CN112033520B - 一种水声矢量探测系统的校正系统及空气声学校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水声矢量探测系统的校正系统及空气声学校正方法，该校正系统包括空气声源、功率放大器、水声矢量探测系统、三维转台和空气声学校正平台；所述空气声源电性连接所述功率放大器，所述功率放大器电性连接所述空气声学校正平台；所述水声矢量探测系统放置于所述三维转台上，所述三维转台电性连接于所述空气声学校正平台；所述水声矢量探测系统电性连接于所述空气声学校正平台。本发明可在非水条件下进行操作，对环境要求较低，解决了现有技术针对水声单矢量或矢量阵列探测系统的有源类校正时需要高标准水池和校正时间长的问题，使得对水声单矢量或矢量阵列探测系统进行批量校正变得更加便利。

Description

一种水声矢量探测系统的校正系统及空气声学校正方法

技术领域

本发明涉及水声工程技术领域，特别涉及一种水声矢量探测系统的校正系统及空气声学校正方法。

背景技术

由于水声单矢量探测系统或矢量阵列探测系统中各个声压和振速传感器的设计、生产及安装等原因，实际的水声单矢量或矢量阵列存在与理想情况失配的问题，若此时采用理想情况作为后续矢量信号处理的基础，则处理结果会不准确。因此，有必要对水声单矢量探测系统或矢量阵列探测系统进行有源类校正。

首先，水声单矢量探测系统或矢量阵列探测系统在进行有源类校正时，需要在水中进行，在没有水池等实验环境或者低频对水池尺度环境要求较高时，校正将无法完成。这些实验条件的限制给水声单矢量或矢量阵列探测系统的校正工作造成了很大的困难。

其次，水声单矢量探测系统或矢量阵列探测系统在进行有源类校正时，需要对不同角度和不同频率的目标声源进行逐一进行校正，往往校正时间长到无法忍受，迫切需要满足时间效率的水声单矢量或矢量阵列探测系统的校正方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述不足，提供一种针对水声单矢量探测系统或矢量阵列探测系统的校正系统及空气声学校正方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种水声矢量探测系统的校正系统，该校正系统包括空气声源、功率放大器、水声矢量探测系统、三维转台和空气声学校正平台；所述空气声源电性连接所述功率放大器，所述功率放大器电性连接所述空气声学校正平台；所述水声矢量探测系统放置于所述三维转台上，所述三维转台电性连接于所述空气声学校正平台；所述水声矢量探测系统电性连接于所述空气声学校正平台；

其中，所述空气声学校正平台用于调整三维转台的角度，构造单目标多谐波宽带声音信号，驱动空气声源将所述单目标多谐波宽带声音信号发射给水声矢量探测系统，并基于水声矢量探测系统的方位估计结果对所述水声矢量探测系统进行校正。

进一步的，所述的一种水声矢量探测系统的校正系统，所述空气声源、所述水声矢量探测系统和所述三维转台设置于消声室或半消声室内。

一种水声矢量探测系统的空气声学校正方法，利用上述所述的校正系统实现，步骤如下：

⑴利用空气声学校正平台设置空气声源参数和三维转台参数；

⑵基于步骤⑴中设置的所述空气声源参数，构造单目标多谐波宽带声音信号；

⑶基于三维转台参数，调整三维转台的角度至N组角度中的一组；

⑷所述空气声学校正平台控制功率放大器，驱动空气声源发射单目标多谐波宽带声音信号；

⑸水声矢量探测系统接收所述单目标多谐波宽带声音信号后进行处理，并将方位估计结果传输至所述空气声学校正平台；

⑹所述空气声学校正平台根据步骤⑶中设置的所述三维转台的角度与步骤⑸中的所述方位估计结果，对所述水声矢量探测系统进行校正；

⑺判断所述三维转台的N组角度对应的方位估计结果是否全部校正完毕；

如未全部校正完毕，返回至步骤⑶，调整三维转台的角度至N组角度中的下一组，继续处理；

如全部校正完毕，校正工作结束。

进一步的，所述的一种水声矢量探测系统的空气声学校正方法，所述步骤⑴中，所述空气声源参数包括：空气声源的谐波个数N_harm，第ii个谐波的频率f_ii，第ii个谐波的幅度系数A_ii和第ii个谐波的初相

其中，ii＝1，2，3......N_harm。

进一步的，所述的一种水声矢量探测系统的空气声学校正方法，所述步骤⑴中，所述三维转台参数包括：水平角度θ_jj和俯仰角度

jj＝1，2，3......N_azi，kk＝1，2，3......N_pit，水平角度个数N_azi和俯仰角度个数N_pit，N＝N_azi*N_pit。

进一步的，所述的一种水声矢量探测系统的空气声学校正方法，所述步骤⑵中，所述单目标多谐波宽带声音信号Sig_emit的公式为：

其中，N_harm为单目标多谐波宽带声音信号的谐波个数，f_ii为第ii个谐波的频率，A_ii为第ii个谐波的幅度系数，

为第ii个谐波的初相，ii＝1，2，3......N_harm。

进一步的，所述的一种水声矢量探测系统的空气声学校正方法，所述步骤⑶中，所述三维转台的角度包括水平角度θ_jj和俯仰角度

jj＝1，2，3......N_azi，kk＝1，2，3......N_pit，N＝N_azi*N_pit。

进一步的，所述的一种水声矢量探测系统的空气声学校正方法，该校正方法在消声室或半消声室中进行。

进一步的，所述的一种水声矢量探测系统的空气声学校正方法，所述步骤⑹中，所述空气声学校正平台获得所述方位估计结果

依据所述方位估计结果

与步骤⑶中设置的三维转台的角度

的对比进行校正；其中，f_ii为单目标多谐波宽带声音信号的第ii个谐波的频率，ii＝1，2，3......N_harm，

为三维转台的估计水平角度，

为三维转台的估计俯仰角度，θ_jj为三维转台的水平角度，

为三维转台的俯仰角度，jj＝1，2，3......N_azi，kk＝1，2，3......N_pit。

进一步的，所述的一种水声矢量探测系统的空气声学校正方法，所述步骤⑷中，在功率放大器驱动空气声源前，利用空气声传感器对空气声源进行校准。

本发明的优点与效果是：

1.本发明提供的水声矢量探测系统的校正系统包括空气声源、功率放大器、水声矢量探测系统、三维转台和空气声学校正平台，所需设备简单，且可在非水条件下进行操作，对环境要求较低。

2.本发明提供的水声矢量探测系统的空气声学校正方法，其为针对水声单矢量探测系统或矢量阵列探测系统进行校正的空气声学方法，无需在水中进行操作，且采用单目标多谐波宽带声音信号，解决了现有技术针对水声单矢量或矢量阵列探测系统的有源类校正时需要高标准水池和校正时间长的问题，使得对水声单矢量或矢量阵列探测系统进行批量校正变得更加便利，节省了校正成本。

附图说明

图1示出本发明提供的水声矢量探测系统的校正系统的组成示意图；

图2示出本发明提供的水声矢量探测系统的空气声学校正方法的流程图；

图3示出本发明提供的水声矢量探测系统的空气声学校正方法的一实施例的单目标多谐波宽带声音信号的声音信号示意图；

图4示出对应图3的声音频谱图；

图5示出本发明提供的水声矢量探测系统的空气声学校正方法的一实施例的三维转台的水平角度和俯仰角度的示意图。

附图标记说明：1-空气声源、2-功率放大器、3-水声矢量探测系统、4-三维转台、5-空气声学校正平台、6-消声室或半消声室。

具体实施方式

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明：

在本文中使用的术语和短语和其变体，除非另外明确地陈述，否则应当解释为开放式的，而不是限制性的。作为上述的实例：术语“包括”应当理解为“包括，但不限于”等；术语“实例”用于提供所讨论项目的示例性实例，而不是其穷尽的或限制的清单；并且形容词诸如“惯用的”、“传统的”、“常规的”、“标准的”、“已知的”和类似含义的术语不应当解释为将描述的项目限制为特定时期的项目或特定时间可获得的项目，而是应当理解为包含现在或在将来任何时候可以获得或已知的惯用的、传统的、常规的、或标准的技术。

同样地，用连词“和”相连的一组项目不应当理解为要求存在于分组中那些项目的每一个，但是除非另外明确地陈述，否则应当理解为“和/或”。类似地，与连词“或”相连的一组项目不应当理解为要求在该分组中彼此排斥，但是除非另外明确地陈述，否则应当理解为“和/或”。此外，虽然本公开的项目、元件或组件可能以单数描述或要求保护，但是复数也包括在其范围内，除非明确地陈述限于单数。

如本文中使用，除非另外明确地陈述，否则“可(能)操作(用于)”意指能够被使用、安装、或准备好使用或服务、可用于特定目的、和能够执行本文中描述的陈述的或期望的功能。关于系统和设备，术语“可(能)操作(用于)”意指系统和/或设备是完全地功能化和被校准的，包括用于和满足可应用的操作要求的元件，以在激活时执行所陈述的功能。

图1示出本发明提供的水声矢量探测系统的校正系统的组成示意图。该校正系统包括空气声源1、功率放大器2、水声矢量探测系统3、三维转台4和空气声学校正平台5。其中，所述空气声学校正平台用于调整三维转台的角度，构造单目标多谐波宽带声音信号，驱动空气声源将所述单目标多谐波宽带声音信号发射给水声矢量探测系统，并基于水声矢量探测系统的方位估计结果对所述水声矢量探测系统进行校正。具体的是，空气声源1电性连接功率放大器2，功率放大器2电性连接空气声学校正平台5，空气声学校正平台5控制功率放大器2，使之驱动空气声源1发射声音信号。水声矢量探测系统3放置于三维转台4上，三维转台4电性连接于空气声学校正平台5，空气声学校正平台5可控制调节三维转台4相对于空气声源1的角度，即调节水声矢量探测系统3相对于空气声源1的角度。水声矢量探测系统3与三维转台4的连接方式，可以是固定连接、卡接或其他可使水声矢量探测系统3与三维转台4保持相对静止的连接方式。水声矢量探测系统3电性连接于空气声学校正平台5，水声矢量探测系统3接收空气声源1的声音信号进行处理后，传送至空气声学校正平台5，空气声学校正平台5进行校正处理。在一实施例中，空气声源1、水声矢量探测系统3和三维转台4设置于消声室或半消声室内，可以有效消除多途效应对水声矢量探测系统接收空气声学信号的影响。

图2示出本发明提供的水声矢量探测系统的空气声学校正方法的流程图。该水声矢量探测系统的空气声学校正方法，利用上述校正系统实现，步骤如下：

⑴利用空气声学校正平台设置空气声源参数和三维转台参数。

空气声源参数包括：空气声源的谐波个数N_harm，第ii个谐波的频率f_ii，第ii个谐波的幅度系数A_ii和第ii个谐波的初相

其中，ii＝1，2，3......N_harm。

三维转台参数包括：三维转台的水平角度θ_jj和俯仰角度

jj＝1，2，3......N_azi，kk＝1，2，3......N_pit，水平角度个数N_azi和俯仰角度个数N_pit，三维转台的设置角度组数N＝N_azi*N_pit。

⑵基于步骤⑴中设置的所述空气声源参数，构造单目标多谐波宽带声音信号。

单目标多谐波宽带声音信号Sig_emit的公式为：

其中，N_harm为单目标多谐波宽带声音信号的谐波个数，f_ii为第ii个谐波的频率，A_ii为第ii个谐波的幅度系数，

为第ii个谐波的初相，ii＝1，2，3......N_harm。

图3、4示出本发明提供的水声矢量探测系统的空气声学校正方法的一实施例的单目标多谐波宽带声音信号的声音信号示意图和声音频谱图。采用单目标多谐波宽带声音信号通过一次性的发出多个谐波信号，避免了采集多次信号的麻烦，满足了校正的时间效率要求。

⑶基于三维转台参数，调整三维转台的角度至N组角度中的一组。

三维转台的角度包括水平角度θ_jj和俯仰角度

jj＝1，2，3......N_azi，kk＝1，2，3......N_pit，N＝N_azi*N_pit。

图5示出本发明提供的水声矢量探测系统的空气声学校正方法的一实施例的三维转台的水平角度和俯仰角度的示意图。空气声学校正平台控制三维转台调整相对于空气声源S₀的角度至水平角度为θ_jj，俯仰角度为

r为水声矢量探测系统到空气声源S₀的距离，S₀’为空气声源S₀在XY坐标系中的投影。

⑷空气声学校正平台控制功率放大器，驱动空气声源向三维转台上的水声矢量探测系统发射单目标多谐波宽带声音信号。

具体的是，空气声源应具有高保真能力，并且空气声源已经利用空气声传感器进行过校准，因此，空气声学校正平台可控制功率放大器驱动空气声源，发出需要声源级的单目标多谐波宽带声音信号给水声矢量探测系统。

⑸水声矢量探测系统接收所述单目标多谐波宽带声音信号后进行处理，并将方位估计结果传输至所述空气声学校正平台。

在空气声学和水声学中除了声速和密度不同外，两者的参考声压也不同(空气声学中的参考声压为1upa，而水声学中的参考声压为20upa)。水声矢量探测系统在10Hz～5kHz频率范围内具有有效接收空气声学信号的能力，并可以将空气声学声源级换算到水声声源级中，以实现采用空气声学校正方法对水声矢量探测系统进行校正。

空气声学校正方法在消声室或半消声室中进行，可以有效消除多途效应对水声矢量探测系统接收空气声学信号的影响。

⑹空气声学校正平台根据步骤⑶中设置的三维转台的角度与步骤⑸中的方位估计结果，对水声矢量探测系统进行校正。

具体的是，空气声学校正平台获得的方位估计结果为

依据方位估计结果

与步骤⑶中设置的三维转台的角度

的对比进行校正。其中，f_ii为单目标多谐波宽带声音信号的第ii个谐波的频率，ii＝1，2，3......N_harm，

为三维转台的估计水平角度，

为三维转台的估计俯仰角度，θ_jj为三维转台的设置水平角度，

为三维转台的设置俯仰角度，jj＝1，2，3......N_azi，kk＝1，2，3......N_pit。

⑺判断所述三维转台的N组角度对应的方位估计结果是否全部校正完毕。

如未全部校正完毕，返回至步骤⑶，调整三维转台的角度至N组角度中的下一组，继续处理。如全部校正完毕，校正工作结束。

例如，三维转台的第jj组水平角度θ_jj和第kk组俯仰角度

情况校正完毕后，判断是否全部N组角度情况处理完毕。若没有全部处理完毕，则将三维转台的角度调整至下一组角度，并重复步骤3-7。若全部N组角度情况处理完毕，则校正工作结束。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，并非用来限定本发明的实施范围。但凡在本发明的保护范围内所做的等效变化及修饰，皆应认为落入了本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种水声矢量探测系统的校正系统，其特征在于，该校正系统包括空气声源、功率放大器、水声矢量探测系统、三维转台和空气声学校正平台；所述空气声源电性连接所述功率放大器，所述功率放大器电性连接所述空气声学校正平台；所述水声矢量探测系统放置于所述三维转台上，所述三维转台电性连接于所述空气声学校正平台；所述水声矢量探测系统电性连接于所述空气声学校正平台；

其中，所述空气声学校正平台用于调整三维转台的角度，构造单目标多谐波宽带声音信号，驱动空气声源将所述单目标多谐波宽带声音信号发射给水声矢量探测系统，并基于水声矢量探测系统的方位估计结果与所述三维转台的角度的对比对所述水声矢量探测系统进行校正。

2.根据权利要求1所述的一种水声矢量探测系统的校正系统，其特征在于，所述空气声源、所述水声矢量探测系统和所述三维转台设置于消声室或半消声室内。

3.一种水声矢量探测系统的空气声学校正方法，利用权利要求1或2所述的校正系统实现，其特征在于，步骤如下：

⑴利用空气声学校正平台设置空气声源参数和三维转台参数；

⑵基于步骤⑴中设置的所述空气声源参数，构造单目标多谐波宽带声音信号；

⑶基于三维转台参数，调整三维转台的角度至N组角度中的一组；

⑷所述空气声学校正平台控制功率放大器，驱动空气声源发射单目标多谐波宽带声音信号；

⑸水声矢量探测系统接收所述单目标多谐波宽带声音信号后进行处理，并将方位估计结果传输至所述空气声学校正平台；

⑹所述空气声学校正平台根据步骤⑶中设置的所述三维转台的角度与步骤⑸中的所述方位估计结果的对比，对所述水声矢量探测系统进行校正；

⑺判断所述三维转台的N组角度对应的方位估计结果是否全部校正完毕；

如未全部校正完毕，返回至步骤⑶，调整三维转台的角度至N组角度中的下一组，继续处理；

如全部校正完毕，校正工作结束。

4.根据权利要求3所述的一种水声矢量探测系统的空气声学校正方法，其特征在于，所述步骤⑴中，所述空气声源参数包括：空气声源的谐波个数N_harm，第ii个谐波的频率f_ii，第ii个谐波的幅度系数A_ii和第ii个谐波的初相

其中，ii＝1，2，3......N_harm。

5.根据权利要求3所述的一种水声矢量探测系统的空气声学校正方法，其特征在于，所述步骤⑴中，所述三维转台参数包括：水平角度θ_jj和俯仰角度

jj＝1，2，3......N_azi，kk＝1，2，3......N_pit，水平角度个数N_azi和俯仰角度个数N_pit，N＝N_azi*N_pit。

6.根据权利要求3所述的一种水声矢量探测系统的空气声学校正方法，其特征在于，所述步骤⑵中，所述单目标多谐波宽带声音信号Sig_emit的公式为：

其中，N_harm为单目标多谐波宽带声音信号的谐波个数，f_ii为第ii个谐波的频率，A_ii为第ii个谐波的幅度系数，

为第ii个谐波的初相，ii＝1，2，3......N_harm。

7.根据权利要求3所述的一种水声矢量探测系统的空气声学校正方法，其特征在于，所述步骤⑶中，所述三维转台的角度包括水平角度θ_jj和俯仰角度

jj＝1，2，3......N_azi，kk＝1，2，3......N_pit，N＝N_azi*N_pit。

8.根据权利要求3所述的一种水声矢量探测系统的空气声学校正方法，其特征在于，该校正方法在消声室或半消声室中进行。

9.根据权利要求3所述的一种水声矢量探测系统的空气声学校正方法，其特征在于，所述步骤⑹中，所述空气声学校正平台获得所述方位估计结果

依据所述方位估计结果

与步骤⑶中设置的三维转台的角度

的对比进行校正；其中，f_ii为单目标多谐波宽带声音信号的第ii个谐波的频率，ii＝1，2，3......N_harm，

为三维转台的估计水平角度，

为三维转台的估计俯仰角度，θ_jj为三维转台的水平角度，

为三维转台的俯仰角度，jj＝1，2，3......N_azi，kk＝1，2，3......N_pit。

10.根据权利要求3所述的一种水声矢量探测系统的空气声学校正方法，其特征在于，所述步骤⑷中，在功率放大器驱动空气声源前，利用空气声传感器对空气声源进行校准。

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