量光纤传感器的初始相位，从而提高相位补偿精度，实现目标声波来向处各光纤传感器输出的同相叠加，对于更好发挥光纤水听器阵列在水下目标探测中的作用具有十分重要的意义。

在使用过程中，对于远处的声源目标发射声波的时刻，水听器输出信号的时延主要由两部分构成，一是声波由声源传播至水听器位置的时延，二是由于水听器初始相位导致的时延。一般来说，知道前两者，便可求得后者，将初始相位导致的时延乘以角频率便可得到水听器的初始相位。

在测量传统压电水听器的初始相位时，将信号源和接收传感器输出信号连接到同一示波器，经过A/D变换，采用同步方式显示，可精确计算两者之间的时延；再计算由于收发距离造成的时延，两者之差再乘以角频率，便得到该压电水听器自身的初始相位。然而，在光纤水听器阵列系统中加入了光电信号解调模块，其输出的数字信号和声源输出的模拟信号并不能在同一示波器显示，使得声源发射信号和水听器接收信号之间的时延不能精确测量，因而无法利用常规方法测得单个光纤水听器的初始相位。

对于低频声波信号，由于波长较长，常大于基元间间距。在实践中常采用将阵列的阵元两两捆在一起的方式来测量阵元间初始相位差，再变换多轮阵元顺序，从而得到阵列的相位一致性分析结果。对于高频声波信号，这样的测量方式误差较大，难以获得精确的相位一致性测量。

因此，需要一种能够针对全频段精确测量光纤水听器阵列的初始相位的方法。

发明内容

本发明提出了一种针对光纤水听器系统阵元全频段相位一致性的精确测量方法，能给出各阵元相对于某一参考基元的初始相位差，而不受频段限制，从而解决实际工程中光纤水听器初始相位难以测量的问题。

根据本发明的一个实施例，提供了一种光纤水听器阵列全频段相位一致性的测量方法，包括：将所述光纤水听器阵列的第一阵元作为参考阵元垂直放置在由第一声源、第二声源、第一参考基元和第二参考基元构成的直线上，并记录所述第一阵元的位置；由所述第一声源和第二声源发射数据信号，记录所述第一参考基元、第二参考基元和所述第一阵元的接收信号，并计算所述第一阵元的第一时延和第二时延，其中所述第一阵元的第一时延是所述第一参考基元和所述第一阵元先后接收到所述第一声源发出的信号的时间差，所述第一阵元的第二时延是所述第二参考基元和所述第一阵元先后接收到所述第二声源发出的信号的时间差；改变所述光纤水听器阵列垂直于支架的位置，使得其他被测阵元依次到达上一被测阵元的位置，重复发射信号，计算相应被测阵元的第一时延和第二时延，其中所述相应被测阵元的第一时延是所述第一参考基元和所述相应被测阵元先后接收到所述第一声源发出的信号的时间差，所述相应被测阵元的第二时延是所述第二参考基元和所述相应被测阵元先后接收到所述第二声源发出的信号的时间差；根据所计算的相应被测阵元的第一时延和第二时延，计算各被测阵元相对于所述参考阵元的初始相位差；以及基于所计算的各阵元相对于所述参考阵元的初始相位差，对所述光纤水听器阵列的不同阵元进行相位补偿。

优选地，所述第一声源、第二声源、第一参考基元和第二参考基元在整个试验过程中的位置保持不变。

优选地，所述方法进一步包括：在试验前，发送一组测试信号，基于所观察到的所述第一参考基元、第二参考基元和被测阵元的波形来调节信号源幅度和功放增益大小。

优选地，所述第一声源、第二声源、第一参考基元和第二参考基元利用第一刚性支架被固定成处于所述直线上，所述第一刚性支架包括用来固定所述第一声源的第一端、用来固定所述第一参考基元的第二端、用来固定所述第二参考基元的第三端、以及用来固定所述第二声源的第四端，所述第一端、第二端、第三端和第四端通过呈直线的第一支撑架连接，并且其中所述第一端、第二端、第三端和第四端垂直于所述呈直线的第一支撑架并且彼此相隔固定距离。

优选地，通过第二刚性支架来夹住被测阵元，使得每次被夹住的位置一致，并且其中所述第二刚性支架包括第一端、第二端和第二支撑架，所述第一端和第二端垂直于呈直线的第二支撑架并且彼此相隔固定距离。

优选地，以左右对称的方式布置所述第一声源、所述第一参考基元与所述第二参考基元、所述第二声源。

根据本公开和附图的下面的详细描述，对本领域的普通技术人员来说其它的目的、特征、以及优点将是显而易见的。

附图说明

附图图示了本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。在附图中：

图1示出了根据本发明实施例的试验方案的框图100；

图2示出了根据本发明实施例的系统湿端的布置图200；以及

图3示出了根据本发明实施例的方法的流程图300。

具体实施方式

根据本发明的实施例公开了一种光纤水听器全频段相位一致性的测量方法。在以下描述中，为了说明的目的，阐述了多个具体细节以提供对本发明的实施例的全面理解。然而，对于本领域人员显而易见的是，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实现。

光纤水听器的相位一致性是指当两个或两个以上光纤水听器在相同瞬时声压作用下，各个水听器基元解调后结果的相位插值。

以应用于水声领域的光纤水听器阵列为例。

图1示出了根据本发明实施例的试验方案的框图100。该试验方案的框图100主要包括系统干端和系统湿端两部分。系统干端包括可设定具体参数的信号源101、适用于高频信号的功率放大器103、采样器105、采集卡107、光电解调模块109和用于数据处理的计算机111及显控设备。系统湿端包括两组声源S₁、S₂和两个参考基元M₁、M₂，以及用于测量各通道初始相位的水听器线列阵。

具体地，如图1所示，功率放大器103接收来自信号源101的输入，并将信号输出至采样器105。采样器105将信号输出至采集卡107和两组声源S₁、S₂以对两组声源进行采样。两个参考基元M₁、M₂和被测阵元连接至光电解调模块109。计算机111接收来自采集卡107和光电解调系统109的信号，以实现对光纤水听器阵列的不同阵元进行相位补偿。

设有一条线列阵，被测阵元依次为首先测量第一个被测阵元的初始相位，在其两侧各有一组声源和参考基元，即声源S₁、参考基元M₁、参考基元M₂和声源S₂，五者处于同一直线上，被测线列阵与该直线垂直放置。根据位置关系，可以列举以下方程：

1、声源S₁到达参考基元M₁的相位差

其中，t₁表示以声源S₁发射信号时刻为时间轴0点时，声源S₁到达参考基元M₁的实际测量绝对时间。d₁表示声源S₁和参考基元M₁之间的距离。因此，2πfd₁/C表示因声源和参考基元M₁之间的距离造成的理论相位。表示参考基元M₁的初始相位。表示由光电解调模块引起的相位。

2、声源S₁到达被测阵元的相位差

上式中的t₁₁表示声源S₁到达被测阵元的时间，表示被测阵元的初始相位。

3、声源S₂到达参考基元M₂的相位差

其中t₂表示声源S₂到达参考基元M₂的时间，d₂表示声源S₂和参考基元M₂之间的距离，表示参考基元M₂的初始相位。

4、声源S₂到达被测阵元的相位差

其中t₂₂表示声源S₂到达被测阵元的时间。

由式(1)～式(4)可以得到第1个被测阵元的初始相位

5、依次移动阵列，使第n个被测阵元处于该测量直线上，同样可以测得第n个被测阵元的初始相位

以上计算可以抵消参考基元与被测阵元经过的同一光电解调模块处理过程引入的相位影响，同时也可以抵消参考基元的初始相位。

以上方案采取两组声源，每次测量只需要纵向移动阵元即可。而且，根据本发明的技术方案要确保声源S₁、参考基元M₁、参考基元M₂和声源S₂在整个试验过程中的位置保持不变。

此外，在测量过程中还应保证每次被测阵元的位置稳定不变，即图1中声源S₁、S₂、参考基元M₁、M₂和被测阵元保持在一条直线上，以保证被测阵元每次被夹住的位置一致。

图2示出了根据本发明实施例的系统湿端的布置图200。如图2所示，在所选择的长宽合适的消声试验水池中，按图2的布置图搭建试验环境。根据本发明的一个实施例，采用将声源S₁、参考基元M₁、参考基元M₂和声源S₂固定在第一刚性支架上来使四者的相对位置在整个测量试验过程中都保持不变。如图2所示，所述第一刚性支架包括用来固定声源S₁的第一端、用来固定参考基元M₁的第二端、用来固定参考基元M₂的第三端以及用来固定声源S₂的第四端，所述第一端、第二端、第三端和第四端通过呈直线的第一支撑架连接，并且所述第一端、第二端、第三端和第四端垂直于所述呈直线的第一支撑架并且彼此相隔固定距离。根据本发明的实施例，可以利用吊放工装的方式来布置所述第一刚性支架，以方便实践操作。

优选地，在一个实施例中，以左右对称的方式布置声源S₁、参考基元M₁与参考基元M₂和声源S₂。通过采用两组声源搭配参考基元对称布放的方式，将声波在参考基元M₁与被测阵元以及在参考基元M₂与被测阵元的传播时间相加，能够得到声波在参考基元M₁、M₂之间固定距离间的传播时间，从而避免因距离测量带来的误差。

然而，本领域技术人员理解，可以采用其他方式来布置声源S₁、参考基元M₁、参考基元M₂和声源S₂，只要能够确保声源S₁、参考基元M₁、参考基元M₂和声源S₂在整个试验过程中的位置保持不变即可。

此外，根据本发明的一个实施例，通过第二刚性支架来实现被测阵元每次被夹住的位置一致。所述第二刚性支架包括第一端、第二端和第二支撑架，并且所述第一端和第二端垂直于呈直线的第二支撑架并且彼此相隔固定距离，也就是说，所述第一端、第二端和第二支撑架呈U型，如图2所示。此外，第二刚性支架的第二支撑架的中心垂直固定在所述第一刚性支架的第一支撑架的中心位置处。本领域技术人员理解，第二刚性支架的第二支撑架的中心可以垂直固定在所述第一刚性支架的第一支撑架的在参考基元M₁、参考基元M₂之间的任何位置处。

而且，所述第二刚性支架的第一端和第二端用来固定拖线阵(即，光纤水听器阵列)，作用是使水听器与发射换能器之间的相对位置固定，从而确保每个阵元在被测过程中处于两个参考基元的连线上。在本发明的一个实施例中，固定的方式是通过两个半圆的卡具固定，卡具通过螺丝锁死。当需要移动阵元位置时，松开固定卡具，将下一个待测水听器移动到卡具中，固定后开始测试。本领域技术人员理解，固定拖线阵的方式并不局限于该实施例，只要能够确保每个阵元在被测过程中处于两个参考基元的连线上的固定方式都是可行的。

图3示出了根据本发明实施例的方法的流程图300。如图3所示，在步骤301，将水听器阵列与装有声源和参考基元的支架方向垂直地放置，也就是说，将水听器阵列与第一刚性支架的第一支撑架垂直地放置，并利用第二刚性支架将水听器阵列的第一阵元作为参考基元垂直放置在由第一声源S₁、第二声源S₂、第一参考基元M₁和第二参考基元M₂构成的直线上，并记录所述第一阵元的位置。在一个优选实施例中，水听器阵列放置在由两个声源S₁、S₂和参考基元M₁、M₂构成的直线的中心位置。

在可选步骤303，在试验前发送一组测试信号，基于所观察到的第一参考基元M₁、第二参考基元M₂和第一阵元的波形来调节信号源幅度和功放增益大小，使得接收信号无限幅、无畸变、无反射波叠加，以保证通道时延估计准确。

在步骤305，由第一声源S₁和第二声源S₂发射数据信号，并记录第一参考基元M₁、第二参考基元和被测阵元的接收信号，并计算各自的时延。具体地，此时各自的时延指的是所述第一阵元的第一时延和第二时延，其中所述第一阵元的第一时延是所述第一参考基元和所述第一阵元先后接收到所述第一声源发出的信号的时间差，所述第一阵元的第二时延是所述第二参考基元和所述第一阵元先后接收到所述第二声源发出的信号的时间差。

在步骤307，保持第一声源S₁、第二声源S₂、第一参考基元M₁和第二参考基元M₂之间的相对位置不变，改变水听器阵列垂直于支架的位置，使得其他被测阵元依次到达上一被测阵元的位置，重复发射信号，计算各自的时延。具体地，此时各自的时延指的是相应被测阵元的第一时延和第二时延，其中所述相应被测阵元的第一时延是所述第一参考基元和所述相应被测阵元先后接收到所述第一声源发出的信号的时间差，所述相应被测阵元的第二时延是所述第二参考基元和所述相应被测阵元先后接收到所述第二声源发出的信号的时间差。

在步骤309，根据所述时延测量结果，即，根据所计算的相应被测阵元的第一时延和第二时延，计算各被测阵元相对于参考阵元的初始相位差。

在步骤311，基于所计算的各阵元相对于所述参考阵元的初始相位差，对所述光纤水听器阵列的不同阵元进行相位补偿。

根据本发明的技术方案，在测量光纤水听器阵列的初始相位时，可以抵消第一参考基元、第二参考基元和被测阵元经过的同一光电解调模块处理过程引入的相位影响，并且能够避免因距离测量带来的误差，因此可以不受频段限制地实现各阵元相对于某一参考基元的初始相位差的精确测量，从而解决光纤水听器相位一致性的问题。

上述实施例仅是本发明的优选实施例，并不用于限制本发明。对本领域技术人员显而易见的是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明的实施例进行各种修改和改变。因此，本发明意在涵盖落入如权利要求所限定的本发明的范围之内的所有的修改或变型。

Claims

1.一种光纤水听器阵列全频段相位一致性的测量方法，包括：

将所述光纤水听器阵列的第一阵元作为参考阵元垂直放置在由第一声源、第二声源、第一参考基元和第二参考基元构成的直线上，并记录所述第一阵元的位置；

由所述第一声源和第二声源发射数据信号，记录所述第一参考基元、第二参考基元和所述第一阵元的接收信号，并计算所述第一阵元的第一时延和第二时延，其中所述第一阵元的第一时延是所述第一参考基元和所述第一阵元先后接收到所述第一声源发出的信号的时间差，所述第一阵元的第二时延是所述第二参考基元和所述第一阵元先后接收到所述第二声源发出的信号的时间差；

改变所述光纤水听器阵列垂直于支架的位置，使得其他被测阵元依次到达上一被测阵元的位置，重复发射信号，计算相应被测阵元的第一时延和第二时延，其中所述相应被测阵元的第一时延是所述第一参考基元和所述相应被测阵元先后接收到所述第一声源发出的信号的时间差，所述相应被测阵元的第二时延是所述第二参考基元和所述相应被测阵元先后接收到所述第二声源发出的信号的时间差；

根据所计算的相应被测阵元的第一时延和第二时延，计算各被测阵元相对于所述参考阵元的初始相位差；以及

基于所计算的各阵元相对于所述参考阵元的初始相位差，对所述光纤水听器阵列的不同阵元进行相位补偿。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一声源、第二声源、第一参考基元和第二参考基元在整个试验过程中的位置保持不变。

3.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：

在试验前，发送一组测试信号，基于所观察到的所述第一参考基元、第二参考基元和被测阵元的波形来调节信号源幅度和功放增益大小。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述第一声源、第二声源、第一参考基元和第二参考基元利用第一刚性支架被固定成处于所述直线上，所述第一刚性支架包括用来固定所述第一声源的第一端、用来固定所述第一参考基元的第二端、用来固定所述第二参考基元的第三端、以及用来固定所述第二声源的第四端，所述第一端、第二端、第三端和第四端通过呈直线的第一支撑架连接，并且其中所述第一端、第二端、第三端和第四端垂直于所述呈直线的第一支撑架并且彼此相隔固定距离。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，通过第二刚性支架来夹住被测阵元，使得每次被夹住的位置一致，并且其中所述第二刚性支架包括第一端、第二端和第二支撑架，所述第一端和第二端垂直于呈直线的第二支撑架并且彼此相隔固定距离。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，以左右对称的方式布置所述第一声源、所述第一参考基元与所述第二参考基元、所述第二声源。