CN112327280B - 一种水声均匀线阵阵元编号校正方法 - Google Patents

一种水声均匀线阵阵元编号校正方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种水声均匀线阵阵元编号校正方法，所述方法包括测试信号采集及存储流程、测试信号相位差测量与阵元编号校正方法流程，利用了相位差的周期特性，不涉及复杂的计算过程，仅仅通过相位差在旋转角度区域内的周期特性即可完成阵列阵元编号校正，实现成本低，校正方案较为简单；对于旋转角度的精度没有过于精确的要求，旋转的目的仅仅在于绘制足够完整的相位差曲线用于周期数测量，本发明所述方法具有较强的工程实用价值，对于水池旋转机构精确度要求较低。

Description

一种水声均匀线阵阵元编号校正方法
技术领域
本发明属于水声阵列校正技术领域，特别是涉及一种水声均匀线阵阵元编号校正方法。
背景技术
均匀线阵在主动声纳探测、被动声源定位、水声成像等水声声纳应用中发挥非常重要的作用。已知均匀线阵的阵列流型是完成上述任务最为重要的保障条件。在实际工程中，某些场景阵元编号未知(如阵元编号丢失或阵元接线人员安装失误等原因)，如果直接使用不准确的阵元编号进行相关任务处理，将导致阵列波束指向性图性能(-3dB波束宽度)下降甚至导致错误的结果。水声均匀阵列往往由非常多的阵元构成，一个M元均匀线阵存在
Figure BDA0002745844830000011
种可能，人工校正工作量巨大且校正结果不可靠。因而，如何对阵元编号未知的阵列进行快速校正成为亟待解决的一个重要问题。
发明内容
本发明目的是为了解决现有技术中的问题，提出一种水声均匀线阵阵元编号校正方法。本发明所述方法利用了相位差曲线的周期特性，解决了阵元编号校正的问题，对旋转角度的精度没有过于精确的要求，且实现成本低，校正方案较为简单。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明提出一种水声均匀线阵阵元编号校正方法，所述水声均匀线阵包括具有M个阵元的水声换能器基阵，相邻阵元间距为d，阵元编号均未知，所述方法包括以下步骤：
S1：测试信号采集及存储流程；
S2：测试信号相位差测量与阵元编号校正方法流程；
所述步骤S1具体为：
S11：回转机构旋转待测基阵流程：回转机构旋转待测水声换能器基阵；
S12：发射测试信号流程：在相对待测水声换能器基阵远场处某一固定位置设置一个声源，采用同步信号触发声源发射测试信号；
S13：接收测试信号流程：采用同步信号触发待测水声换能器基阵采集测试信号并进行存储；
S14：重复流程S11、S12和S13，实现来自不同入射角测试信号的采集，并存储相关的测试信号；
所述步骤S2具体为：
S21：由于采集的测试信号为实信号，首先对测试信号进行正交变换和低通滤波，得到复信号，进而得到各个阵元的相位；
S22：任意选取其中一个阵元作为参考阵元，测量其他各个阵元相对该参考阵元的相位差；
S23：重复步骤S21和S22，直到完成所有旋转角度所有阵元相位差的测量从而构成相位差矩阵Φ；
S24：依据步骤S23形成的相位差矩阵Φ，分别绘制各个阵元的相位差随旋转角度变化曲线，最后依据相位差的周期特性确定各个阵元的编号。
进一步地，所述相邻阵元间距d为波长的一半。
进一步地，在步骤S22中，某一个阵元相对参考阵元间距为M0d，M0取值为1,2,3……M-1，进而两个阵元相位差满足以下表达式：
Figure BDA0002745844830000025
在
Figure BDA0002745844830000021
区间内，
Figure BDA0002745844830000022
Figure BDA0002745844830000023
为整数，因而集合{n0}中由M0个元素构成；θ表示入射角度，
Figure BDA0002745844830000024
是两个阵元接收测试信号的相位差。
本发明有益效果如下：
1、利用了相位差的周期特性，不涉及复杂的计算过程，仅仅通过相位差在旋转角度区域内的周期特性即可完成阵列阵元编号校正，实现成本低，校正方案较为简单；
2、对于旋转角度的精度没有过于精确的要求，旋转的目的仅仅在于绘制足够完整的相位差曲线用于周期数测量，相比与之类似的有源阵列幅度、相位校准方法，要求待测基阵旋转角度近乎苛刻的精确，因为该旋转角度即为真实值。因而，本发明一种水声均匀线阵阵元编号校正方法具有更强的工程实用价值，对于水池旋转机构精确度要求较低。
附图说明
图1为本发明一种水声均匀线阵阵元编号校正方法整体原理框图。
图2为本发明一种水声均匀线阵阵元编号校正方法水池实验示意图。
图3为本发明一种水声均匀线阵阵元编号校正方法的待校准水声换能器基阵。
图4为本发明一种水声均匀线阵阵元编号校正方法第16通道水池实验实测相位差曲线示意图。
图5为本发明一种水声均匀线阵阵元编号校正方法第32通道水池实验实测相位差曲线示意图。
图6为本发明一种水声均匀线阵阵元编号校正方法数据拼接进行阵元编号校正前波束形成示意图。
图7为本发明一种水声均匀线阵阵元编号校正方法数据拼接进行阵元编号校正后波束形成示意图。
图8为本发明一种水声均匀线阵阵元编号校正方法进行阵元编号校正前水声均匀线阵指向性图。
图9为本发明一种水声均匀线阵阵元编号校正方法进行阵元编号校正后水声均匀线阵指向性图。
图10为本发明一种水声均匀线阵阵元编号校正方法进行阵元编号校正前后第30000个采样点波束形成输出示意图。
图中标号对应的部件名称如下：
1-测试信号采集及存储流程、2-测试信号相位差测量与阵元编号校正方法流程、10-回转机构旋转待测水声换能器基阵流程、11-发射测试信号流程、12-接收测试信号流程、13-重复流程(10、11和12)、20-正交变换、21-低通滤波、22-提取其他各个阵元相对参考阵元的相位差、23-依据相位差周期特性确定各个阵元的编号、30-待校准水声换能器基阵、31-声源、32-采集存储数据计算机、33-信号发生器、34-功率放大器、35-实验水池、36-实验水池水平面、37-行车转轴、40-同步信号、41-原始测试信号、42-功率放大测试信号、43-采集测试信号、50-水声换能器阵元。
具体实施方式
下面将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清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
如图1所示，本发明提出一种水声均匀线阵阵元编号校正方法，所述水声均匀线阵包括具有M个阵元的水声换能器基阵，相邻阵元间距为d，所述相邻阵元间距d为波长的一半。阵元编号均未知，所述方法包括以下步骤：
S1：测试信号采集及存储流程；
S2：测试信号相位差测量与阵元编号校正方法流程；
所述步骤S1具体为：
S11：回转机构旋转待测基阵流程：回转机构旋转待测水声换能器基阵；
S12：发射测试信号流程：在相对待测水声换能器基阵远场处某一固定位置设置一个声源，采用同步信号触发声源发射测试信号；
S13：接收测试信号流程：采用同步信号触发待测水声换能器基阵采集测试信号并进行存储；
S14：重复流程S11、S12和S13，实现来自不同入射角测试信号的采集，并存储相关的测试信号；
所述步骤S2具体为：
S21：由于采集的测试信号为实信号，首先对测试信号进行正交变换和低通滤波，得到复信号，进而得到各个阵元的相位；
S22：任意选取其中一个阵元作为参考阵元，测量其他各个阵元相对该参考阵元的相位差；
S23：重复步骤S21和S22，直到完成所有旋转角度所有阵元相位差的测量从而构成相位差矩阵Φ；
Figure BDA0002745844830000041
其中N为将待测旋转区域换分为旋转角度网格的网格数；
S24：依据步骤S23形成的相位差矩阵Φ，分别绘制各个阵元的相位差随旋转角度变化曲线，最后依据相位差的周期特性确定各个阵元的编号。
如图2所示，一种水声均匀线阵阵元编号校正方法的水池实验示意图，包括：30-待校准水声换能器基阵、31-声源、32-采集存储数据计算机、33-信号发生器、34-功率放大器、35-实验水池、36-实验水池水平面、37-行车转轴、40-同步信号、41-原始测试信号、42-功率放大测试信号、43-采集测试信号。
如图3所示，一种水声均匀线阵阵元编号校正方法的待校准水声换能器基阵，30-待校准水声换能器基阵由若干个50-水声换能器阵元构成。
本发明的工作原理是在相对待测水声换能器基阵远场处某一固定位置设置一个声源。待测水声换能器基阵旋转至某一角度，同步信号同时触发声源发射测试信号和计算机采集存储测试信号，重复上述步骤(旋转基阵、发射、采集存储测试信号)，直到完成所有旋转角度下所有阵元相位差的测量，构成相位差矩阵
Figure BDA0002745844830000042
其中N为将待测旋转区域换分为旋转角度网格的网格数；依据上述步骤形成的相位差矩阵Φ，分别绘制各个阵元的相位差随旋转角度变化曲线，最后依据相位差的周期特性确定各个阵元的编号。
实施例
待测水声换能器基阵由M通道等间距的水声换能器阵元构成，阵元间距为半波长，然而阵元编号未知，如图3所示。
利用待测水声换能器基阵的M阵元数据进行正交变换、低通滤波处理，选取其中一个阵元作为参考阵元，计算其他各个阵元相对该参考阵元的相位差。根据图3所示的待测水声换能器基阵结构，假设某一个阵元相对参考阵元间距为M0d，M0取值为1,2,3……M-1，进而两个阵元相位差满足以下表达式：
Figure BDA0002745844830000051
在
Figure BDA0002745844830000052
区间内，
Figure BDA0002745844830000053
Figure BDA0002745844830000054
为整数，因而集合{n0}中由M0个元素构成；θ表示入射角度，
Figure BDA0002745844830000055
是两个阵元接收测试信号的相位差。对于根据实际数据求出的相位差
Figure BDA0002745844830000056
数据形成的曲线，如图4所示，M0＝16，通过统计曲线上的周期数16，也即计算构成集合{n0}的元素个数M0＝16，同时M0对应于该水声换能器相对参考水声换能器的阵元编号16；同理如图5所示，M0＝32，通过统计曲线上的周期数32，也即计算构成集合{n0}的元素个数M0＝32，同时M0对应于该水声换能器相对参考水声换能器的阵元编号32，重复上述步骤，得到所有阵元相对参考水声换能器的阵元编号，至此，完成整个水声换能器阵列的编号校正。如图6、7分别为本发明一种水声均匀线阵阵元编号校正方法数据拼接进行阵元编号校正前和校正后的波束形成输出。进一步地，得到如图8、9为本发明一种水声均匀线阵阵元编号校正方法进行阵元编号校正前和校正后水声均匀线阵指向性图，校正前的-3dB波束宽度为8.2°，校正后的-3dB波束宽度为85.58°，可见校正后的波束指向性图具有更宽的波束宽度。如图10为本发明一种水声均匀线阵阵元编号校正方法进行阵元编号校正前后第30000个采样点波束形成输出，校正前的波束形成输出不能得到正确的回波响应，而校正后的波束形成输出能得到正确的回波响应。
以上对本发明所提出的一种水声均匀线阵阵元编号校正方法，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (3)

1.一种水声均匀线阵阵元编号校正方法，所述水声均匀线阵包括具有M个阵元的水声换能器基阵，相邻阵元间距为d，阵元编号均未知，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
S1：测试信号采集及存储流程；
S2：测试信号相位差测量与阵元编号校正方法流程；
所述步骤S1具体为：
S11：回转机构旋转待测基阵流程：回转机构旋转待测水声换能器基阵；
S12：发射测试信号流程：在相对待测水声换能器基阵远场处某一固定位置设置一个声源，采用同步信号触发声源发射测试信号；
S13：接收测试信号流程：采用同步信号触发待测水声换能器基阵采集测试信号并进行存储；
S14：重复流程S11、S12和S13，实现来自不同入射角测试信号的采集，并存储相关的测试信号；
所述步骤S2具体为：
S21：由于采集的测试信号为实信号，首先对测试信号进行正交变换和低通滤波，得到复信号，进而得到各个阵元的相位；
S22：任意选取其中一个阵元作为参考阵元，测量其他各个阵元相对该参考阵元的相位差；
S23：重复步骤S21和S22，直到完成所有旋转角度所有阵元相位差的测量从而构成相位差矩阵Φ；
S24：依据步骤S23形成的相位差矩阵Φ，分别绘制各个阵元的相位差随旋转角度变化曲线，最后依据相位差的周期特性确定各个阵元的编号。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述相邻阵元间距d为波长的一半。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：在步骤S22中，某一个阵元相对参考阵元间距为M0d，M0取值为1,2,3……M-1，进而两个阵元相位差满足以下表达式：
Figure FDA0002745844820000011
在
Figure FDA0002745844820000012
区间内，
Figure FDA0002745844820000013
Figure FDA0002745844820000014
为整数，因而集合{n0}中由M0个元素构成；θ表示入射角度，
Figure FDA0002745844820000015
是两个阵元接收测试信号的相位差。
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