CN112578370B - 一种远场目标强度的近场测试方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种远场目标强度的近场测试方法，包括：设置收发合置阵列；将待测目标放置于发射阵列的近场位置S处；通过空间相对位置，计算获取发射阵列各个发射元与区域S的格林函数G，根据格林函数G获取到参数q；使用参数q修正各个发射阵元的发射权系数，在区域S内激发出平面波场；通过接收阵列接收待测目标的辐射声信号；使用参数q对接收阵列的各路信号做加权，最终得到目标远场的测试结果。本发明方法在目标和阵列的近场测试得到目标强度，突破了目标强度测量中的“两个远场”条件限制，在目标的近场测试，可以保障目标的入射声强度，获得足够强度的回声信号，保证回声——噪声比，从而提高了计量的精度。

Description

一种远场目标强度的近场测试方法
技术领域
本发明属于水声计量领域，涉及目标强度测试技术，具体涉及一种远场目标强度的近场测试方法。
背景技术
目标声散射试验研究具有明确的应用背景和重要的学术意义。工程上，目标回声是主动声呐工作的基础。作为重要的声呐参数，目标强度决定声呐的探测性能，回声特征决定主动声呐的识别能力。学术上，散射涉及流固界面上的所有波动现象。通过声散射的试验能够揭示弹性体内各种类型波的激发、传播和再辐射，搞清楚周围流体与弹性体的相互作用等一些基础性问题。而且理论的正确性、计算方法和数值预报的精度等都要通过试验研究来检验。
现有的目标回声测试需要满足两个远场条件：目标处于声源的远场位置；回声测试处于目标辐射声的远场位置。
但是现有的测试方法存在目标回声-噪声比与目标的远场测试距离无法兼顾的问题。距离远了目标回声弱，难以观测到，距离近了满足不了远场条件。
所以，需要一个新的技术方案来解决这个问题。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，提供一种远场目标强度的近场测试方法，其能够突破目标强度测试中的“两个远场条件”，在近场实现对目标强度测试，减少测试空间尺度需求，提高信号——噪声比，提升目标强度计量结果的精度，降低不确定度。
技术方案：为实现上述目的，本发明提供一种远场目标强度的近场测试方法，包括如下步骤：
S1：设置收发合置阵列，收发合置阵列包括发射阵列和接收阵列；
S2：将待测目标放置于发射阵列的近场位置S处；
S3：通过空间相对位置，计算获取发射阵列各个发射元与区域S的格林函数G，根据格林函数G获取到参数q；
S4：使用参数q修正各个发射阵元的发射权系数，在区域S内激发出平面波场；
S5：通过接收阵列接收待测目标的辐射声信号；
S6：使用参数q对接收阵列的各路信号做加权，最终得到目标远场的测试结果。
进一步地，所述步骤S1中收发合置阵列集成在收发合置换能器内。
进一步地，所述步骤S3中参数q的表达式如下：
其中，GT表示对距阵G求共轭转置，B为S区域的平面波分布。
进一步地，所述步骤S3中格林函数G按照点声源的球面波扩展规律求得。
进一步地，所述步骤S4中发射权系数的修正方法为：q是一个复数距阵，q的模表示对发射信号的幅度修正，q的相位表示对发射信号的相位修正。
进一步地，所述步骤S4中在区域S内激发出平面波场的过程为：可以在声场加反馈，使得激发出的信号呈平面波。具体可以通过探测声波，获得每个阵元与目标区域的响应，然后通过最小二乘法，求解每个发射阵元的权系数，发射阵元按照整个权系数在目标区域激发出平面波。
进一步地，所述步骤S6中使用参数q对接收阵列的各路信号做加权的过程为：q是一个复数距阵，q的模表示对接收信号的幅度修正，q的相位表示对接收信号的相位修正，每个阵元对应q修正后，叠加起来，最后得到一路信号。
进一步地，所述步骤S6中得到加权后的各路信号后，类似声场互易定理，能够将远场的结果映射到近场，得到目标远场的测试结果。
有益效果：本发明与现有技术相比，可在目标和阵列的近场测试得到目标强度，突破了目标强度测量中的“两个远场”条件限制，在目标的近场测试，可以保障目标的入射声强度，获得足够强度的回声信号，保证回声——噪声比，从而提高了目标强度计量的精度。
附图说明
图1为本发明近场测试方法的流程示意图；
图2为本发明的测试布置示意图；
图3为垂直阵自然的声场分布图；
图4为垂直阵自然的声场在水平距离30m处的分布图；
图5为本发明方法的声场分布图；
图6为本发明方法的声场在水平距离30m处的分布图；
图7为采用本发明方法时，目标表面所受到的声场照射起伏示意图；
图8为采用本发明方法得到的目标散射声场；
图9为本发明方法测试结果图；
图10为自由场方法的测试结果图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
如图1所示，本发明提供一种远场目标强度的近场测试方法，包括如下步骤：
S1：设置收发合置阵列，收发合置阵列包括发射阵列和接收阵列。如图2左侧所示，本实施例中收发合置阵列采用20元收发合置换能器组成的垂直收发阵列，每个收发合置换能器具备发射功能和接收功能，实现了发射阵列和接收阵列的合置。
S2：将待测目标放置于发射阵列的近场位置S处，如图2右侧所示。
S3：通过空间相对位置，计算获取发射阵列各个发射元与区域S的格林函数G，根据格林函数G获取到参数q；
理想情况下S区域的平面波分布为B，通过如公式1所示的最小二乘算法，得到参数q。
式中，GT表示对距阵G求共轭转置。
本实施例中q为1×20的复数距阵，取值分别为-0.7051+2.3990i，3.9938-0.0172i，2.8536+1.2752i，2.0856-0.7280i，3.9149-1.9762i，5.0521-1.2939i，4.4485-0.9287i，3.3999-2.0030i，2.8491-3.8558i，2.7881-5.0723i，2.7888-5.0635i，2.8533-3.8349i，3.4080-1.9871i，4.4543-0.9220i，5.0360-1.2949i，3.8891-1.9746i，2.0721-0.7194i，2.8572+1.2644i，3.9705-0.0472i，-0.6876+2.4014i。复数的幅度表示对信号的幅度调节，复数的相位表示对信号相位的调节。
S4：使用参数q修正各个发射阵元的发射权系数，在区域S内激发出平面波场；
本实施例中平面波场的声场分布如图5所示，图6所示是距离为30m处的截面，可以发现在目标区域声场分布为平坦。图3是垂直阵自然指向性，图4展示了垂直阵自然的声场在水平距离30m处的分布，对比可发现该方法可实现局域的平面波激发。同时，观察图7，可以发现目标所受到的入射声起伏很低，满足目标强度测量中的平面波入射条件。
S5：目标受到声场的激发，产生散射声场，具体如图8所示；
S6：通过收发合置阵列的接收阵列接收待测目标的辐射声信号，使用步骤S3获取的参数q对接收阵列的各路信号做加权，最终得到目标远场的测试结果。
本实施例中通过上述方法获取到如图9所示的测试结果图，为了验证本发明方法的有效性，将本发明方法的测试结果和采用自由场方法的测试结果(如图10所示)进行对比，图10的测试结果为理论测试结果，经过图9和图10比较，两者非常接近，验证了本发明方法测试结果的有效性，本发明方法具备极高的目标强度计量的精度。

Claims (6)

1.一种远场目标强度的近场测试方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1：设置收发合置阵列，收发合置阵列包括发射阵列和接收阵列；
S2：将待测目标放置于发射阵列的近场位置S处；
S3：通过空间相对位置，计算获取发射阵列各个发射元与区域S的格林函数G，根据格林函数G获取到参数q；
S4：使用参数q修正各个发射阵元的发射权系数，在区域S内激发出平面波场；
S5：通过接收阵列接收待测目标的辐射声信号；
S6：使用参数q对接收阵列的各路信号做加权，最终得到目标远场的测试结果；
所述步骤S3中参数q的表达式如下：
其中，GT表示对矩阵G求共轭转置，B为S区域的平面波分布。
2.根据权利要求1所述的一种远场目标强度的近场测试方法，其特征在于：所述步骤S1中收发合置阵列集成在收发合置换能器内。
3.根据权利要求1所述的一种远场目标强度的近场测试方法，其特征在于：所述步骤S3中格林函数G按照点声源的球面波扩展规律求得。
4.根据权利要求1所述的一种远场目标强度的近场测试方法，其特征在于：所述步骤S4中发射权系数的修正方法为：q是一个复数矩阵，q的模表示对发射信号的幅度修正，q的相位表示对发射信号的相位修正。
5.根据权利要求1所述的一种远场目标强度的近场测试方法，其特征在于：所述步骤S4中在区域S内激发出平面波场的过程为：通过探测声波，获得每个阵元与目标区域的响应，然后通过最小二乘法，求解每个发射阵元的权系数，发射阵元按照整个权系数在目标区域激发出平面波。
6.根据权利要求1所述的一种远场目标强度的近场测试方法，其特征在于：所述步骤S6中使用参数q对接收阵列的各路信号做加权的过程为：q是一个复数矩阵，q的模表示对接收信号的幅度修正，q的相位表示对接收信号的相位修正，每个阵元对应q修正后，叠加起来，最后得到一路信号。
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