CN109375197B - 一种小尺寸矢量阵低频散射校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于20‑1000Hz低频范围内任意对称结构小尺寸声呐基阵的校正领域，具体涉及一种小尺寸矢量阵低频散射校正方法。该方法包含以下步骤：(1)布放基阵与发射器；(2)调节信号发射设备形成测试声场；(3)在水平面等间隔旋转基阵一周，采集与存储所有角度接收信号；(4)利用离散傅里叶变换求取总声场傅里叶展开项系数估计值；(5)将期望指向性输出与基阵实际输出分别展开；(6)利用最小二乘法拟合期望指向性输出与实际输出，求取加权矢量矩阵。本发明直接将基阵输出作为校准依据，避免了基元不一致性、安装误差等因素对声散射校正的影响，使基阵系统声散射校正问题更直接，可操作证性强，避免了误差传递的影响，为声呐基阵后续应用提供保障。

Description

一种小尺寸矢量阵低频散射校正方法

技术领域

本发明属于20-1000Hz低频范围内任意对称结构小尺寸声呐基阵的校正领域，具体涉及一种小尺寸矢量阵低频散射校正方法。

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呐基阵的探测性能。而布阵间隔远小于半波长的小尺寸基阵研究工作的突破为本问题提供了解决思路。近几年，基于小尺寸声呐基阵的超指向性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基阵周围声散射的影响。虽然小尺寸基阵可以灵活安装在小平台上，但工作平台或基阵载体等结构体，都是声散射体，其散射效应会导致接收声信号畸变。加之这些结构体大多都是复合而成，其材料与形状的参数复杂，使得其影响程度难以精确估计。

水声领域中的目标声散射特性研究工作，重点集中在对远场情况的讨论上。而在近场声散射问题中，大多也只考虑水声换能器自身散射对测量结果的影响，直到近些年才开始关注周围障板散射体的作用，但绝大多数解决方法只考虑了具有解析解的球体、长圆柱体等规则结构体周围的声场，对于复合结构引起的声散射，则难以精确计算。同时，要解决声障板影响下矢量传感器阵的应用，不仅要研究障板散射特性的计算方法，更是要研究相应的声信号畸变规律及解决办法。但到目前为止，特别是对于小尺寸矢量阵阵列而言，仍缺少一种灵活的、且考虑更广泛形状散射体情况的校正方法。

发明内容

本发明的目的在于针对基阵载体声散射的影响，发明一种操作简单、方便实用的小尺寸基阵校正方法，尤其是20-1000Hz低频范围内小尺寸矢量阵的校正。

本发明的目的是这样实现的，该方法包括以下步骤：

(1)布放基阵与发射器；

(2)根据所布放的基阵与发射器，调节信号发射设备形成测试声场；

(3)根据形成的测试声场，在水平面等间隔旋转基阵一周，采集与存储所有角度接收信号；

(4)根据采集与存储的所有角度接收信号，利用离散傅里叶变换求取总声场傅里叶展开项系数估计值；

(5)根据总声场傅里叶展开项系数估计值，将期望指向性输出与基阵实际输出分别展开；

(6)根据期望指向性输出与基阵实际输出的展开式，利用最小二乘法拟合期望指向性输出与实际输出，求取加权矢量矩阵。

所述步骤(1)布放基阵与发射器时以阵元间距d与波数k之间满足kd<<1设计小尺寸矢量阵，将小尺寸矢量阵固定在薄圆板上，并在圆板下方设计短圆柱腔以放置调理电路等电子设备。

所述步骤(2)调节信号发射设备形成测试声场时布放声源与小尺寸矢量阵，二者之间距离满足声学远场条件，声源的主轴方向对准小尺寸矢量阵的正横方向；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，采集与存储各基元的接收信号，每个阵元包括一路声压信号和两路振速通道信号，共获得Q个不同方向

实测导向矢量

的集合：

式中，

为入射方位的集合，

表示i方向的入射方位。

基于结构的对称性，将基阵接收声场矢量进行傅里叶展开：

其中上标T表示转置，m为展开项的阶数，N为总通道数，D_{m_n}为第一参数，

为第n个通道相对参考通道的相位差，步骤(4)所述的总声场傅里叶展开项系数C_{m_n}的估计值由下式计算获得：

式中，m为展开项的阶数，

表示Q个不同的方向，

表示第n个通道Q个不同方向

实测导向矢量，

为第n个通道相对参考通道的相位差，Q表示不同方向的总数。

将小尺寸矢量阵看作一个高阶传感器，将其输出的高阶指向性作为依据进行校正，为此，需要分别将期望指向性输出和基阵实际输出展开，其中，将中心频率ω时各基元加权系数表示为下式：

式中，

表示第i个基元加权系数；

将信号表达式限定到前M阶，得到基阵输出表达式为下式：

式中，

表示第i个基元加权系数，m为展开项的阶数，

为入射方位的集合，D_{m_n}为第一参数，并按下式进行计算：

其中，C_{m_n}为总声场傅里叶展开项系数，

为第n个通道相对参考通道的相位差；

将基阵输出表达式写成矩阵形式为下式：

式中，

为N个基元加权系数的集合，

表示第i个基元加权系数，D_{m_n}为第一参数，且

C_{m_n}为总声场傅里叶展开项系数，

为第n个通道相对参考通道的相位差，

为N个通道的第一参数的集合；

将步骤(5)所述期望指向性输出展开为下式：

式中，θ为导向角，M称为波束图的阶数，

为入射方位的集合，各系数第二参数a_m项决定了波束图的形状，将上式写为如下形式：

式中，

γ(θ)＝diag[e^-iMθ,...,1,...,e^-iMθ]

b＝[b_-M,...,b₀,...,b_M]^T

建立小尺寸矢量阵散射校正的加权最小二乘算法，令基阵实际输出与期望指向性输出相等，得下式：

式中，

为第一参数的集合，θ为导向角，且γ(θ)＝diag[e^-iMθ,...,1,...,e^-iMθ]，

为N个基元加权系数的集合，对上式求取广义逆来获取步骤(6)所述加权系数矩阵的估计值：

式中，上标H表示共轭转置。

利用此系数矩阵对小尺寸矢量阵进行加权处理，即可修正低频声散射的影响，解决小尺寸矢量阵的低频校正问题。本发明考虑了安装平台或基阵载体的低频散射问题与小尺寸矢量阵波束形成实现之间的主要矛盾，对于低频散射的影响进行测量并去除。

本发明的有益效果在于：将小尺寸矢量阵看作一个高阶传感器，因此可以忽略单基元的校准，直接将高阶指向性输出作为校准依据，解决了载体低频散射问题的同时，可操作性强、方便实用。本发明可以应用于低频水声计量与声散射修正的各个领域。

附图说明

图1小尺寸矢量阵示意图。

图2发明内容程序流程图。

图3(a)0号基元X通道实测指向性图。

图3(b)0号基元Y通道实测指向性图。

图3(c)0号基元P通道实测指向性图。

图3(d)1号基元X通道实测指向性图。

图3(e)1号基元Y通道实测指向性图。

图3(f)1号基元P通道实测指向性图。

图3(g)2号基元X通道实测指向性图。

图3(h)2号基元Y通道实测指向性图。

图3(i)2号基元P通道实测指向性图。

图4(a)二阶实测波束校正前后基阵输出对比图。

图4(b)三阶实测波束校正前后基阵输出对比图。

具体实施方式

下面结合附图对发明做更详细地描述：

本发明是一种针对20-1000Hz范围内小尺寸矢量阵的结构声散射校正方法，它适用于任何对称结构矢量阵系统的声散射校正工作。本发明中以五元小尺寸矢量阵系统为例，它包括五个阵元，它们构成一个十字型，阵元间距d与波数k之间满足kd<<1；载体结构由薄圆板和短圆柱腔组成；声源与小尺寸矢量接收阵之间距离满足声学远场条件。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量声场；采集与存储各阵元的接收信号。利用傅里叶求和表示总接收声场，并对实测声场进行离散傅里叶变换以求取展开项系数。忽略多项误差来源影响，不严格区分基元的校准与基阵的校准，而将小尺寸基阵看作一个高阶传感器，将其总体输出的高阶指向性作为校准依据。最后将基阵输出与期望指向性图间拟合，提出利用加权最小二乘算法的校正方法。本发明所提校正方法为水声领域小尺度基阵的声散射校正提供了一种新思路，直接将基阵输出作为校准依据，避免了基元不一致性、安装误差等因素对声散射校正的影响，使基阵系统声散射校正问题更直接，可操作证性强，避免了误差传递的影响，为声呐基阵后续应用提供保障。

(1)以图1所示小尺寸矢量基阵为例。所研究小尺寸矢量阵包括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。将基阵安装在比基阵尺寸略大的薄圆板上，圆板下方设计短圆柱腔以放置调理电路等电子设备，由此，安装载体与小尺寸矢量阵组成一个可自容式工作的声呐系统。

(2)将基阵吊放到自由场条件相对较好的水域中，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小尺寸矢量阵的正轴方向。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。将采集的Q个不同方向

(q＝1,…,Q)实测导向矢量

的集合写成矢量形式：

式中，

为入射方位的集合。

(4)基于结构的对称性，将基阵接收声场矢量进行傅里叶展开：

其中上标T表示转置，m为展开项的阶数，N为总通道数，

为第n个通道相对参考通道的相位差。各展开项系数C_{m_n}的估计值由下式计算获得：

其中，由于平台散射影响，声压通道系数项在m取正和取负时相等，而矢量通道系数项在m取正和取负时却不一定相等，即矢量通道信号具有更复杂的形式。

(5)图3给出了不同基元声压与矢量通道的指向性图，由于基阵对称性，3#及4#基元的指向性与1#及2#类似，限于篇幅，文中将只给出0#及1#、2#基元各通道的实测指向性图，其中，每行的三个子图依左至右分别为X、Y、P通道结果。可以看出，0#基元(中心位置处)声压具有完好的全指向性，矢量通道的“8”字形指向性也依然存在；而1#与2#基元的声压通道指向性有明显的偏向，且其偏向方位与其所在位置有关，其矢量通道指向性，尤其是径向方向的通道已不再是“8”字形。可以明显观察到结构散射导致的基元指向性的变化。其中，切向方向矢量通道受到结构的影响是对称的，而不位于中心位置的基元，其径向方向矢量通道受到的影响是不对称的。

在小尺寸基阵的校正中，误差来源复杂，除了载体散射的影响外，还有基元位置误差、幅度和相位误差等因素，难以分别考虑因此将不严格区分基元的校准与基阵的校准，而将小尺寸基阵看作一个高阶传感器，将其总体波束输出的高阶指向性与输出增益作为校准依据。为此，需要分别将期望指向性输出和基阵实际输出展开。其中，将中心频率ω时各基元加权系数表示为

并将信号展开表达式限定到前M阶，得到基阵输出表达式：

写成矩阵形式为

将期望波束表示为

θ为导向角，M称为波束图的阶数，而各系数a_m项决定了波束图的形状。为了更直观地与接收信号形式对应，可以将波束图写为如下形式：

式中，

γ(θ)＝diag[e^-iMθ,...,1,...,e^-iMθ]

b＝[b_-M,...,b₀,...,b_M]^T

(6)建立小尺寸矢量阵散射校正的加权最小二乘算法。令基阵实际输出与期望指向性输出相等，可得

因此可以对其求取广义逆来获取加权系数矩阵的估计值：

利用此系数矩阵对小尺寸矢量阵进行加权处理，即可修正低频声散射的影响，解决小尺寸矢量阵的低频校正问题。

在图1所示系统下，由于实体结构复杂，散射系数难以理论计算，因此难以用常规基阵校正与波束形成方法。而根据本专利所述，可以利用实测结果，依据公式(3)，对每个基元的各阶展开系数进行求解，并进行小尺寸矢量阵的系统校正。

以具有

系数形式的二阶和三阶波束为例，导向角为90°时基阵输出的结果如图4所示。图中，以方形标志曲线给出本节考虑散射情况下的波束形成算法结果，而不考虑散射时的波束图如三角标记曲线所示，同时用无标志线给出理想波束图作为参考。可以看出，除旁瓣略高外，声散射校正后的二阶波束主瓣及三阶波束主瓣基本与理论值一致，其中二阶波束的旁瓣畸变很小，凹点基本存在，但三阶波束与理论情况相差略大，可见二阶波束相较三阶波束更稳健。而不考虑散射引起的信号畸变时，基阵输出结果基本没有明显的主瓣出现，算法失效。

所述的由于载体或安装平台结构散射的影响，建立的矢量阵列接收模型，其特征在于基阵接收声场矢量可以进行傅里叶展开

其中上标T表示转置，

为入射方位的集合，

为第n个通道相对参考通道的相位差，m为展开项的阶数，N为总通道数，C_{m_n}为各展开项的系数；

式中，声压通道系数项在m取正和取负时相等，而矢量通道系数项在m取正和取负时却不一定相等，即矢量通道信号具有更复杂的形式。

在0-360°范围内旋转超指向性多极子矢量阵，采集与存储各基元的接收信号，每个阵元包括一路声压信号和两路振速通道信号，共获得Q个不同方向

(q＝1,…,Q)实测导向矢量

其中第n个通道各展开项的系数估计值由下式计算获得：

将小尺寸矢量阵看作一个高阶传感器，将其输出的高阶指向性作为依据进行校正。

所述的期望指向性输出和基阵实际输出展开形式，其特征为：将中心频率ω时各基元加权系数表示为

则基阵实际输出的展开形式为

而期望指向性图

可展开为：

其中，θ为导向角，M称为波束图的阶数，各系数a_m项决定了波束图的形状，各矢量意义如下

令基阵实际输出与期望指向性输出相等，建立小尺寸矢量阵散射校正的加权最小二乘算法；加权系数矢量可由下式估计：

利用此系数矩阵对小尺寸矢量阵进行加权处理，即可修正低频声散射的影响，解决小尺寸矢量阵的低频校正问题。

Claims (5)

1.一种小尺寸矢量阵低频散射校正方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)布放基阵与发射器；

(2)根据所布放的基阵与发射器，调节信号发射设备形成测试声场；

(3)根据形成的测试声场，在水平面等间隔旋转基阵一周，采集与存储所有角度接收信号；将采集的Q个不同方向

的实测导向矢量

的集合写成矢量形式：

其中，

为入射方位的集合；q＝1,...,Q；

(4)根据采集与存储的所有角度接收信号，利用离散傅里叶变换求取总声场傅里叶展开项系数C_{m_n}估计值；

基于结构的对称性，将基阵接收声场矢量进行傅里叶展开：

其中，上标T表示转置；m为展开项的阶数；n＝1,2,…,N，N为总通道数；D_{m_n}为第n个通道对应的第一参数；

为第n个通道相对参考通道的相位差；

所述总声场傅里叶展开项系数C_{m_n}的估计值为：

其中，

表示第n个通道方向

处的实测导向矢量；

(5)根据总声场傅里叶展开项系数估计值，将期望指向性输出与基阵实际输出分别展开；

将中心频率ω时各基元加权系数表示为：

将信号表达式限定到前M阶，则基阵实际输出的展开形式为：

其中，

表示第n个基元加权系数；

期望指向性输出的展开形式为：

其中，θ为导向角；M为波束图的阶数；各系数第二参数a_m项决定了波束图的形状；γ(θ)＝diag[e^-iMθ,...,1,...,e^-iMθ]；

b＝[b_-M,...,b₀,...,b_M]^T；

(6)根据期望指向性输出与基阵实际输出的展开式，利用最小二乘法拟合期望指向性输出与基阵实际输出，求取加权系数矢量矩阵

利用加权系数矢量矩阵

对小尺寸矢量阵进行加权处理，即可修正低频声散射的影响，解决小尺寸矢量阵的低频校正问题。

2.根据权利要求1所述的一种小尺寸矢量阵低频散射校正方法，其特征在于：所述步骤(1)布放基阵与发射器时以阵元间距d与波数k之间满足kd<<1设计小尺寸矢量阵，将小尺寸矢量阵固定在薄圆板上，并在圆板下方设计短圆柱腔以放置调理电路等电子设备。

3.根据权利要求2所述的一种小尺寸矢量阵低频散射校正方法，其特征在于：所述步骤(2)调节信号发射设备形成测试声场时布放声源与小尺寸矢量阵，二者之间距离满足声学远场条件，声源的主轴方向对准小尺寸矢量阵的正横方向；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。

4.根据权利要求3所述的一种小尺寸矢量阵低频散射校正方法，其特征在于：在0-360°范围内旋转超指向性多极子矢量阵，采集与存储各基元的接收信号，每个阵元包括一路声压信号和两路振速通道信号，共获得Q个不同方向

实测导向矢量

的集合。

5.根据权利要求4所述的一种小尺寸矢量阵低频散射校正方法，其特征在于：建立小尺寸矢量阵散射校正的加权最小二乘算法，令基阵实际输出与期望指向性输出相等，得下式：

式中，

为第一参数的集合，

对上式求取广义逆来获取加权系数矢量矩阵

的估计值：

式中，上标H表示共轭转置。

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