CN112033519A - 一种基于插值和拟合的水听器灵敏度标定系统和方法 - Google Patents

一种基于插值和拟合的水听器灵敏度标定系统和方法 Download PDF

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张海生
罗斌
杨天开
尹松
王晓林
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Abstract

本发明公开了一种基于插值和拟合的水听器灵敏度标定系统和方法，主要以选定的时间序列为基准，对待测水听器和标准水听器输出信号进行插值，对插值结果进行线性拟合，得到待测水听器和标准水听器输出信号的比值，将该比值带入水听器灵敏度计算公式，得到待测水听器灵敏度。本发明在技术上实现了高精度、高重复性的水听器标定方法，大幅度降低了人工读数标定水听器灵敏度方法的误差，提高了水听器灵敏度的标定精度和重复性，对拖线阵灵敏度准确标定起着一定的积极作用，并且该成果在国内尚没有任何单位部门使用。

Description

一种基于插值和拟合的水听器灵敏度标定系统和方法
技术领域
本发明涉及声纳电子设备的领域，具体涉及一种基于插值和拟合的水听器灵敏度标定系统和方法。
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：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；标准水听器由于震动引起的噪声较大，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。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种基于插值和拟合的水听器灵敏度标定系统和方法。
本发明的目的是通过如下技术方案来完成的：这种基于插值和拟合的水听器灵敏度标定系统，主要包括待测水听器、标准水听器、模数转换器A、模数转换器B、数据处理机，待测水听器和标准水听器将声压转换为模拟电压信号，两者的模拟电压信号分别通过模数转换器A、模数转换器B转换为数字信号后输入数据处理机进行处理。
这种基于插值和拟合的水听器灵敏度标定方法，主要包括以下步骤：
1)以时间序列t0为基准，对待测水听器输出信号Vx(tx)和标准水听器输出信号Vst(tst)进行插值，得到待测水听器和标准水听器在时间序列t0时刻的输出信号Vx(t)和Vst(t)；
2)对Vx(t)和Vst(t)进行拟合，得到待测水听器和标准水听器输出电压信号的比值k；
3)将比值k带入水听器灵敏度计算公式，得到待测水听器的灵敏度Senx。
所述时间序列t0可选待测水听器信号输出时刻tx或标准水听器信号输出时刻tst。
所述插值方法为样条插值,所述拟合方法为线性拟合。
所述水听器灵敏度计算公式为：
Senx＝Senst+20log10k
其中：Senx为待测水听器的灵敏度，Senst为标准水听器的灵敏度。。
本发明的有益效果为：本发明在技术上实现了高精度、高重复性的水听器标定方法，大幅度降低了人工读数标定水听器灵敏度方法的误差，提高了水听器灵敏度的标定精度和重复性，对拖线阵灵敏度准确标定起着一定的积极作用，并且该成果在国内尚没有任何单位部门使用；避免了传统人工读数标定水听器灵敏度方法中有限次人工读取峰峰值的不确定性，并且可以有效避免极端数值对标定结果的影响，有效提高了待测水听器灵敏度的标定精度和重复性；以待测水听器采用频率为6kHz、采样时间为0.05秒为例，本方法利用了全部300个标定数据，提升了水听器灵敏度标定精度，并且本方法中使用的拟合方法可以有效避免极端数值对标定结果的影响，提升了水听器灵敏度标定结果的重复性。
附图说明
图1为本发明的系统结构图。
图2为本发明的标准水听器输出信号图。
图3为本发明的待测水听器输出信号图。
图4为本发明的标准水听器输出信号插值结果图。
图5为本发明的拟合结果图。
图6为本发明和人工读数方法的标定精度和重复性的对比图。
附图标记说明：待测水听器1、标准水听器2、模数转换器A3、模数转换器B4、数据处理机5。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做详细的介绍：
实施例1：如附图1所示，这种基于插值和拟合的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、模数转换器A3、模数转换器B4、数据处理机5，待测水听器1和标准水听器2将声压转换为模拟电压信号，两者的模拟电压信号分别通过模数转换器A3、模数转换器B4转换为数字信号后输入数据处理机5进行处理。
这种基于插值和拟合的水听器灵敏度标定方法，主要包括以下步骤：
1)以时间序列t0为基准，时间序列t0可选待测水听器1信号输出时刻tx或标准水听器2信号输出时刻tst。对待测水听器1输出信号Vx(tx)和标准水听器2输出信号Vst(tst)进行插值，插值方法为样条插值。得到待测水听器1和标准水听器2在时间序列t0时刻的输出信号Vx(t)和Vst(t)；
2)对Vx(t)和Vst(t)进行拟合，拟合方法为线性拟合。得到待测水听器1和标准水听器2输出电压信号的比值k；
3)将比值k带入水听器灵敏度计算公式，得到待测水听器1的灵敏度Senx。
水听器灵敏度计算公式为：
Senx＝Senst+20log10k
其中：Senx为待测水听器1的灵敏度，Senst为标准水听器2的灵敏度。
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2和待测水听器1标定同一声源信号，通过对比二者输出波形的峰峰值，获得待测水听器1灵敏度。灵敏度计算公式为：
Figure BDA0002637958650000031
其中，Senx为待测水听器1灵敏度，Senst为标准水听器2灵敏度，Vppx为待测水听器1输出电压信号的峰峰值，Vppst为标准水听器2输出电压信号的峰峰值。
对上述灵敏度计算公式进行分析，可知其中峰峰值比值项可以用相同时刻待测水听器1与标准水听器2输出电压值的比值代替，即水听器灵敏度计算公式为：
Figure BDA0002637958650000032
其中，Vx(t0)和Vst(t0)分别为待测水听器1和标准水听器2在t0时刻的输出电压。由于一般情况下，待测水听器1和标准水听器2的电压信号采样频率fx和fst不相等，因此两路水听器的采样时刻不相同，例如待测水听器1和标准水听器2输出电压信号可表示为dx(tx)和dst(tst)，其中待测水听器输出数据为dx＝{dx1,dx2,...,dxn,...}，对应采样时间为tx＝{tx1,tx2,...,txn,...}，标准水听器输出数据为dst＝{dst1,dst2,...,dstn,...}，对应时间tst＝{tst1,tst2,...,tstn,...}。通常情况下tx不等于tst，无法直接获得待测水听器1和标准水听器2相同时刻输出电压信号的比值。
本发明首先选定时间序列t0，根据t0对待测水听器1和标准水听器2输出信号进行插值，得到待测水听器1和标准水听器2在相同时刻的输出信号Vx(t0)和Vst(t0)。特别的，时间序列t0可选待测水听器1信号输出时刻tx或标准水听器2信号输出时刻tst，即t0＝tx或t0＝tst。以t0＝tx为例，根据待测水听器1电压信号的标定时刻tx，对标准水听器2电压信号dst(tst)进行插值，得到两路水听器在同时刻的输出电压dx(tx)和dst(tx)；然后，对同时刻电压信号dx(tx)和dst(tx)进行拟合，得到待测水听器1和标准水听器2输出电压信号比值Vx(tx)/Vst(tx)的估计结果k；最后，将k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
其中：Senx为待测水听器1灵敏度，Senst为已知的标准水听器2灵敏度。
附图2和附图3分别为标准水听器2和待测水听器1输出电压数据。待测水听器1采样频率为fx，输出电压信号为Vx(tx)，其中tx为数据采样时刻；标准水听器2采样频率为fst，输出电压信号为Vst(tst)，其中tst为数据采样时刻。一般情况下，待测水听器1和标准水听器2的电压信号采样频率fx和fst不相等。
附图4所示为标准水听器2电压信号的插值结果，通过插值运算获得同时刻待测水听器1和标准水听器2的电压信号，其中圆圈为标准水听器2实际标定点，十字符号代表插值点。
附图5所示为标准水听器2电压信号插值结果和待测水听器1电压信号进行拟合，获得两路水听器输出信号的比值k。
附图6所示为多次标定过程中，本方法和传统人工读数方法标定水听器灵敏度的标定准确性和重复性的对比结果。
实施例2：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550Hz，标准水听器2灵敏度-200dB，标准水听器2输出峰峰值Vppx＝0.5V，待测水听器1输出Vppst＝50μV，待测水听器1灵敏度理论上为-120dB。待测水听器1采样频率为6kHz，标准水听器2采样频率为20kHz。两路水听器输出信号均包含宽带白噪声干扰，噪声来源为电子噪声、平台噪声和环境噪声。
首先，按照附图1所示连接系统，将标准水听器2和待测水听器1与数据处理机5连接，标准水听器2输出信号dst(tst)和待测水听器1输出信号dx(tx)分别如附图2和附图3所示，为受宽带白噪声干扰的正弦函数。根据待测水听器1电压信号的标定时刻tx，对标准水听器2输出信号dst(tst)进行插值，得到在标定时刻tx时的标准水听器2输出结果dst(tx)，如附图4中十字符号表示。然后，对同时刻电压信号dx(tx)和dst(tx)进行拟合，拟合结果如附图5所示，拟合直线的斜率为待测水听器1和标准水听器2输出电压信号比值Vx(tx)/Vst(tx)的估计结果k＝10140；最后，将k带入水听器灵敏度计算公式，得到待测水听器1灵敏度为：
Senx＝Senst+20log10k＝-119.9dB
对同样系统参数条件下进行100次标定，对比本方法和传统人工读数法的标定结果如附图6所示。传统人工读数方法的标定结果平均值为-119.2dB，标准差为1.46dB；本方案的标定平均值为-119.9dB，标准差为0.27dB，可以看出本方法有效提高了待测水听器1灵敏度的标定精度和重复性。
可以理解的是，对本领域技术人员来说，对本发明的技术方案及发明构思加以等同替换或改变都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于插值和拟合的水听器灵敏度标定方法，其特征在于：主要包括以下步骤：
1)以时间序列t0为基准，对待测水听器(1)输出信号Vx(tx)和标准水听器(2)输出信号Vst(tst)进行插值，得到待测水听器(1)和标准水听器(2)在时间序列t0时刻的输出信号Vx(t)和Vst(t)；
2)对Vx(t)和Vst(t)进行拟合，得到待测水听器(1)和标准水听器(2)输出电压信号的比值k；
3)将比值k代入水听器灵敏度计算公式，得到待测水听器(1)的灵敏度Senx。
2.根据权利要求1所述的基于插值和拟合的水听器灵敏度标定方法，其特征在于：所述时间序列t0选待测水听器(1)信号输出时刻tx或标准水听器(2)信号输出时刻tst。
3.根据权利要求1所述的基于插值和拟合的水听器灵敏度标定方法，其特征在于：所述插值方法为样条插值。
4.根据权利要求1所述的基于插值和拟合的水听器灵敏度标定方法，其特征在于：所述拟合方法为线性拟合。
5.根据权利要求1所述的基于插值和拟合的水听器灵敏度标定方法，其特征在于：所述水听器灵敏度计算公式为：
Senx＝Senst+20log10k
其中：Senx为待测水听器(1)的灵敏度，Senst为标准水听器(2)的灵敏度。
6.一种采用如权利要求1所述的基于插值和拟合的水听器灵敏度标定方法的标定系统，其特征在于：包括待测水听器(1)、标准水听器(2)、模数转换器A(3)、模数转换器B(4)、数据处理机(5)，待测水听器(1)和标准水听器(2)将声压转换为模拟电压信号，两者的模拟电压信号分别通过模数转换器A(3)、模数转换器B(4)转换为数字信号后输入数据处理机(5)进行处理。
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