CN109375198A - 一种低频声呐阵阻抗特性校准方法 - Google Patents

Abstract

一种低频声呐阵阻抗特性校准方法，属于大型平面发射阵阻抗特性近场声全息测量方法的研究技术领域，其技术要点是：进行低频声呐阵阻抗特性校准软件架构设计；测量系统一致性校准功能模块开发；进行平面声呐阵阻抗特性近场声全息法校准测量试验。本发明可根据水声监听船主动声呐设备声特性校准的需求，有针对性地开展平面声呐阵阻抗特性近场声全息法校准基本原理研究、近场声全息法校准方案设计、低频声呐阵阻抗特性校准软件开发以及近场声全息法校准测量试验的相关研究工作，以提升低频发射换能器校准系统的校准能力，解决低频声呐阵阻抗特性的评价问题，可利于对水声声呐为低频的船舶进行监听，提高船舶低频声呐监听结果的准确性。

Description

一种低频声呐阵阻抗特性校准方法

技术领域：

本发明涉及大型平面发射阵阻抗特性近场声全息测量方法的研究，具体涉及一种低频声呐阵阻抗特性校准方法

背景技术：

海洋占地球总面积的70％以上，它蕴含着大量的能源和资源。随着世界科技水平的不断进步，人类探索海洋步伐的不断加快，海洋的地位日益提高，人们越来越认识到海洋必将成为人类赖以生存的基础环境。人类探索海洋时离不开船舶，而掌握船舶在海洋中的运行情况则主要是根据水声来监听船舶的主动声呐，若船舶处的水声声呐为低频，则不利于对船舶的监听，导致监听结果不准确，影响对船舶运行情况的判断。

发明内容：

本发明提供了一种低频声呐阵阻抗特性校准方法，其可根据水声监听船主动声呐设备声特性校准的需求，有针对性地开展平面声呐阵阻抗特性近场声全息法校准基本原理研究、近场声全息法校准方案设计、低频声呐阵阻抗特性校准软件开发以及近场声全息法校准测量试验的相关研究工作，以提升低频发射换能器校准系统的校准能力，解决低频声呐阵阻抗特性的评价问题。

本发明的低频声呐阵阻抗特性校准方法，为实现上述目的所采用的技术方案在于，包括以下步骤：

a、进行低频声呐阵阻抗特性校准软件开发：

a1、首先进行低频声呐阵阻抗特性校准软件架构设计

基于平面声呐阵阻抗特性近场声全息法校准原理模型，进行软件架构和人机交互界面设计，软件需要完成以下功能：

校准过程中的各种参数设置；

控制仪器仪表设备的正常工作；

完成各种算法运算；

校准结果的打印输出以及校准结果的保存等，最终开发的低频声呐阵阻抗特性校准软件包含测量系统一致性校准功能模块、声呐阵阻抗特性校准功能模块、试验仪器设备控制模块，文件输出模块等；

a2、测量系统一致性校准功能模块开发

结合近场声全息法校准测量系统的一致性校准基本原理，采用C++软件进行校准功能模块开发，并编译形成可执行文件，通过界面调用该可执行文件，基于一致性校准测量参数，实现近场声全息法测量系统各通道间的一致性校准，并存储一致性校准结果；

a3、声呐阵阻抗特性校准功能模块开发

结合平面声呐阵阻抗特性近场声全息法校准基本原理，采用C++软件进行声呐阵阻抗特性校准功能模块开发，并编译形成可执行文件，通过界面调用该可执行文件，读取各通道间一致性校准结果，对各通道采集数据进行预处理，进行预处理结果存储，利用预处理数据进行声呐阵阻抗特性计算分析，并存储结果；

a4、试验仪器设备控制模块开发

利用VS平台，编写各试验仪器的控制程序，进行参数设置与工作状态控制，实现平面声呐阵阻抗特性近场声全息法一体化校准功能；

a4、计算结果展示模块开发

计算结果展示模块将利用三维图形软件与开发工具相结合，进行VS界面下的编程，用以展示结果文件，以及生成结果文件渲染，并利用鼠标或键盘消息实现信息交互，通过调用测量系统一致性校准结果、各测量通道采集数据预处理结果以及声呐阵阻抗特性校准结果等数据文件，实现计算结果的实时显示；

b、本实施例中还需进行平面声呐阵阻抗特性近场声全息法校准测量试验

b1、系统集成和联调

对所建立的多通道测量系统及测量系统的一致性校准系统在进行系统联调试验，包括发射系统及接收系统；

b2、多通道测量系统的一致性校准与修正

采取易地式耦合腔互易校准方法，对多通道测量系统通道间的幅度和相位的一致性进行校准，并对所有水听器进行配对，组成16对双水听器探头；

当所有水听器组装为声全息测量基阵后，针对整体的测量环境，利用非线性最小二乘估计法对全息扫描阵的相位一致性进行校准；

b3、平面声呐阵阻抗特性近场声全息法校准试验基本方案

通过对平面声呐阵阻抗特性近场声全息法校准的基本原理研究，综合分析解析仿真结果与数值仿真结果，设计实际声全息校准测量试验；

b4、试验前准备工作；

b5、平面声呐阵阻抗特性近场声全息测量方法；

B6、测量不确定度分析

在每个工况下，进行多次测量试验，利用多次重复测量的数据，对系统进行不确定度评定，系统的不确定度分为A类不确定度和B类不确定度，

A类不确定度：

选用极差法对A类不确定度进行计算评估：

其中，u_A：A类不确定度分量；

s(x)：试验标准偏差；

x_max：多次测量试验数据的最大值；

x_min：多次测量试验数据的最小值，

C：极差系数，B：类不确定度，u_B：通过对实际测量环境、测量仪器仪表、水听器灵敏度偏差、测量方法等的综合分析获得，

合成不确定度：

扩展不确定度：U＝k×u_C(本试验中取k＝2)。

进一步地，所述步骤b3中设计实际声全息校准测量试验包括以下步骤：

b31、试验场地：开阔水域；

b32、测试样品：平面发射阵；

b33、检验频率：100Hz～630Hz；

b34、样品尺寸：长3m，宽1m；

b35、声场布放：合理放置水听器阵，保证声场测试结果的稳定性；

b36、声场测量参数；

b37、测量信号：足够长，多次采集并进行多次平均。

进一步地，所述步骤b36的声场测量参数包括以下步骤：

b36.1、测量面尺寸

为确保全息变换场的精确，保证测量数据获得必要多声源辐射能量和声源信息，全息面必须足够大，若已知声源面尺度与波长比和测量距离，即可确定测量面的尺寸，若以测量孔径边缘处声压幅值有30dB衰减为准则，对于L/λ＝1的情况，测量距离为1/4λ时，测量面边长L_x应为声源面边长L的3倍；测量距离为1/2波长时，测量面边长L_x应为声源面边长L的3.5倍，对于L/λ≥3的情况，测量距离为1/4波长时，测量面为声源面的2倍即可，即针对低频小尺寸声源，测量面和声源面为共形面最佳，否则需要更大的测量面和较近的测量距离，当L/λ较大时，一般测量面为声源面的2倍即可；

针对本项目中平面发射阵尺寸及测试频段，测量面选择为声源面的2倍左右，约6m*2m；

b36.2测量间距

为精确测量声场分布，要求全息面上测点足够密，鉴于表面声场波幅驻波形式分布，类似频率、时间域中采样定理，空间测量点间距应为1/(7～10)λ；

针对本项目中测试频段，测量点间距选择为20cm～30cm；

b36.3、双水听器探头之间的距离

对于水声宽频带声场的测量以及采用双水听器阵对声场作扫描测量，理想情况下采用Δr/λ＝1/10；对于工程上可采用Δr/λ＝1/7；

针对本项目中测试频段，双水听器探头间距选择为20cm～30cm；

b36.4、发射阵与水听器阵距离

高波数波的波幅沿声源面法线方向减弱很快，因此，要求全息面到源面间距尽可能小，对于高频大声源，其间距取1/3λ较为合适；对于低频小声源，则应当取更小距离与波长比为宜；

针对本项目中测试频段，水听器阵与发射阵之间距离选择为40cm～60cm；

b36.5、声场扫描方式：采用程控方式。

进一步地，所述步骤b4的实验准备工作包括以下步骤：

b41、测试平面阵准备

按要求组装测试平面阵，清洗平面阵表面，并充分浸泡，使表面充分浸润；

b42、测试水听器阵准备

按照双水听器配对结果，安装声全息测试水听器阵，并清洗水听器表面，将水听器阵与机械扫描装置连接；

b43、测试仪表设备准备。

进一步地，所述步骤b43的测试仪表设备准备工作包括以下步骤：

b43.1、检查各测量用仪表是否工作正常，仪表间线路连接是否正确；

b43.2、测试前，检查发射器、水听器是否能够正常工作，与仪表连接是否正确；

b43.3、检查仪表设置是否正确，如功率放大器是否选择合适的阻抗匹配档位，多通道滤波系统是否设置了合适的高通和低通，放大倍数是否核实，以防仪器过载；

b43.4、测试前，打开仪表设备，预热半个小时以上；

b43.5、检查扫描装置行走是否正常，是否能够达到测试精度要求。

进一步地，所述步骤b5的平面声呐阵阻抗特性近场声全息测量方法包括以下步骤：

b51、将平面发射阵竖直置于开阔水域中，入水深度约为开阔水域深度的1/2；

b52、按照配好对的声强探头组装测量接收直线阵，每两对水听器探头间距要满足声强测量参数；

b53、将水听器阵安装在扫描装置上，利用机械扫描系统，放置在距离平面发射阵不小于1/6波长的位置处；

b54、将平面发射阵及水听器阵静止放置12小时后，程控机械扫描系统实现进行水平方向扫描，扫描完毕后将水听器阵向下移动，使其测点间距满足全息测试参数及声强测试参数，获得两个全息面上的声压数据；

b55、利用全息数据反演平面发射阵各阵元的质点振速，利用边界元法得到各阵元表面的声压，以及由该阵元产生的其他阵元表面的声压，分析各振元间的互辐射阻抗；

b56、利用双水听器探头测量数据计算双水听器对中心位置处的复振速，将其近似划分为各阵元表面的质点振速分布，进而计算平面发射阵各阵元的自/互辐射阻抗，以及远场辐射声场特性计算。

本发明的有益效果是：本发明根据水声监听船主动声呐设备声特性校准的需求，有针对性地开展平面声呐阵阻抗特性近场声全息法校准基本原理研究、近场声全息法校准方案设计、低频声呐阵阻抗特性校准软件开发以及近场声全息法校准测量试验的相关研究工作，以提升低频发射换能器校准系统的校准能力，解决低频声呐阵阻抗特性的评价问题，可利于对水声声呐为低频的船舶进行监听，提高船舶低频声呐监听结果的准确性。

附图说明：

图1为本发明的研究技术路线框图；

图2为近场声全息多通道测量系统框图；

图3为水听器阵扫描示意图；

图4为系统技术架构图。

具体实施方式：

实施例一

本实施例中低频声呐阵阻抗特性校准方法，包括以下步骤：

a、进行低频声呐阵阻抗特性校准软件开发：

a1、首先进行低频声呐阵阻抗特性校准软件架构设计

基于平面声呐阵阻抗特性近场声全息法校准原理模型，进行软件架构和人机交互界面设计，软件需要完成以下功能：

校准过程中的各种参数设置；

控制仪器仪表设备的正常工作；

完成各种算法运算；

校准结果的打印输出以及校准结果的保存等，最终开发的低频声呐阵阻抗特性校准软件包含测量系统一致性校准功能模块、声呐阵阻抗特性校准功能模块、试验仪器设备控制模块，文件输出模块等。

本软件系统，开发语言采用C++语言，软件UI采用VS平台进行开发，方便本地操作以及调用操作系统本地资源。展示校准结果文件渲染采用的是开源图形图像处理库OpenGL，大部分图像生成和操作采用封装OpenGL库的OSG框架实现。在进行仪器仪表控制操作、参数配置过程生成的中间数据、以及测量试验数据均采用轻量化SQLite数据库进行存储，SQLite数据库采用文件数据库，方便安装、操作灵活。软件系统技术架构如图4所示；

a2、测量系统一致性校准功能模块开发

结合近场声全息法校准测量系统的一致性校准基本原理，采用C++软件进行校准功能模块开发，并编译形成可执行文件，通过界面调用该可执行文件，基于一致性校准测量参数，实现近场声全息法测量系统各通道间的一致性校准，并存储一致性校准结果；

a3、声呐阵阻抗特性校准功能模块开发

结合平面声呐阵阻抗特性近场声全息法校准基本原理，采用C++软件进行声呐阵阻抗特性校准功能模块开发，并编译形成可执行文件，通过界面调用该可执行文件，读取各通道间一致性校准结果，对各通道采集数据进行预处理，进行预处理结果存储。利用预处理数据进行声呐阵阻抗特性计算分析，并存储结果；

a4、试验仪器设备控制模块开发

利用VS平台，编写各试验仪器的控制程序，进行参数设置与工作状态控制，实现平面声呐阵阻抗特性近场声全息法一体化校准功能；

a5、计算结果展示模块开发

计算结果展示模块将利用OpenGL三维图形软件与Visual Studio开发工具相结合，进行VS界面下的OpenGL编程，用以展示结果文件，以及生成结果文件渲染，并利用鼠标或键盘消息实现信息交互。通过调用测量系统一致性校准结果、各测量通道采集数据预处理结果以及声呐阵阻抗特性校准结果等数据文件，实现计算结果的实时显示。

b、本实施例中还需进行平面声呐阵阻抗特性近场声全息法校准测量试验

b1、系统集成和联调

对所建立的多通道测量系统及测量系统的一致性校准系统在进行系统联调试验，包括发射系统及接收系统；

b2、多通道测量系统的一致性校准与修正

采取易地式耦合腔互易校准方法，以B&K 8103水听器作为标准水听器，对多通道测量系统通道间的幅度和相位的一致性进行校准，并对所有水听器进行配对，组成16对双水听器探头(或80对双水听器探头)；

当所有水听器组装为声全息测量基阵后，针对整体的测量环境，利用非线性最小二乘估计法对全息扫描阵的相位一致性进行校准；

b3、平面声呐阵阻抗特性近场声全息法校准试验基本方案

通过对平面声呐阵阻抗特性近场声全息法校准的基本原理研究，综合分析解析仿真结果与数值仿真结果，设计实际声全息校准测量试验；

b4、试验前准备工作

b5、平面声呐阵阻抗特性近场声全息测量方法；

b6、测量不确定度分析；

在每个工况下，进行多次测量试验。利用多次重复测量的数据，对系统进行不确定度评定。系统的不确定度分为A类不确定度和B类不确定度。

A类不确定度：

选用极差法对A类不确定度进行计算评估：

其中，u_A：A类不确定度分量；

s(x)：试验标准偏差；

x_max：多次测量试验数据的最大值；

x_min：多次测量试验数据的最小值。

C：极差系数，详见下表：

极差系数表

测量次数	2	3	4	5	6	7	8	9
									C	1.13	1.69	2.06	2.33	2.53	2.70	2.85	2.97

B类不确定度：u_B通过对实际测量环境、测量仪器仪表、水听器灵敏度偏差、测量方法等的综合分析获得。

合成不确定度：

扩展不确定度：U＝k×u_C(本试验中取k＝2)。

一、以下进行平面声呐阵阻抗特性近场声全息法校准基本原理的研究，参照图1，其包括以下步骤：

(一)、平面发射阵阻抗特性计算方法

发射器在辐射声波的同时会受到声场的作用，表现为贴近振动面的介质对其施加的作用力，该作用力与由振动面施加给介质的力在数值上相等而方向相反，取决于贴近该面的介质中的声压，根据发射面上声压分布沿振动面的积分可以得到介质对振动面的作用力，而声场中的声压和该处介质的质点振速成正比，即：

P＝u·Z₀ (1)

可以认为，贴近发射面的介质质点的法向振速和发射面的法向振速完全相同，于是发射面上的声压分布可以表示为：

P_a＝u_a·Z_a (2)

其中u_a：发射面上法向振速；Z_a：贴近发射面的介质波阻抗。

声辐射器的辐射阻抗决定于声压对辐射器的辐射面的作用。因为基阵中的每个辐射器处于整个阵的辐射声场中，它面上的声压是所有阵元也包括自身在内的辐射场声压的叠加。因此基阵中每个阵元的总辐射阻抗包括自身辐射场的作用及其他阵元辐射场的作用。当其他阵元不振动时，单辐射器辐射时的辐射阻抗称之为自辐射阻抗。辐射器在声场中受到其他辐射器声场的作用力，为了保持自身声源强度一定，其机械系统的推动力必然有所变化。既然振幅值保持不变，而辐射面受声场的作用力有变化，这表明辐射器的总辐射阻抗发生变化。由于其他声源作用而引起变化的部分，就是总辐射阻抗中除去自辐射阻抗外的部分就是互辐射阻抗引起的。因此基阵中阵元声复合作用可以用辐射场的相互作用力表示，也可以用互辐射阻抗表示。

假设声场中有n个声源。各声源的振速分别为u₁,u₂,u₃…u_n。在这种振速分布情况下，1号源辐射面上场的总作用力为F₁，显然为1号源自身辐射场声压作用在自身辐射面上产生的力与其他源辐射场声压作用在1号源辐射面上产生的力之和，即

其中：f₁₁——1号辐射器自身辐射场声压作用在自身辐射面产生的力；

f_in——n号辐射器辐射场声压作用在i号辐射器辐射面产生的力。

i号辐射器总的辐射阻抗为

由于声源产生的场和声源强度成正比，在均匀振幅分布情况下，辐射场的声压和辐射面的振速成正比，所以可以把f_il写成

f_il＝Z_ilu_l (5)

则可以得到

其中Z_il表示l单位振速声场作用于i号源面上的力，称之为l号源对i号源的互辐射阻抗，简称互阻抗。

当辐射器以同样的振速和相位振动，那么由n个阵元组成的基阵的辐射阻抗就是

由以上原理可知，只要测量得到各阵元表面的复振速、复声压分布以及该阵元表面位置处由其他阵元产生的辐射声压，即可求得各阵元的自/互辐射阻抗；

(二)、基于近场声全息的辐射阻抗校准原理研究

近场声全息技术利用在声源近场区域内获得的复声压、复振速或声强等声学量，结合表面及声场中的亥姆霍兹-基尔霍夫(Helmholtz-Kirchhoff)积分公式，实现对声源表面或其近场处其他区域内的声振特性重构，以及远场处的辐射声场、辐射声功率等进行预报。

平面全息变换技术由于算法及操作过程简单，尽管并不完全适用于表面形状复杂的声源识别问题，却仍然是全息变换技术中最具有代表性的，发展也比较成熟。在近场平面声全息变换技术中，如果得到的是全息面上的复声压数据，则采用狄里克利(Dirichlet)边界条件处理亥姆霍兹-基尔霍夫积分公式，如果得到的是法向质点振速，则采用纽曼(Neumann)边界条件处理积分公式，这两种边界条件分别对应于瑞利第一积分方程和瑞利第二积分方程，无穷大平面上的格林函数分别为：

其中(x_p,y_p,z_p)为场点P的坐标，(x_q,y_q,z_q)为S面上观察点Q的坐标。

在Dirichlet边界条件下，可以表示为

根据二维傅里叶变换，可以得到S面上声压信号的角谱与声场中任意平面上辐射复声压信号的角谱之间的关系：

其中

对式(12)进行傅里叶逆变换，即可得到声场中任意一个平面上的场点声压：

在Neumann边界条件下，可以表示为

根据欧拉方程可得，

将其代入式(15)即可得到如下表达形式：

对上式两边同时进行二维傅里叶变换，可以得到波数域下的角谱关系式：

其中

因此，利用源平面上的质点振速可以得到声场中任意一个平面上的场点声压：

当源平面上声压或质点振速为未知量时，假设全息面与源面平行，位于z_H处，且z_H>z_S，则可以得到源面上声压角谱表达式：

得到源平面上声压角谱后，可以得到空间中其他平面上(z>z_S)的声压角谱分布：

而对于法向振速而言，可以利用式(17)得到重构方程：

式中

经过二维傅里叶逆变换后，则可以通过全息面上的复声压分布得到源面及空间声场中复振速分布，如下所示：

利用上式得到源面上的复振速分布后，按照各阵元所在位置对复振速进行分块处理，得到各阵元源面复振速，计算其源面复声压及其他阵元表面位置处由该阵元产生的辐射声压，从而计算各阵元的自/互辐射阻抗；

(三)、基于BAHIM法近场声全息变换原理和算法研究

基于声强测量的宽带声全息技术(Broadband acoustic holography fromintensity measurement,简称BAHIM)，它通过在全息面上的声强测量来重构全息面相位，进而得到全息面复声压。与传统方法相比，该方法不需要了解激励源及与之有关的参考信号，因而能用于宽带声源，基本重构原理介绍如下：

声波在理想介质中传播时，能量随着介质质点振动状态沿波的传播方向传播，从一个区域流向另一个区域，因此引入了介质中能流的概念。定义单位时间通过与能量传播方向垂直的单位面积上的声能为声能流密度，以表示。在时域中，成为瞬时声强，定义为：

瞬时声强可以表示为：

为了表示能量的强度，取声能流密度在一个周期内的时间平均值，以表示。

对于三维声场，任意点处的声强可以表示为：

把上式可以推广到包含实部和虚部的复数声强，即

对空间声场中非单频的限带，通过傅立叶变换将其分解成一系列简谐信号的叠加。在任意频率ω处，空间声场任意点(x,y,z)处时均声强的频域表达式：

可以得到：

由于有功声强中包含相位梯度信息，如果知道空间声场的有功声强和声压幅值的分布，则可以求出相位梯度：

由于(31)式对单频有效，必须在频谱中的某个频率上使用，这一点对声强测量来讲不成问题。为计算对(31)式两边作二维FFT变换，由空间域变到波数域后，全息面上声压相位的波数域形式为

其中，k＝ω/c为声波波数，c为介质中的波速。β_x(k_x,k_y)、β_y(k_x,k_y)分别为点(x，y，z)处x方向和y方向声强与声压幅值平方的比值的二维FFT变换，其表达式如下

通过以上的数学推导，得到了全息面上声压相位在波数域的分布，再对(32)式做二维FFT反变换就可以得到空间域全息面上相位的分布，进而得到全息面复声压的分布，便可应用正常的NAH技术；

(四)、基于近场声全息的辐射阻抗校准方法数值仿真

针对基于近场声全息理论进行声呐阵辐射阻抗校准的测量模型进行数值仿真计算，分析测量方法与重构算法的误差，同时针对任意形状下近场测量数据推算远场特性的计算方法开展数值仿真分析；

仿真分析主要包括以下方面：

1)、声场测量几何参数对校准结果的影响

1.1)加窗函数对校准结果的影响；

1.2)全息面半径：0.5λ～20λ；

1.3)测点间距：0.1λ～0.5λ；

1.4)全息面与待校样品的间距：0.1λ～0.25λ；

1.5)双水听器之间间距：0.05λ～0.5λ；

2)、不同声呐阵布阵结构情况下的校准误差分析

2.1)八元阵(2×4)：2m×1.3m；

2.2)九元阵(3×3)：3m×1m；

2.3)九元阵(9×1)：1m×3m；

3)、环境干扰、电噪声等因素引起的随机测量误差和系统误差引起的校准误差分析；

4)、幅值与相位的不一致性对全息相位重构精度的影响分析；

(五)、建立低频平面声呐阵阻抗特性近场声全息理论测试模型

通过对基于近场声全息的辐射阻抗校准方法仿真理论模型的数值与解析仿真分析，以及对不同声呐阵布阵结构情况下的校准误差仿真分析，针对大型平面声呐阵，建立相应的低频平面声呐阵阻抗特性近场声全息理论模型。

二、以下进行平面声呐阵阻抗特性近场声全息法校准方案设计

(一)建平面声呐阵阻抗特性近场声全息法校准测量系统

根据所建立的低频平面声呐阵阻抗特性近场声全息理论测试模型，建立近场声全息多通道测量系统，测量接收系统由测量水听器阵、信号衰减器、采集系统及计算机构成，如图2所示，

1)、水听器阵

由32个水听器组成测量接收直线阵；每两个水听器构成一组声强探头，共16对声强探头(或者采用160个水听器组成80对声强探头，每对声强探头间距为20cm)；拟采用32个B&K8103水听器(或160个715所生产水听器)；接收灵敏度高于－210dB；工作压力：0～4MPa；直径尺寸小于15mm；

在100Hz～5kHz频率范围内双水听器幅度一致性偏差：≤±1dB；相位一致性偏差：≤±1°；测量不确定度：U≤3dB；

2)、声全息测量基阵支架：自研，形式：直线阵(32个水听器组成16对双水听器探头)或方阵(160个组成1680双水听器探头)；水听器所在位置散射强度小于-40dB；

3)、信号衰减器

测试频段：100Hz～5kHz；

32个通道，通道间幅度一致性偏差：≤±1dB；相位一致性偏差：≤±1°；

信号衰减范围：20dB～50dB，可调节；

4)、测量放大、滤波器：拟采用PF28000，不小于32通道，同时具备滤波、放大功能；前端输入噪声：<5微伏；放大量：>60dB；动态范围：>60dB；

5)、采集系统：拟采用B&K 3660D采集器，Pulse 14.1以上版本；

分析信号频率范围：0～25.6kHz；

输入信号量程：7mv～25v；

分辨率：24bit；

输入噪声：比所选用量程对应的最大峰值电压低80分贝；

幅度一致性：100Hz～2kHz，典型值0.01dB，最大0.2dB；

相位一致性:100Hz～2kHz，<1.5°；

6)、机械扫描控制系统

移动自由度：X、Y、Z三个方向；

定位精度：高于0.1mm。

实施例二

所述实施例一中的步骤b3中设计实际声全息校准测量试验包括以下步骤：

b31、试验场地：开阔水域(自由场)；

b32、测试样品：平面发射阵(九元阵)；

b33、检验频率：100Hz～630Hz；

b34、样品尺寸：长3m，宽1m；

b35、声场布放：合理放置水听器阵，尽量保证声场测试结果的稳定性；

b36、声场测量参数：

b37、测量信号：足够长(5-10周期)，多次采集(5－20)并进行多次平均。

实施例三

所述实施例二中的步骤b36的声场测量参数包括以下步骤：

b36.1、测量面尺寸

为确保全息变换场的精确，保证测量数据获得必要多声源辐射能量和声源信息，全息面必须足够大。若已知声源面尺度与波长比和测量距离，即可确定测量面的尺寸。若以测量孔径边缘处声压幅值有30dB衰减为准则，对于L/λ＝1的情况，测量距离为1/4λ时，测量面边长L_x应为声源面边长L的3倍；测量距离为1/2波长时，测量面边长L_x应为声源面边长L的3.5倍。对于L/λ≥3的情况，测量距离为1/4波长时，测量面为声源面的2倍即可。即针对低频小尺寸声源(L/λ较小)，测量面和声源面为共形面最佳，否则需要更大的测量面和较近的测量距离。当L/λ较大时，一般测量面为声源面的2倍即可；

针对本项目中平面发射阵尺寸及测试频段，测量面选择为声源面的2倍左右，约6m*2m；

b36.2、测量间距

为精确测量声场分布，要求全息面上测点足够密。鉴于表面声场波幅驻波形式分布，类似频率－时间域中采样定理，空间测量点间距应为1/(7～10)λ较为合理；

针对本项目中测试频段，测量点间距选择为20cm～30cm；

b36.3、双水听器探头之间的距离

鉴于实用测量水听器的尺寸过小其灵敏度和可靠性都较差，尺寸较大，相互间散射又会影响到单水听器的自由声场。因此，对于水声宽频带声场的测量以及采用双水听器阵对声场作扫描测量，理想情况下，Δr/λ＝1/10；对于工程上可采用Δr/λ＝1/7；

针对本项目中测试频段，双水听器探头间距选择为20cm～30cm；

b36.4、发射阵与水听器阵距离

高波数波的波幅沿声源面法线方向减弱很快，因此，要求全息面到源面间距尽可能小。对于高频大声源，其间距取1/3λ较为合适；对于低频小声源，则应当取更小距离与波长比为宜；

针对本项目中测试频段，水听器阵与发射阵之间距离选择为40cm～60cm；

b36.5、声场扫描方式：采用程控方式。

实施例四

所述实施例一种的步骤b4的实验准备工作包括以下步骤：

b41、测试平面阵准备

按要求组装测试平面阵，清洗平面阵表面，并充分浸泡，使表面充分浸润；

b42、测试水听器阵准备

按照双水听器配对结果，安装声全息测试水听器阵，并清洗水听器表面，将水听器阵与机械扫描装置连接；

b43、测试仪表设备准备。

实施例五

所述实施例四中的步骤b43的测试仪表设备准备工作包括以下步骤：

b43.1、检查各测量用仪表是否工作正常，仪表间线路连接是否正确；

b43.2、测试前，检查发射器、水听器是否能够正常工作，与仪表连接是否正确；

b43.3、检查仪表设置是否正确，如功率放大器是否选择合适的阻抗匹配档位，多通道滤波系统是否设置了合适的高通和低通，放大倍数是否核实，以防仪器过载；

b43.4、测试前，打开仪表设备，预热半个小时以上；

b43.5、检查扫描装置行走是否正常，是否能够达到测试精度要求。

实施例六

所述实施例一种的步骤b5的平面声呐阵阻抗特性近场声全息测量方法包括以下步骤：

b51、将平面发射阵竖直置于开阔水域中，入水深度约为开阔水域深度的1/2；

b52、按照配好对的声强探头组装测量接收直线阵，每两对水听器探头间距要满足声强测量参数；

b53、将水听器阵安装在扫描装置上；利用机械扫描系统，放置在距离平面发射阵不小于1/6波长的位置处，如图3所示：

b54、将平面发射阵及水听器阵静止放置12小时后，程控机械扫描系统实现进行水平方向扫描，扫描完毕后将水听器阵向下移动，使其测点间距满足全息测试参数及声强测试参数，获得两个全息面上的声压数据；

b55、利用全息数据反演平面发射阵各阵元的质点振速，利用边界元法得到各阵元表面的声压，以及由该阵元产生的其他阵元表面的声压，分析各振元间的互辐射阻抗；

b56、利用双水听器探头测量数据计算双水听器对中心位置处的复振速，将其近似划分为各阵元表面的质点振速分布，进而计算平面发射阵各阵元的自/互辐射阻抗，以及远场辐射声场特性计算。

Claims (6)

1.一种低频声呐阵阻抗特性校准方法，其特征在于，包括以下步骤：

a、进行低频声呐阵阻抗特性校准软件开发：

a1、首先进行低频声呐阵阻抗特性校准软件架构设计

基于平面声呐阵阻抗特性近场声全息法校准原理模型，进行软件架构和人机交互界面设计，软件需要完成以下功能：

校准过程中的各种参数设置；

控制仪器仪表设备的正常工作；

完成各种算法运算；

校准结果的打印输出以及校准结果的保存等，最终开发的低频声呐阵阻抗特性校准软件包含测量系统一致性校准功能模块、声呐阵阻抗特性校准功能模块、试验仪器设备控制模块，文件输出模块等；

a2、测量系统一致性校准功能模块开发

结合近场声全息法校准测量系统的一致性校准基本原理，采用C++软件进行校准功能模块开发，并编译形成可执行文件，通过界面调用该可执行文件，基于一致性校准测量参数，实现近场声全息法测量系统各通道间的一致性校准，并存储一致性校准结果；

a3、声呐阵阻抗特性校准功能模块开发

结合平面声呐阵阻抗特性近场声全息法校准基本原理，采用C++软件进行声呐阵阻抗特性校准功能模块开发，并编译形成可执行文件，通过界面调用该可执行文件，读取各通道间一致性校准结果，对各通道采集数据进行预处理，进行预处理结果存储，利用预处理数据进行声呐阵阻抗特性计算分析，并存储结果；

a4、试验仪器设备控制模块开发

利用VS平台，编写各试验仪器的控制程序，进行参数设置与工作状态控制，实现平面声呐阵阻抗特性近场声全息法一体化校准功能；

a5、计算结果展示模块开发

计算结果展示模块将利用三维图形软件与开发工具相结合，进行VS界面下的编程，用以展示结果文件，以及生成结果文件渲染，并利用鼠标或键盘消息实现信息交互，通过调用测量系统一致性校准结果、各测量通道采集数据预处理结果以及声呐阵阻抗特性校准结果等数据文件，实现计算结果的实时显示；

b、本实施例中还需进行平面声呐阵阻抗特性近场声全息法校准测量试验

b1、系统集成和联调

对所建立的多通道测量系统及测量系统的一致性校准系统在进行系统联调试验，包括发射系统及接收系统；

b2、多通道测量系统的一致性校准与修正

采取易地式耦合腔互易校准方法，对多通道测量系统通道间的幅度和相位的一致性进行校准，并对所有水听器进行配对，组成16对双水听器探头；

当所有水听器组装为声全息测量基阵后，针对整体的测量环境，利用非线性最小二乘估计法对全息扫描阵的相位一致性进行校准；

b3、平面声呐阵阻抗特性近场声全息法校准试验基本方案

通过对平面声呐阵阻抗特性近场声全息法校准的基本原理研究，综合分析解析仿真结果与数值仿真结果，设计实际声全息校准测量试验；

b4、试验前准备工作；

b5、平面声呐阵阻抗特性近场声全息测量方法；

B6、测量不确定度分析

在每个工况下，进行多次测量试验，利用多次重复测量的数据，对系统进行不确定度评定，系统的不确定度分为A类不确定度和B类不确定度，

A类不确定度：

选用极差法对A类不确定度进行计算评估：

其中，u_A：A类不确定度分量；

s(x)：试验标准偏差；

x_max：多次测量试验数据的最大值；

x_min：多次测量试验数据的最小值，

C：极差系数，B：类不确定度，u_B：通过对实际测量环境、测量仪器仪表、水听器灵敏度偏差、测量方法等的综合分析获得，

合成不确定度：

扩展不确定度：U＝k×u_C(本试验中取k＝2)。

2.如权利要求1所述的一种低频声呐阵阻抗特性校准方法，其特征在于，所述步骤b3中设计实际声全息校准测量试验包括以下步骤：

b31、试验场地：开阔水域；

b32、测试样品：平面发射阵；

b33、检验频率：100Hz～630Hz；

b34、样品尺寸：长3m，宽1m；

b35、声场布放：合理放置水听器阵，保证声场测试结果的稳定性；

b36、声场测量参数；

b37、测量信号：足够长，多次采集并进行多次平均。

3.如权利要求2所述的一种低频声呐阵阻抗特性校准方法，其特征在于，所述步骤b36的声场测量参数包括以下步骤：

b36.1、测量面尺寸

为确保全息变换场的精确，保证测量数据获得必要多声源辐射能量和声源信息，全息面必须足够大，若已知声源面尺度与波长比和测量距离，即可确定测量面的尺寸，若以测量孔径边缘处声压幅值有30dB衰减为准则，对于L/λ＝1的情况，测量距离为1/4λ时，测量面边长L_x应为声源面边长L的3倍；测量距离为1/2波长时，测量面边长L_x应为声源面边长L的3.5倍，对于L/λ≥3的情况，测量距离为1/4波长时，测量面为声源面的2倍即可，即针对低频小尺寸声源，测量面和声源面为共形面最佳，否则需要更大的测量面和较近的测量距离，当L/λ较大时，一般测量面为声源面的2倍即可；

针对本项目中平面发射阵尺寸及测试频段，测量面选择为声源面的2倍左右，约6m*2m；

b36.2、测量间距

为精确测量声场分布，要求全息面上测点足够密，鉴于表面声场波幅驻波形式分布，类似频率、时间域中采样定理，空间测量点间距应为1/(7～10)λ；

针对本项目中测试频段，测量点间距选择为20cm～30cm；

b36.3、双水听器探头之间的距离

对于水声宽频带声场的测量以及采用双水听器阵对声场作扫描测量，理想情况下采用Δr/λ＝1/10；对于工程上可采用Δr/λ＝1/7；

针对本项目中测试频段，双水听器探头间距选择为20cm～30cm；

b36.4、发射阵与水听器阵距离

高波数波的波幅沿声源面法线方向减弱很快，因此，要求全息面到源面间距尽可能小，对于高频大声源，其间距取1/3λ较为合适；对于低频小声源，则应当取更小距离与波长比为宜；

针对本项目中测试频段，水听器阵与发射阵之间距离选择为40cm～60cm；

b36.5、声场扫描方式：采用程控方式。

4.如权利要求1所述的一种低频声呐阵阻抗特性校准方法，其特征在于，所述步骤b4的实验准备工作包括以下步骤：

b41、测试平面阵准备

按要求组装测试平面阵，清洗平面阵表面，并充分浸泡，使表面充分浸润；

b42、测试水听器阵准备

按照双水听器配对结果，安装声全息测试水听器阵，并清洗水听器表面，将水听器阵与机械扫描装置连接；

b43、测试仪表设备准备。

5.如权利要求4所述的一种低频声呐阵阻抗特性校准方法，其特征在于，所述步骤b43的测试仪表设备准备工作包括以下步骤：

b43.1、检查各测量用仪表是否工作正常，仪表间线路连接是否正确；

b43.2、测试前，检查发射器、水听器是否能够正常工作，与仪表连接是否正确；

b43.3、检查仪表设置是否正确，如功率放大器是否选择合适的阻抗匹配档位，多通道滤波系统是否设置了合适的高通和低通，放大倍数是否核实，以防仪器过载；

b43.4、测试前，打开仪表设备，预热半个小时以上；

b43.5、检查扫描装置行走是否正常，是否能够达到测试精度要求。

6.如权利要求1所述的一种低频声呐阵阻抗特性校准方法，其特征在于，所述步骤b5的平面声呐阵阻抗特性近场声全息测量方法包括以下步骤：

b51、将平面发射阵竖直置于开阔水域中，入水深度约为开阔水域深度的1/2；

b52、按照配好对的声强探头组装测量接收直线阵，每两对水听器探头间距要满足声强测量参数；

b53、将水听器阵安装在扫描装置上，利用机械扫描系统，放置在距离平面发射阵不小于1/6波长的位置处；

b54、将平面发射阵及水听器阵静止放置12小时后，程控机械扫描系统实现进行水平方向扫描，扫描完毕后将水听器阵向下移动，使其测点间距满足全息测试参数及声强测试参数，获得两个全息面上的声压数据；

b55、利用全息数据反演平面发射阵各阵元的质点振速，利用边界元法得到各阵元表面的声压，以及由该阵元产生的其他阵元表面的声压，分析各振元间的互辐射阻抗；

b56、利用双水听器探头测量数据计算双水听器对中心位置处的复振速，将其近似划分为各阵元表面的质点振速分布，进而计算平面发射阵各阵元的自/互辐射阻抗，以及远场辐射声场特性计算。