CN112834623A - 一种基于压缩感知技术的声学覆盖层回声降低测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于压缩感知技术的声学覆盖层回声降低测量方法，该方法基于有限测试空间中声信道的稀疏特性，使用压缩感知技术处理宽频信号得到多径信道时延的准确估计，在此基础上利用最小二乘方法估计待测频点信号的试样反射波幅值，实现低频强混响条件下试样回波的提取及回声降低的准确测量。本发明实现低频、有限空间条件下，声学覆盖层大样回声降低测量中各吸声层反射回波与直达波的分离，进一步提高现有的声学覆盖层回声降低测量技术在低频段及多层壳体模型测试中测量结果的精度；可以有效减小测量误差、提升测量精度，同时简化了实验流程、减小了测量所需工作量。

Description

一种基于压缩感知技术的声学覆盖层回声降低测量方法

技术领域

水下声学覆盖层是水声工程中使用广泛且至关重要的水下部件，为评估声学覆盖层试样的回声降低性能，实验室条件下大件样品的回声降低测量是一个必不可少的环节，本发明涉及一种水下声学覆盖层大样回声降低的测量方法。

背景技术

声学覆盖层指敷设在水下部件上的专用功能声学材料与结构，主要由消声瓦、隔声瓦、抑振瓦、去耦瓦、阵列消音器等具有不同声学功能的系列产品综合组成的声学防护体系。声学覆盖层一方面可吸收主动探测声波，降低水下结构的声目标强度，另一方面可作为抑制结构自身辐射噪声的材料。

回声信号的强弱是衡量水下声学覆盖层吸声性能的重要指标。现有的声学覆盖层回声降低的测量方法包括空间傅里叶变换方法，宽带脉冲压缩法，时间反转聚焦方法、多通道空时逆滤波法等。有限空间环境下，混响及多径效应严重，无法实现平面波的精确分解，从而限制了空间傅里叶变换方法的应用；宽带脉冲压缩法可实现时域脉冲信号波形聚焦，但低频条件下，其单通道发射的特点导致指向性变差，衍射及混响干扰较严重；声学聚焦类方法为波导条件下的测试技术，直达波及试样回波中叠加了多径信息，与平面波测试技术存在差异。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于压缩感知技术的声学覆盖层回声降低测量方法。本发明首先利用压缩感知技术，初步估计出多径时延信息，继而在已有的时延信息基础上使用最小二乘方法估计直达波与声学覆盖层反射波响应幅值，从而达到分离目标信号与混响干扰噪声的效果。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于压缩感知技术的声学覆盖层回声降低测量方法，包括如下步骤：

1)信号设计、发射及采集：根据发射系统宽带性能及测试需要设计宽带发射信号，发射信号由信号发生器输出经功率放大后通过换能器发射，经过测试信道到达水听器，由数据采集系统采集接收信号；

2)多径时延值估计：依照步骤1)中发射信号设计，对宽带信号使用压缩感知时延估计算法进行处理，估计得到多径时延值，由于时延信息与信号频率无关，该信息可用于其他形式的信号回声降低测量；

3)试样回波幅度及回声降低测量值计算：基于步骤2)中估计的多径时延值作为先验信息，使用最小二乘法对待测量频点的信号进行多径信道冲击响应的幅值估计，估计得到多径幅值，其中直达波幅值为a_i,经声学覆盖层式样反射的回波信号a_r，回声降低的计算公式为：

其中，E_r表示回声降低值。

进一步地，所述步骤1)中，发射信号的设计：

根据发射系统宽带性能及测试需要设计宽带线性调频信号，该信号时域表达式为：

其中，f_c为中心频率，k为调频率，T_s为线性调频信号的持续时间，线性调频信号的带宽B＝k*T_s，待测频点f的信号时域表达式为：

进一步地，所述步骤2)中，多径时延值的估计方法：

对于接收信号中的宽带信号部分，取其采样得到的时域信号中M个点为向量y，M＜N，N为源信号向量的长度，向量y可以表示为：

y＝Dh (12)

其中，

为信道冲击响应h(t)的离散采样，矩阵

为源信号向量

循环移位构成的托普利兹矩阵：

式(12)是一个欠定的线性方程组，可以基于压缩感知方法，对其进行1-范数优化问题求解，重构出信道冲击相应向量h，目标函数为：

其中，

为信道冲击响应估计向量，σ为残差上界。

求解式(13)得到信道冲击响应估计向量

提取其中时延信息为：

Τ＝[τ₁,τ₂…τ_K] (14)

进一步地，所述步骤3)中，信道响应幅值的估计方法：

使用步骤2)估计的信号多径时延Τ结合最小二乘法进行信道冲激响应的幅值估计，目标函数为：

其中，

为频点f的信道冲击响应估计向量，向量y_f为频点f的接收信号，矩阵A的组成为：

其中，A为L×K维的矩阵，0为零向量，向量s_f为式(2)表示的信号的离散采样，信号频率为待测频点f，L为矩阵总长度，零向量长度τ_i为式(14)求解得到。

本发明的有益效果是：本发明利用有限测试空间中声信道的稀疏特性，使用压缩感知技术处理宽频信号得到多径信道时延的准确估计，联合最小二乘方法估计直达波与声学覆盖层试样反射波的响应幅值，达到在低频强混响条件下分离试样回波的效果，实现与广域平面波条件下理论计算结果的可比性。本发明实现低频、有限空间条件下，声学覆盖层大样回声降低测量中各吸声层反射回波与直达波的分离，进一步提高现有的声学覆盖层回声降低测量技术在低频段及多层壳体模型测试中测量结果的精度；可以有效减小测量误差、提升测量精度，同时简化了实验流程、减小了测量所需工作量。

附图说明

图1是本发明方法的测量系统整体示意图；

图2是压力罐环境下5mm厚钢板试样回声降低理论及测量试验结果对比图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

本发明一种基于压缩感知技术的声学覆盖层回声降低测量方法，根据发射系统宽带性能及测试需要设计宽带发射信号，采用压缩感知时延估计算法估计多径信道的时延，在此基础上对待测频点的信号利用最小二乘方法估计信道响应的幅值，从而实现试样回波的分离和幅度估计，用于有限空间声学覆盖层大样回声降低的测量。

参照图1，整套测量方法的技术方案如下：

1)信号设计、发射及采集：

根据发射系统宽带性能及测试需要设计宽带线性调频信号s，该信号时域表达式为：

其中，f_c为中心频率，k为调频率，T_s为线性调频信号的持续时间，线性调频信号的带宽B＝k*T_s，待测频点f的信号时域表达式为：

发射信号由信号发生器输出经功率放大后通过换能器发出，经多径测试信道，不同传播路径的信号最终在水听器处叠加，由数据采集系统采集接收信号；接收信号可表示为每个路径上信号的叠加：

其中，y(t)为接收信号，K为多径数目，r_i(t)为第i条路径上的信号，n_noise(t)为噪声信号。

假设第l条路径为声学覆盖层反射波的路径，则对于第l条路径上的信号r_l(t)，以符号R_l(ω)表示其频域信号，因声学覆盖层对于不同频率信号有不同的反射系数，所以对于声学覆盖层反射波这条路径上的宽带信号，频域上表示为：

其中，S(ω)为发射信号频谱，τ_l为第l条路径上的时延值，a_l(ω)为第l条路径上对应不同频率下的幅值响应，a_l(ω)恒大于零，取宽带信号频带中a_l(ω)最小的值为a_min，可以将式(4)表示为：

通过经验可以知道，在一定的带宽内，带宽声学覆盖层对于不同频点的回声降低的能力变化比较平稳，所以式(5)第二项

的能量相较于第一项

小，可以将式(5)的第二项归入残差，则式(5)可以表示为：

其中，N_l(ω)为残差信号频谱，式(6)的时域表达式为：

r_l(t)＝a_mins(t-τ_l)+n_l(t) (7)

其中，s(t)为发射信号，n_l(t)为N_l(ω)的时域信号，对于直达波与混响路径的信号r_i(t)，i≠l，视其为不同延时与幅值响应的发射信号：

r_i(t)＝a_is(t-τ_i),i≠l (8)

其中，a_i、τ_i分别为第i条路径上信道幅值响应与时延，结合式(7)、式(8)，接收信号可以表示为：

其中，a_l＝a_min，式(9)可以表示为：

其中，n(t)为第l条路径上的残差信号与噪声信号的叠加，即n(t)＝n_noise(t)+n_l(t)，h(t)为信道冲激响应，h(t)可以表示为：

其中，δ表示冲激函数。

2)多径时延值估计：

依照步骤1)中发射信号设计，对于接收信号中的宽带信号部分，取其采样得到的时域信号中M个点为向量y，M＜N，N为源信号向量的长度，根据式(10)，向量y可以表示为：

y＝Dh (12)

其中，

为信道冲激响应h(t)的离散采样，矩阵

为源信号向量

循环移位构成的托普利兹矩阵：

式(12)是一个欠定的线性方程组，可以基于压缩感知方法，对其进行1-范数优化问题求解，重构出信道冲激相应向量h，目标函数为：

其中，

为信道冲激响应估计向量，σ为残差上界；||||₁为1-范数，||||₂为2-范数。

求解式(13)中的问题是一个凸优化问题，可以求解得到信道冲激响应估计向量，向量包含幅值与时延两个维度的信息，但是由于式(13)中使用2-范数约束误差上界不能准确表达信号的稀疏性，且接收信号存在噪声，所以估计结果具有幅值估计不准确，时延估计准确的性质，所以单独使用压缩感知时延估计方法估计多径时延。由于时延信息与信号频率无关，该信息可用于其它形式的信号回声降低测量。

求解式(13)得到信道冲激响应估计向量

提取其中非零值的坐标得到时延信息为：

Τ＝[τ₁,τ₂…τ_K] (14)

其中，K表示多径数目。

3)试样回波幅度及回声降低测量值计算：

使用步骤2)估计的信号多径时延Τ作为先验信息，结合最小二乘法对待测量频点的信号进行多径信道冲激响应的多径幅值估计，目标函数为：

其中，

为待测频点f的信道冲激响应估计向量，向量y_f为待测频点f的接收信号，矩阵A的组成为：

其中，A为L×K维的矩阵，0为零向量，向量s_f为单频信号的离散采样，信号频率为待测频点f，L为矩阵总长度，零向量长度τ_i为式(14)求解得到。

求解式(15)可以得到估计的信道冲激响应向量

对于向量

其时延坐标上第一个值为直达波的归一化幅值a_i，按照物理场到达的先后顺序可以在找到试样反射波的归一化幅值a_r，则可通过下式计算得到试样回声降低值：

其中，E_r表示回声降低值，a_i为直达波幅值，a_r为经声学覆盖层式样反射的回波信号。

实例说明：为验证本发明在声学覆盖层回声降低测量中的有效性，实验室条件下开展了压力消声水罐环境下的试验验证。实验中发射阵与测试样品相距4.5m。测试试样为钢板，其几何尺寸为1.1m×1.0m×5mm，密度为7.84×10³kg/m³，声速5470m/s，水听器阵距离钢板表面约0.5m。该试验开展了1kHz-7kHz频率的回声降低数据采集和处理。由图2可知，测量结果与理论值基本一致，在2kHz-7kHz误差均小于1dB，可知本发明在声学覆盖层回声降低测量中具有有效性。图中显示低频处回声降低的测量误差略大，其原因主要是测量系统的发射换能器在低频区域性能下降较为明显，导致信号波形畸变，信噪比降低，从而影响测量结果。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (4)

1.一种基于压缩感知技术的声学覆盖层回声降低测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)信号设计、发射及采集：根据发射系统宽带性能及测试需要设计宽带发射信号，发射信号由信号发生器输出经功率放大后通过换能器发射，经过测试信道到达水听器，由数据采集系统采集接收信号；

2)多径时延值估计：依照步骤1)中发射信号设计，对宽带信号使用压缩感知时延估计算法进行处理，估计得到多径时延值，由于时延信息与信号频率无关，该信息可用于其他形式的信号回声降低测量；

3)试样回波幅度及回声降低测量值计算：基于步骤2)中估计的多径时延值作为先验信息，使用最小二乘法对待测量频点的信号进行多径信道冲击响应的幅值估计，估计得到多径幅值，其中直达波幅值为a_i,经声学覆盖层式样反射的回波信号a_r，回声降低的计算公式为：

其中，E_r表示回声降低值。

2.如权利要求1所述的一种基于压缩感知技术的声学覆盖层回声降低测量方法，其特征在于：所述步骤1)中，发射信号的设计：

根据发射系统宽带性能及测试需要设计宽带线性调频信号，该信号时域表达式为：

其中，f_c为中心频率，k为调频率，T_s为线性调频信号的持续时间，线性调频信号的带宽B＝k*T_s，待测频点f的信号时域表达式为：

s(t)＝e^j2πft-T_s/2≤t≤T_s/2 (2)

3.如权利要求2所述的一种基于压缩感知技术的声学覆盖层回声降低测量方法，其特征在于：所述步骤2)中，多径时延值的估计方法：

对于接收信号中的宽带信号部分，取其采样得到的时域信号中M个点为向量y，M＜N，N为源信号向量的长度，向量y可以表示为：

y＝Dh (12)

其中，

为信道冲击响应h(t)的离散采样，矩阵

为源信号向量

循环移位构成的托普利兹矩阵：

式(12)是一个欠定的线性方程组，可以基于压缩感知方法，对其进行1-范数优化问题求解，重构出信道冲击相应向量h，目标函数为：

其中，

为信道冲击响应估计向量，σ为残差上界。

求解式(13)得到信道冲击响应估计向量

提取其中时延信息为：

Τ＝[τ₁,τ₂…τ_K] (14)

4.如权利要求3所述的一种基于压缩感知技术的声学覆盖层回声降低测量方法，其特征在于：所述步骤3)中，信道响应幅值的估计方法：

使用步骤2)估计的信号多径时延Τ结合最小二乘法进行信道冲激响应的幅值估计，目标函数为：

其中，

为频点f的信道冲击响应估计向量，向量y_f为频点f的接收信号，矩阵A的组成为：

其中，A为L×K维的矩阵，0为零向量，向量s_f为式(2)表示的信号的离散采样，信号频率为待测频点f，L为矩阵总长度，零向量长度τ_i为式(14)求解得到。

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