CN112433194A - 一种被动声纳浮标多通道信号间的幅度相位误差补偿方法 - Google Patents

一种被动声纳浮标多通道信号间的幅度相位误差补偿方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种被动声纳浮标多通道信号间的幅度相位误差补偿方法，首先对被动声呐浮标阵元接收到的信号进行滤波和放大，再计算信号的幅度均方根和相位均方根，找到偏离幅度均方根和相位均方根最远的通道，然后计算除最远通道外其余通道的幅度均方根和相位均方根，最后用新计算的幅度均方根和相位均方根代替原来的幅度和相位，重复以上过程，直到幅度方差和相位方差达到设定精度，完成幅度相位误差补偿。本发明能够降低被动声纳浮标的多通道接收信号之间由电路设计及器件不一致性引起的幅度和相位误差，实现更精准的方向估计的目的。

Description

一种被动声纳浮标多通道信号间的幅度相位误差补偿方法
技术领域
本发明属于信号处理技术领域，具体涉及一种信号补偿方法。
背景技术
被动声纳浮标的工作原理是利用多个阵元接收到的水下目标信号之间的偏差对比，实现对目标的探测、识别、定位等功能。这些信号主要包括幅度，相位和频率等参数，其偏差主要有两部分构成：一部分是由阵元位置引起的相位偏差，其大小与阵元间距和工作频率等参数有关，浮标的后端信号处理主要依靠该偏差完成目标的探测和定位；另一部分是由前置放大器信号处理电路中，器件(如电阻值电容值的波动等)的不一致性引起的幅度和相位误差，其大小受到器件特性、工作频率和工作温度等因素的影响，该误差会干扰后端信号处理的结果。
目前有关声纳浮标多通道信号的幅度相位一致性的研究较少，张立琛等人在《高一致性低噪声多路水声信号预处理设计方法》一文中设计了一种新型多级放大滤波的预处理电路，代明清等人在《多通道声纳信号预处理系统设计》一文中设计了一种通过CPLD控制滤波带宽的多通道信号处理系统，以上研究均未考虑器件的不一致性对不同通道之间造成的幅相误差问题。胡柱喜等在《斜距测量浮标定位中的测距误差修正》一文中提出了在浮标内安装晶体振荡器以提高测量精度的方法，但该方法属于机械补偿方法，且主要针对主动声呐浮标有效。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种被动声纳浮标多通道信号间的幅度相位误差补偿方法，首先对被动声呐浮标阵元接收到的信号进行滤波和放大，再计算信号的幅度均方根和相位均方根，找到偏离幅度均方根和相位均方根最远的通道，然后计算除最远通道外其余通道的幅度均方根和相位均方根，最后用新计算的幅度均方根和相位均方根代替原来的幅度和相位，重复以上过程，直到幅度方差和相位方差达到设定精度，完成幅度相位误差补偿。本发明能够降低被动声纳浮标的多通道接收信号之间由电路设计及器件不一致性引起的幅度和相位误差，实现更精准的方向估计的目的。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：
步骤1：假设目标发送的信号为正弦信号，记为
Figure BDA0002766558090000021
A为信号幅度，ω为信号频率，
Figure BDA0002766558090000022
为信号相位；被动声呐浮标包含k个阵元；
步骤2：将每个阵元接收到的信号输入预处理系统，进行滤波和放大后形成k个通道输出信号，记为
Figure BDA0002766558090000023
i为通道数，i＝1,2,…,k，Ai为第i个通道输出信号的幅度，
Figure BDA0002766558090000024
为第i个通道输出信号的相位，每个通道对应一个阵元；
步骤3：计算：
幅度均方根
Figure BDA0002766558090000025
幅度方差
Figure BDA0002766558090000026
相位均方根
Figure BDA0002766558090000027
Figure BDA0002766558090000028
相位方差
Figure BDA0002766558090000029
其中
Figure BDA00027665580900000210
步骤4：计算Aib＝MAX{abs(Ai-ARMS)}和
Figure BDA00027665580900000211
ib∈{1,2,…,k}，ic∈{1,2,…,k}，得到第ib个通道输出信号幅度与幅度均方根差值最大，第ic个通道输出信号相位与相位均方根差值最大；
步骤5：按步骤3的方法计算除第ib个通道之外其余k-1个通道输出信号的幅度均方根ARMSb，计算除第ic个通道之外其余k-1个通道输出信号的相位均方根
Figure BDA00027665580900000212
步骤6：令Aib等于ARMSb，
Figure BDA00027665580900000213
等于
Figure BDA00027665580900000214
得到
Figure BDA00027665580900000215
步骤7：重复步骤3到步骤6，直到幅度方差的精度和相位方差的精度达到设定精度，完成幅度相位误差补偿。
由于采用了本发明的一种被动声纳浮标多通道信号间的幅度相位误差补偿方法，能够降低被动声纳浮标的多通道接收信号之间由电路设计及器件不一致性引起的幅度和相位误差；通过提前将各通道幅度相位补偿到实测信号，降低各通道间幅度相位差的方差，提升整体差异指标，从而达到减小相位误差对方向估计结果的影响，实现更精准的方向估计的目的。
附图说明
图1为本发明幅度相位误差补偿方法示意图。
图2为本发明被动声呐浮标接收信号示意图。
图3为本发明理想阵元间距产生的波束图。
图4为本发明第一组给阵元间距插入随机数后形成的波束图及对应的随机数组。
图5为本发明第二组给阵元间距插入随机数后形成的波束图及对应的随机数组。
图6是本发明实施例5个通道输出信号波形图。
图7是本发明实施例5个通道输出信号波形拟合仿真图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
如图1所示，一种被动声纳浮标多通道信号间的幅度相位误差补偿方法，包括以下步骤：
步骤1：假设目标发送的信号为正弦信号，记为
Figure BDA0002766558090000031
A为信号幅度，ω为信号频率，
Figure BDA0002766558090000032
为信号相位；被动声呐浮标包含k个阵元；
步骤2：将每个阵元接收到的信号输入预处理系统，进行滤波和放大后形成k个通道输出信号，记为
Figure BDA0002766558090000033
i为通道数，i＝1,2,…,k，Ai为第i个通道输出信号的幅度，
Figure BDA0002766558090000034
为第i个通道输出信号的相位，每个通道对应一个阵元；信号的采集分析过程可以由示波器和上位机的Matlab仿真完成，在示波器中采集整屏的接收信号数据，存储为csv文件，导入Matlab并拟合出表达式
Figure BDA0002766558090000035
Ak为拟合后信号幅度，ω为信号频率，
Figure BDA0002766558090000036
为拟合后信号相位；
步骤3：计算：
幅度均方根
Figure BDA0002766558090000037
幅度方差
Figure BDA0002766558090000038
相位均方根
Figure BDA0002766558090000039
相位方差
Figure BDA00027665580900000310
其中
Figure BDA00027665580900000311
步骤4：计算Aib＝MAX{abs(Ai-ARMS)}和
Figure BDA00027665580900000312
ib∈{1,2,…,k}，ic∈{1,2,…,k}，得到第ib个通道输出信号幅度与幅度均方根差值最大，第ic个通道输出信号相位与相位均方根差值最大；
步骤5：按步骤3的方法计算除第ib个通道之外其余k-1个通道输出信号的幅度均方根ARMSb，计算除第ic个通道之外其余k-1个通道输出信号的相位均方根
Figure BDA00027665580900000313
步骤6：令Aib等于ARMSb，
Figure BDA00027665580900000314
等于
Figure BDA00027665580900000315
得到
Figure BDA00027665580900000316
步骤7：重复步骤3到步骤6，直到幅度方差的精度和相位方差的精度达到设定精度，完成幅度相位误差补偿。
具体实施例：
如图2所示，以均匀线阵的相位差为例，每个阵元接收到的远场声信号视为来波方向α(°)相等，即∠FBC＝α(°)。均匀线阵的阵元间距AB＝BC＝CD＝DE＝d(m)。已知，CF所在直线为波阵面(即CF⊥BF)，则相邻阵元接收信号的声程差BF(m)＝dcosα＝cτ，其中c(m/s)为水下声速，τ(s)为来波时间差。理想情况下只需在信号预处理输出端测得相邻通道的相位差
Figure BDA0002766558090000041
根据
Figure BDA0002766558090000042
可得，相位差
Figure BDA0002766558090000043
的弧度值即为来波时间差τ。则理想情况下的来波方向
Figure BDA0002766558090000044
实际测量中，由于误差在信号处理端输出的相位差为
Figure BDA0002766558090000045
其中
Figure BDA0002766558090000046
即为电路器件不一致性引起的额外偏差，该偏差会导致一个错误的来波方向估计，即
Figure BDA0002766558090000047
为尽可能避免上述错误，本发明利用工业器件(如电阻、电容和运放等)对不同频率的信号的延迟衰减，在一定温度环境下相对稳定的原理，对已有的电路设计，在工作温度范围内，测量不同频率的一致性误差，作为工作中的补偿依据。
使用常规波束形成算法，以16元均匀直线阵为例，一般情况下阵元间距d(m)为半波长，来波方向设置为20°。给阵元间距依次插入一个随机数(该随机数服从期望为0，方差为0.01的正态分布)，以此来模拟实际测量中可能出现的系统误差。
图3是理想阵元间距产生的波束图，图4和图5是给阵元间距插入随机数后形成的波束图及对应的随机数组。可以看出在受到系统误差影响的情况下，会出现错误的来波方向估计结果，或者完全无法估计来波方向。本发明的效果能够通过提前将各通道
Figure BDA0002766558090000048
补偿到实测信号，降低各通道间幅度相位差的方差，提升整体差异指标，从而达到减小
Figure BDA0002766558090000049
对方向估计结果的影响，实现更精准的方向估计等目的。
如图1，远场入射信号波阵面视为等距平面，由声纳浮标均匀直线阵接收后进入预处理电路。从信号发生器中产生一个标准正弦信号输入预处理电路，经过示波器采集输出波形数据后，在上位机中拟合分析并记录幅度相位差值，用该差值对待测信号进行补偿，并进行后续处理。
图6是使用信号发生器产生的标准正弦信号，幅度0.5V，频率3kHz(ω＝2πf≈18850rad/s)，通过浮标预处理电路后从5个通道分别采集的波形数据。可以看出幅度上出现了明显偏差，相位上偏差不大。
使用matlab中的cftool函数拟合工具对五个通道的输出信号进行拟合，得到的正弦波近似函数如图7所示。
从图6可以看出，五通道的输出信号分别为s1＝0.5258sin(18825t+0.0816)，s2＝0.4978sin(18825t+0.08236)，s3＝0.5057sin(18825t+0.08225)，s4＝0.5153sin(18825t+0.05675)，s1＝0.5023sin(18825t+0.08798)。
可以计算其幅度均方根为0.509479V，方差为0.000126；初相位均方根值为0.078953°，方差为0.00015。因此这里需要对第一路的幅度和第四路的相位进行补偿。表1为补偿前各通道参数：
表1补偿前各通道参数
Figure BDA0002766558090000051
补偿方法为去掉待补偿通道的数值后再次计算均方根值，以新的均方根值作为补偿标准，则补偿值分别为A’＝A2345-A1＝0.505316-0.5258＝-0.020484V，
Figure BDA0002766558090000052
Figure BDA0002766558090000053
补偿后，新的输出信号应为s1’＝0.505316sin(18825t+0.0816)和s4’＝0.5153sin(18825t+0.083587)，此时幅度均方根值为0.505316V，方差为4.14×10-5，初相位均方根值为0.083587°，方差为6.63×10-6。表2为第一次补偿后各通道参数。
表2第一次补偿后各通道参数
Figure BDA0002766558090000061
由上述过程可见，通道间方差较大时，一轮补偿即可将方差降低一个数量级。若需要更精确的指标，可以在此基础上选择另一路偏离均方根值最大的通道，进行第二轮补偿，从而得到更小的方差和更整齐的整体测量值。

Claims (1)

1.一种被动声纳浮标多通道信号间的幅度相位误差补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：假设目标发送的信号为正弦信号，记为
Figure FDA0002766558080000011
A为信号幅度，ω为信号频率，
Figure FDA0002766558080000012
为信号相位；被动声呐浮标包含k个阵元；
步骤2：将每个阵元接收到的信号输入预处理系统，进行滤波和放大后形成k个通道输出信号，记为
Figure FDA0002766558080000013
i为通道数，i＝1,2,…,k，Ai为第i个通道输出信号的幅度，
Figure FDA0002766558080000014
为第i个通道输出信号的相位，每个通道对应一个阵元；
步骤3：计算：
幅度均方根
Figure FDA0002766558080000015
幅度方差
Figure FDA0002766558080000016
相位均方根
Figure FDA0002766558080000017
Figure FDA0002766558080000018
相位方差
Figure FDA0002766558080000019
其中
Figure FDA00027665580800000110
步骤4：计算Aib＝MAX{abs(Ai-ARMS)}和
Figure FDA00027665580800000111
ib∈{1,2,…,k}，ic∈{1,2,…,k}，得到第ib个通道输出信号幅度与幅度均方根差值最大，第ic个通道输出信号相位与相位均方根差值最大；
步骤5：按步骤3的方法计算除第ib个通道之外其余k-1个通道输出信号的幅度均方根ARMSb，计算除第ic个通道之外其余k-1个通道输出信号的相位均方根
Figure FDA00027665580800000112
步骤6：令Aib等于ARMSb，
Figure FDA00027665580800000113
等于
Figure FDA00027665580800000114
得到
Figure FDA00027665580800000115
步骤7：重复步骤3到步骤6，直到幅度方差的精度和相位方差的精度达到设定精度，完成幅度相位误差补偿。
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4323988A (en) * 1966-04-19 1982-04-06 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Sonobuoy system
CN105681770A (zh) * 2016-03-17 2016-06-15 天津超智海洋科技有限公司 一种多dsp声呐信号并行处理系统
CN110703234A (zh) * 2019-10-29 2020-01-17 杭州瑞利海洋装备有限公司 一种三维摄像声纳阵列信号接收机幅相校正装置及方法
CN111665469A (zh) * 2020-06-11 2020-09-15 浙江大学 一种基于空间时频分布的水下多径信号参数估计方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4323988A (en) * 1966-04-19 1982-04-06 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Sonobuoy system
CN105681770A (zh) * 2016-03-17 2016-06-15 天津超智海洋科技有限公司 一种多dsp声呐信号并行处理系统
CN110703234A (zh) * 2019-10-29 2020-01-17 杭州瑞利海洋装备有限公司 一种三维摄像声纳阵列信号接收机幅相校正装置及方法
CN111665469A (zh) * 2020-06-11 2020-09-15 浙江大学 一种基于空间时频分布的水下多径信号参数估计方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
陈发;李永胜;吕林夏;: "多通道声呐接收机幅度相位误差补偿方案", 鱼雷技术, no. 05, 15 October 2015 (2015-10-15) *

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