CN109407052B - 一种线性阵换能器通道一致性校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种线性阵换能器通道一致性校准法。该方法在近场环境下，将多波束接收阵的中心与声源的中心设在同一吃水深度，通过空间扫描的方式获取最优位置，利用最优估计的算法，找到幅度和相位的误差补偿曲线，降低了试验复杂度，也降低了算法处理的复杂度，通用性比较好。得到的幅度和相位补偿曲线补偿到波束指向性上，从而提高主旁瓣增益比。

Description

一种线性阵换能器通道一致性校准方法

技术领域

本发明涉及水下定位领域，尤其涉及一种线性阵换能器通道一致性校准方法。

背景技术

多波束接收机的性能对测深结果非常重要，而接收换能器作为接收机的重要组成部分，它影响到信号的输入和采集，影响到后期信号处理的整个过程。且接收换能器是把声压信号转换到电信号，连接模拟电路，然后才进入AD采样前端。为了保证采集信号的重要性，首先必须保证采集信号的正确性，反应到换能器上主要是幅度的一致性和相位的一致性上，通过对换能器的通道一致性的校准，可以把换能器的加工误差和模拟电路的误差同时进行校准，可以把这些误差降到最低。

国内外一般是远场条件下进行换能器的通道校准，这样就对试验条件和试验环境要求比较高，消声水池要求比较大，并且配合NI的控制系统，由于消声水池造价高，国内一般单位很难拥有这样的测试环境。且有的在校准方法中，在测量过程中，对声源和接收阵的吃水深度没有做具体的要求，造成声源和接收阵按照三维空间的几何模型模型，造成算法模型的复杂度。

发明内容

本发明的目的旨在解决上述问题，从而提供一种线性阵换能器通道一致性校准方法。

为实现上述目的，本发明提供了一种线性阵换能器通道一致性校准方法，该方法包括以下步骤：

1)在消声水池中安装声源和多波束接收阵，且保证在同一深度的吃水位置，声源的旋转中心和多波束的旋转中心在同一水平位置，所述声源安装在声源法兰上，所述多波束接收阵安装在多波束法兰上；

2)通过驱动单元驱动声源工作，声源法兰固定不动，通过控制台控制多波束法兰按照[-α：l：α]旋转，其中α为旋转角度，l为步长；且每一个旋转角度位置都利用与接收阵通道数目相同的采集板保存数据，共要保存k＝(2α/l+1)组数据，k为保存数据的组数。

3)在声源发射方向正对接收阵法线方向时(如图1所示位置)，测量声源到多波束接收阵中心的垂直距离Ver，单位为m，并根据测量的垂直距离Ver计算出声源到多波束接收阵的各个阵元的相位值，并根据各个相位值及对应的阵元获取相位曲线j。

4)利用步骤2)保存的k组数据，根据FFT求相位的方式求出每组数据的接收到的相位值，并根据相位值及对应通道获取相位曲线，从求出的k个位置的所有通道的相位曲线中找出与步骤3)中几何位置计算的相位曲线j重合度最高的一条c；

5)根据步骤4)得出的相位曲线c对应的相位值数据建立近场的物理模型，根据物理模型建立关于角度和距离的目标函数，然后对目标函数求偏导数，获取与实际相符合的最优估计的距离

和角度

所述获取与实际相符合的最优估计的角度

与步骤4)中得出相位曲线c对应的多波束接收阵旋转的角度接近，所述获取与实际相符合的最优估计的距离

与步骤3)中距离Ver接近，根据与实际相符合的最优估计的距离

和角度

得出所有通道相位值，并根据各个相位值及对应的通道获取相位曲线g；

6)将步骤5)估计求出的各通道相位值与和步骤4)中相位曲线c对应的各通道相位值相减，得到各通道相位误差，并根据相位误差和对应通道获取相位补偿曲线x；

7)将步骤4)中相位曲线c对应的采集数据，通过连续多ping的统计分析，让第一通道作为参考，通过希尔伯特方法求取所有通道的幅度，然后与第一通道相除后取倒数，得到所有通道的幅度补偿曲线f。

进一步地，所述步骤2)中驱动单元包括信号源和功率放大器，所述信号源和功率放大器相连，所述功率放大器与所述声源相连。

进一步地，所述步骤3)计算声源到多波束接收阵的各个阵元的相位值通过公式

获得，其中f为发射信号的频率，d为多波束接收阵的阵元之间的间距，C为水中的声速为1500m/s，m为多波束接收阵的阵元序号。

进一步地，所述步骤5)具体包括：

5.1)建立近场的物理模型

并根据物理模型建立关于角度和距离的目标函数Q，

其中，ψ_i为测量数据FFT计算的每个通道的相位值，M为阵元总数目，f为发射信号的频率，c为水中的声速为1500m/s，r_i为声源到阵元的距离，r为声源到多波束接收阵中心阵元的距离，x_i为阵元到中心阵元的距离，θ为多波束接收阵法线方向和声源中心到阵元的距离之间的夹角；

5.2)分别对目标函数Q的角度和距离进行求偏导，获取与实际相符合的最优估计的距离

和角度

将最优估计的距离

和角度

代入公式

求取各通道的相位值，并根据各个相位值及对应的通道获取相位曲线g。

更进一步地，所述步骤6)包括：

将步骤5.2)获取的各通道的相位值和步骤4)相位曲线对应的相位值通过公式

相减得到每个通道的相位误差，根据相位误差和对应通道获取相位补偿曲线b。

进一步地，所述多波束法兰按照[-4：0.1：4]旋转。

进一步地，所述多波束接收阵包括64个阵元，所述采集板的通道数为64。

本方法在近场环境下，仅仅需要保证接收阵的中心与声源的中心在同一个吃水深度，通过空间扫描的方式获取最优位置，利用最优估计的算法，找到幅度和相位的误差补偿曲线，降低了试验复杂度，也降低了算法处理的复杂度，通用性比较好。得到的幅度和相位补偿曲线补偿到波束指向性上，从而提高主旁瓣增益比。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种线性阵换能器通道一致性校准方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的声源发射方向正对接收阵法线方向时几何模型图；

图3为本发明实施例提供的近场模型下阵元之间的几何模型图；

图4为本发明实施例提供的几何位置计算、FFT采样数据计算、最优估计三种方式得到的64通道的相位曲线图；

图5为本发明实施例提供的得到的相位补偿曲线图；

图6为本发明实施例提供的得到的幅度补偿曲线图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。需要说明的是，附图仅为示例性说明，并未按照严格比例绘制，而且其中可能有为描述便利而进行的局部放大、缩小，对于公知部分结构亦可能有一定缺省。

图1为本发明提供的一种线性阵换能器通道一致性校准方法的流程图。

在步骤101中，在消声水池中安装声源和多波束接收阵，且保证在同一深度的吃水位置，声源的旋转中心和多波束的旋转中心在同一水平位置，声源安装在声源法兰上，多波束接收阵安装在多波束法兰上。

在步骤102中，通过驱动单元驱动声源工作，声源法兰固定不动，通过控制台控制多波束法兰按照[-α：l：α]旋转，其中α为旋转角度，l为步长；且每一个旋转角度位置都利用与接收阵通道数目相同的采集板保存数据，共要保存k＝(2α/l+1)组数据，k为保存数据的组数。

本实施例中驱动单元包括信号源和功率放大器，通过信号源连接功率放大器，然后放大器端接声源，给信号源端加换能器频率的正弦信号，然后通过功率放大器来驱动声源。本实施例中的控制台步长为0.1度，假设按照[-4:0.1:4]度(其中4度是待估计的角度量)，且每一个旋转角度位置都利用与接收阵通道数目相同的高速采集板保存数据(本实施例换能器接收阵为64通道，采集卡的通道数为64)，也就是多波束接收阵每旋转0.1度，便进行64通道的数据采集，一共要保存81组数据。

在步骤103中，在声源S发射方向正对接收阵法线方向时(如图2所示的声源与多波束接收阵的位置)，测量声源S到多波束接收阵中心的垂直距离Ver，单位为m，并根据测量的垂直距离Ver带入公式

计算出声源到多波束接收阵的各个阵元x_i的相位值，并根据各个相位值及对应的阵元获取相位曲线j。其中f为发射信号的频率，d为多波束接收阵的阵元之间的间距，C为水中的声速为1500m/s，m为多波束接收阵的阵元序号。

在步骤104中，利用步骤102保存的k组数据，根据FFT求相位的方式求出每组数据的接收到的相位值，并根据相位值及对应通道获取相位曲线，从求出的k个位置的所有通道的相位曲线中找出与步骤3)中几何位置计算的相位曲线j重合度最高的一条c。

如按照[-4:0.1:4]度旋转，则k＝81，根据FFT求相位的方式求出81组数据的对应的64通道相位值，会得到81条64通道的相位曲线。算出的81个位置的所有通道的相位曲线，由于是按照-4到4度旋转方式扫描覆盖的，所以肯定存在一组数据的相位曲线和与步骤103中几何位置计算的相位曲线的重合度最高，则认为此位置是，声源正对着多波束接收阵的法线上发射，充分利用该组数据进行幅度和相位一致性的分析。

在步骤105中，根据步骤104得出的相位曲线c对应的相位值数据建立近场的物理模型

并根据物理模型建立关于角度和距离的目标函数Q，

其中，ψ_i为测量数据FFT计算的每个通道的相位值，M为阵元总数目，f为发射信号的频率，c为水中的声速为1500m/s，r_i为声源到阵元的距离，r为声源到多波束接收阵中心阵元的距离，x_i为阵元到中心阵元的距离，θ为多波束接收阵法线方向和声源中心到阵元的距离之间的夹角，参考图3。

分别对目标函数Q的角度和距离进行求偏导，获取与实际相符合的最优估计的距离

和角度

(由于方程可能存在几组最优解，选取与实际相符合的一组最优解)，获取与实际相符合的最优估计的角度

与步骤104中得出相位曲线c对应的多波束接收阵旋转的角度接近，获取与实际相符合的最优估计的距离

与步骤103中距离Ver接近。将最优估计的距离

和角度

代入公式

求取各通道的相位值，并根据各个相位值及对应的通道获取相位曲线g。

在步骤106中，将步骤105估计求出的各通道相位值与和步骤104中相位曲线c对应的各通道相位值相减，得到各通道相位误差，并根据相位误差和对应通道获取相位补偿曲线x，相位补偿曲线x参见图5。

在步骤107中，将步骤104中相位曲线c对应的采集数据，通过连续多ping的统计分析，让第一通道作为参考，通过希尔伯特方法求取所有通道的幅度，然后与第一通道相除后取倒数，得到所有通道的幅度补偿曲线f，幅度补偿曲线x参见图6。

步骤106和107得到的幅度和相位补偿曲线可补偿到波束指向性上，从而提高主旁瓣增益比。步骤103几何位置相位曲线j、步骤104中FFT计算相位曲线c、步骤105最优估算相位曲线g可参见图4，如图4所示，最优估算相位曲线和几何位置相位曲线基本重合，即验证了本发明的最优估算法的正确性。

综上，本发明建立近场的物理模型，降低了对消声水池的要求，且只要保证吃水深度一样，降低了模型的复杂度。由于直接让声源正对换能器法线位置发射的位置不容易控制，通过几何位置，旋转多波束发射，通过与几何位置的重合性，找到正对法线的位置，方法简单明了，降低了测试过程的复杂度，且不需要太发杂的控制平台操作，只利用了一组数据，不用利用繁琐的谱估计方法。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种线性阵换能器通道一致性校准方法，其特征在于，包括：

1)在消声水池中安装声源和多波束接收阵，且保证在同一深度的吃水位置，声源的旋转中心和多波束的旋转中心在同一水平位置，所述声源安装在声源法兰上，所述多波束接收阵安装在多波束法兰上；

2)通过驱动单元驱动声源工作，声源法兰固定不动，通过控制台控制多波束法兰按照[-α：l：α]旋转，其中α为旋转角度，l为步长；且每一个旋转角度位置都利用与接收阵通道数目相同的采集板保存数据，共要保存k＝(2α/l+1)组数据，k为保存数据的组数；

3)在声源发射方向正对接收阵法线方向时，测量声源到多波束接收阵中心的垂直距离Ver，单位为m，并根据测量的垂直距离Ver计算出声源到多波束接收阵的各个阵元的相位值，并根据各个相位值及对应的阵元获取相位曲线j；

4)利用步骤2)保存的k组数据，根据FFT求相位的方式求出每组数据的接收到的相位值，并根据相位值及对应通道获取相位曲线，从求出的k个位置的所有通道的相位曲线中找出与步骤3)中几何位置计算的相位曲线j重合度最高的一条c；

5)根据步骤4)得出的相位曲线c对应的相位值数据建立近场的物理模型，根据物理模型建立关于角度和距离的目标函数，然后对目标函数求偏导数，获取与实际相符合的最优估计的距离

和角度

所述获取与实际相符合的最优估计的角度

与步骤4)中得出相位曲线c对应的多波束接收阵旋转的角度接近，所述获取与实际相符合的最优估计的距离

与步骤3)中距离Ver接近，根据与实际相符合的最优估计的距离

和角度

得出所有通道相位值，并根据各个相位值及对应的通道获取相位曲线g；

6)将步骤5)估计求出的各通道相位值与和步骤4)中相位曲线c对应的各通道相位值相减，得到各通道相位误差，并根据相位误差和对应通道获取相位补偿曲线x；

7)将步骤4)中相位曲线c对应的采集数据，通过连续多ping的统计分析，让第一通道作为参考，通过希尔伯特方法求取所有通道的幅度，然后与第一通道相除后取倒数，得到所有通道的幅度补偿曲线f。

2.根据权利要求1所述的一种线性阵换能器通道一致性校准方法，其特征在于，所述步骤2)中驱动单元包括信号源和功率放大器，所述信号源和功率放大器相连，所述功率放大器与所述声源相连。

3.根据权利要求1所述的一种线性阵换能器通道一致性校准方法，其特征在于，所述步骤3)计算声源到多波束接收阵的各个阵元的相位值通过公式

获得，其中f为发射信号的频率，d为多波束接收阵的阵元之间的间距，C为水中的声速为1500m/s，m为多波束接收阵的阵元序号。

4.根据权利要求1所述的一种线性阵换能器通道一致性校准方法，其特征在于，所述步骤5)具体包括：

5.1)建立近场的物理模型

并根据物理模型建立关于角度和距离的目标函数Q，

其中，ψ_i为测量数据FFT计算的每个通道的相位值，M为阵元总数目，f为发射信号的频率，c为水中的声速为1500m/s，r_i为声源到阵元的距离，r为声源到多波束接收阵中心阵元的距离，x_i为阵元到中心阵元的距离，θ为多波束接收阵法线方向和声源中心到阵元的距离之间的夹角；

5.2)分别对目标函数Q的角度和距离进行求偏导，获取与实际相符合的最优估计的距离

和角度

将最优估计的距离

和角度

代入公式

求取各通道的相位值，并根据各个相位值及对应的通道获取相位曲线g。

5.根据权利要求4所述的一种线性阵换能器通道一致性校准方法，其特征在于，所述步骤6)包括：

将步骤5.2)获取的各通道的相位值和步骤4)相位曲线对应的相位值通过公式

相减得到每个通道的相位误差，根据相位误差和对应通道获取相位补偿曲线x。

6.根据权利要求1所述的一种线性阵换能器通道一致性校准方法，其特征在于，所述多波束法兰按照[-4：0.1：4]旋转。

7.根据权利要求1所述的一种线性阵换能器通道一致性校准方法，其特征在于，所述多波束接收阵包括64个阵元，所述采集板的通道数为64。

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