CN112033518A - 一种基于正弦函数拟合的水听器灵敏度标定方法 - Google Patents

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张海生
罗斌
王晓林
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    • G01H11/06—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by detecting changes in electric or magnetic properties by electric means
    • G01H11/08—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by detecting changes in electric or magnetic properties by electric means using piezoelectric devices

Abstract

本发明公开了一种基于正弦函数拟合的水听器灵敏度标定方法，包括步骤如下：采用主要由声源、待测水听器、标准水听器和数据处理机组成的水听器灵敏度标定系统，数据处理机记录待测水听器输出信号和标准水听器输出信号；构造拟合函数，并对两路水听器输出信号进行拟合，利用拟合系数得到两路水听器输出信号中基频项对应的信号峰峰值；将上述拟合系数带入水听器灵敏度计算公式，得到待测水听器灵敏度。本发明克服了人工读数标定方法的偶然误差，提高了水听器灵敏度的测量精度和重复性。

Description

一种基于正弦函数拟合的水听器灵敏度标定方法
技术领域
本发明涉及电子设备的声纳领域，特别是涉及了一种基于正弦函数拟合的水听器灵敏度标定方法。
背景技术
拖曳线列阵声纳具有基阵孔径较少受平台空间制约、工作频率低和远离拖曳平台噪声源等优点，广泛用于水面舰和潜艇等水下目标的探测和跟踪任务。拖曳线列阵声纳的重要组成部分是按直线排列的水听器阵列。
水听器最基本、最重要的技术参数指标是灵敏度。以压电水听器为例，其灵敏度代表水听器将声压信号转换为电压信号的能力。水听器灵敏度限制了声纳系统其他技术指标的优化上限。水听器灵敏度越高，对于相同声压级的信号，其输出信号幅值越高、输出信号信噪比越高，便于后续的信号检测和数据处理。提高水听器灵敏度是优化声纳系统性能的基础。
在将水听器组成线列阵之前，在测试水池中对每个水听器的灵敏度进行标定。成阵后的每个水听器受成阵工艺、传输线分布参数等因素影响，其实际灵敏度与成阵前的水池标定结果有差异，因此在成阵后还需要对水听器的灵敏度进行二次标定。
鉴于拖曳线列阵尺寸在几百米量级，在测试水池中不便展开标定，实际通常选择在湖上环境进行成阵后的灵敏度标定，并且常采用人工读数标定水听器灵敏度方法。该方法过程如下：首先将声源布置在阵段正横方位，并持续发射单频正弦信号；湖上测试人员将灵敏度已知的标准水听器布放于待测水听器附近；由湖上测试人员读取标准水听器输出信号的峰峰值，基地测试人员读取待测水听器输出信号的峰峰值，湖上测试人员与基地测试人员通过对讲机同步数据读取时刻；最后利用待测水听器和标准水听器输出信号的峰峰值计算得到待测水听器的灵敏度。
人工读数标定水听器灵敏度方法存在以下弊端：湖上与基地测试人员读数时间具有秒级的差别，难以获得待测水听器和标准水听器在同时刻的输出数据；对于每个水听器只读取一次或者有限次数据，有限次的读数方法使灵敏度标定结果存在较大的偶然性，导致标定结果重复性差；读取数值为水听器输出信号峰峰值，该值受湖上复杂的水声环境和多途反射影响起伏较大；读数准确性受测试人员影响较大。
发明内容
针对水听器灵敏度标定试验中，人工读数标定方法具有偶然误差，并且水听器输出信号受高次谐波、噪声和振幅调制效应影响，使传统的人工读数比测法标定水听器灵敏度的精度低、重复性差的问题，本发明提供一种基于正弦函数拟合的水听器灵敏度标定方法，提高了水听器灵敏度的测量精度和重复性。
本发明的目的是通过如下技术方案来完成的。本发明公开了一种基于正弦函数拟合的水听器灵敏度标定方法，通过构造拟合函数，并对待测水听器和标准水听器进行拟合，利用所得拟合参数得到两路水听器输出信号中基频项对应的峰峰值，再利用水听器灵敏度计算公式得到待测水听器灵敏度；具体包括以下步骤：
步骤一、采用主要由声源、待测水听器、标准水听器和数据处理机组成的水听器灵敏度标定系统，声源发出基频为f1的声信号，数据处理机记录待测水听器输出信号Vx(t)和标准水听器输出信号Vst(t)；
步骤二、构造拟合函数，并利用上述拟合函数分别对上述待测水听器输出信号Vx(t)和上述标准水听器输出信号Vst(t)进行拟合，利用拟合系数得到上述待测水听器输出信号Vx(t)中基频项对应峰的峰值Vx1和上述标准水听器输出信号Vst(t)中基频项对应峰的峰值Vst1；
步骤三、将上述峰的峰值带入水听器灵敏度计算公式，得到待测水听器灵敏度。
步骤二所述拟合函数为：
Figure BDA0002637957020000021
其中：V为水听器输出信号，f1为声源基频，f2＝2f1为声源基频的二次谐波，f3＝2f1为声源基频的三次谐波，V1、V2和V3分别为基频项、二次谐波项和三次谐波项对应的峰峰值，DC为直流量。
利用上述拟合函数对上述待测水听器输出信号Vx(t)进行拟合时，所得拟合系数V1为上述待测水听器输出信号中基频项对应峰的峰值Vx1；利用上述拟合函数对上述标准水听器输出信号Vst(t)进行拟合时，所得拟合系数V1为上述标准水听器输出信号中基频项对应峰的峰值Vst1。
上述水听器灵敏度计算公式为：
Senx＝Senst+20log10(Vx1/Vst1)
其中：Senx为待测水听器灵敏度，Senst为标准水听器灵敏度。
本发明的有益效果：
1、消除时间延迟和偶然误差，提高精度。
2、不需要许多数据，一个周期的数据也可以。而利用fft计算频谱，或者设计带通滤波器的方法在数据量少的时候都无法使用。
3、本发明避免了传统比测法中人工单次读取峰峰值的不确定性，并且本方法可以有效避免极端数值对测量结果的影响，有效地提高了待测水听器灵敏度的测量精度和重复性。
附图说明
图1是水听器灵敏度标定系统结构图；
图2是理想情况下待测水听器输出信号示意图；
图3是理想情况下标准水听器输出信号示意图；
图4是有干扰条件下待测水听器输出信号拟合结果示意图；
图5是有干扰条件下标准水听器输出信号拟合结果示意图；
图6是本发明和人工读数方法的测量精度和重复性的对比示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，以压电水听器灵敏度标定过程为例，对本发明作进一步说明。
图1所示水听器灵敏度标定系统主要包括待测水听器1、标准水听器2和数据处理机3，待测水听器和标准水听器将声压转换为信号，数据处理机对两路水听器输出信号进行记录。
图2和图3分别为理想条件下待测水听器和标准水听器输出信号的时域图，两路水听器输出信号为单频信号，并且不受高次谐波、噪声和振幅调制效应影响。其中图2横坐标为测量时间t，单位为秒(s),纵坐标为待测水听器输出信号Vx(t)，单位为伏特(V)；图3横坐标为测量时间t，单位为秒(s),纵坐标为标准水听器输出信号Vst(t)，单位为微伏(μV)。
图4和图5分别为有干扰条件下待测水听器和标准水听器输出信号的时域图，图中实现为相应水听器输出信号，虚线为通过本方法所述正弦拟合方法得到的拟合结果。在有干扰的条件下两路水听器输出信号受高次谐波、噪声和振幅调制效应影响，人工读数方法已经难以获得信号的峰峰值。其中图4横坐标为测量时间t，单位为秒(s),纵坐标为待测水听器输出信号Vx(t)，单位为伏特(V)；图5横坐标为测量时间t，单位为秒(s),纵坐标为标准水听器输出信号Vst(t)，单位为微伏(μV)。
图6所示为多次测量过程中，本方法和传统人工读书方法标定水听器灵敏度的测量准确性和重复性的对比结果。横坐标为测量信号信噪比SNR，上图为100次测量结果的平均值，作为测量精度的评价指标；下图为100次测量结果的标准差，作为测量重复性的评价指标。
本发明的原理过程如下：
比测法标定水听器灵敏度方法是通过使用灵敏度已知的标准水听器和待测水听器测量同一单频声源信号，通过对比二者输出波形的峰峰值，获得待测水听器灵敏度。灵敏度计算公式为：
Figure BDA0002637957020000031
其中，Senx为待测水听器灵敏度，Senst为标准水听器灵敏度，Vppx为待测水听器输出信号的峰峰值，Vppst为标准水听器输出信号的峰峰值。
当水听器输出波形受环境和噪声干扰时，水听器输出信号受高次谐波、噪声和振幅调制效应影响，此时上述灵敏度计算公式中峰峰值应该使用水听器输出信号中声源基频项对应峰的峰值代替，即水听器灵敏度计算公式为：
Figure BDA0002637957020000032
其中，Vx1和Vst1分别为待测水听器和标准水听器输出信号中声源基频项对应的峰峰值。
通过数据处理机记录待测水听器和标准水听器输出信号，并构造拟合函数，分别对两路水听器输出信号Vx(t)和Vst(t)进行拟合，分别得到Vx1和Vst1。将上述两个拟合参数带入修正后的灵敏度计算公式，得到待测水听器灵敏度。
实施例：
本实施例通过仿真实验验证，实验初始条件如下：声源频率为500Hz，标准水听器灵敏度-200dB，标准水听器输出峰峰值为0.5V，待测水听器输出峰峰值为50μV，待测标准水听器灵敏度理论上为-120dB。两水听器采样频率需满足采样定理，不是一般性地，仿真中设置待测水听器和标准水听器采样频率相同，均为10kHz。
理想条件下，待测水听器和标准水听器输出信号为频率与声源基频相同的单频正弦信号，分别如图2和图3所示，待测水听器和标准水听器输出信号的峰峰值分别为0.5V和50μV。
实际情况下，待测水听器和标准水听器输出信号受高次谐波、噪声和振幅调制效应影响，输出信号如图4和图5中实线所示，此时人工读数读取峰峰值，由于噪声存在难以准确读数；且由于振幅调制效应的存在，测量结果随时间变化较大。利用拟合函数
Figure BDA0002637957020000041
对两路水听器数据进行拟合，拟合结果如图4和图5中虚线所示，分别得到两路水听器输出信号中基频项对应的峰峰值为Vx1＝0.4998V和Vst1＝49.7883μV。
将上述两个拟合系数带入水听器灵敏度计算公式，得到待测水听器灵敏度为：
Senx＝Senst+20log10k＝-119.97dB
对不同探测信噪比的条件下，对人工读书法比测法和本方法提出的正弦拟合法比测法进行100次测量，对比本方法和传统人工读书法的测量结果如图6所示。可以看出本方法可以在噪声较大，例如信噪比为0dB的条件下，正确标定待测水听器的灵敏度，有效提高了待测水听器灵敏度的测量精度和重复性。
上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于正弦函数拟合的水听器灵敏度标定方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一、采用由声源、待测水听器、标准水听器和数据处理机组成的水听器灵敏度标定系统，声源发出基频为f1的声信号，数据处理机记录待测水听器输出信号Vx(t)和标准水听器输出信号Vst(t)；
步骤二、构造拟合函数，并利用上述拟合函数分别对上述待测水听器输出信号Vx(t)和上述标准水听器输出信号Vst(t)进行拟合，利用拟合系数得到上述待测水听器输出信号Vx(t)中基频项对应峰的峰值Vx1和上述标准水听器输出信号Vst(t)中基频项对应峰的峰值Vst1；
步骤三、将上述峰的峰值代入水听器灵敏度计算公式，得到待测水听器灵敏度。
2.根据权利要求1所述的基于正弦函数拟合的水听器灵敏度标定方法，其特征在于：步骤二所述拟合函数为：
Figure FDA0002637957010000011
其中：V为水听器输出信号，f1为声源基频，f2＝2f1为声源基频的二次谐波，f3＝2f1为声源基频的三次谐波，V1、V2和V3分别为基频项、二次谐波项和三次谐波项对应峰的峰值，DC为直流量。
3.根据权利要求2所述的基于正弦函数拟合的水听器灵敏度标定方法，其特征在于：利用上述拟合函数对上述待测水听器输出信号Vx(t)进行拟合时，所得拟合系数V1为上述待测水听器输出信号中基频项对应峰的峰值Vx1；利用上述拟合函数对上述标准水听器输出信号Vst(t)进行拟合时，所得拟合系数V1为上述标准水听器输出信号中基频项对应峰的峰值Vst1。
4.根据权利要求1所述的基于正弦函数拟合的水听器灵敏度标定方法，其特征在于：步骤三中所述水听器灵敏度计算公式为：
Senx＝Senst+20log10(Vx1/Vst1)
其中：Senx为待测水听器灵敏度，Senst为标准水听器灵敏度。
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