CN114236518A - 一种模数分级测量的声纳基阵空间增益测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种模数分级测量的声纳基阵空间增益测量方法，增益测量方法中分解为阵元增益与指向性增益两级，分别用标准仪器组成的模拟测量系统与声纳接收单元的数字测量系统进行分级测量，两级增益求和即为声基阵空间增益，包括如下步骤：布置试验设备；阵元增益的测量；指向性增益的测量；空间增益，将获得的阵元增益与指向性增益相加，即为声基阵空间增益。本发明所述的增益测量方法，通过对声纳基阵空间增益组成的分解，分别采用模拟测量系统与数字测量系统对阵元增益、指向性增益进行测量，最后合成基阵总的空间增益，可避免直接测量输入、输出信噪比过程中，不同测量系统中滤波、放大、AD采集量化误差等条件的差异带来最终测量结果偏差。
Description
技术领域
本发明涉及水声测量技术领域，尤其是指一种模数分级测量的声纳基阵空间增益测量方法。
背景技术
声基阵空间增益概念是指声基阵多路接收信号经波束形成后输出波束信号的信噪比与该信号在空间自由场中信噪比(输入信噪比)之差。从概念中可见，若要测量声基阵空间增益，仅需获得输入信噪比与波束输出信噪比即可。但是，在当前主流声纳信息处理系统中，波束数据信噪比一般是由经过声纳自身接收系统放大、滤波、采集后的数字信号计算而得；对于自由场中空间输入信号信噪比而言，须利用无指向性换能器进行测量，而声基阵自身阵元一般是具有指向性的，此时需要采用标准水听器搭载配套声学测量设备进行测量。由此可见，输入、输出的测量需要两套不同的测量系统，而这两套测量系统一般无法做到完全相同，因此通过这种方法获得的空间增益存在偏差。
发明内容
为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中输入、输出的测量需要两套不同的测量系统无法做到完全相同，获得的空间增益存在偏差的问题，从而提供一种模数分级测量的声纳基阵空间增益测量方法。
为解决上述技术问题，本发明的一种模数分级测量的声纳基阵空间增益测量方法，所述的增益测量方法中分解为阵元增益与指向性增益两级，分别用标准仪器组成的模拟测量系统与声纳接收单元的数字测量系统进行分级测量，两级增益求和即为声基阵空间增益，包括如下步骤：
步骤S1：布置试验设备，使声基阵第i路阵元水平指向发射换能器，两者水平距离R满足远场测量条件，位同一水深H处，在距声基阵1m处布置相同深度的标准水听器，且通过声学发射装置与发射换能器连接，可发射中心频率为F的单频脉冲信号，即为待测信号；
步骤S2：利用模拟测量系统对阵元增益进行测量，首先发射换能器不发射，将标准水听器接入模拟测量系统，调节测量系统滤波频率及带宽，使待测信号频率位测量频带范围内，观察测量放大器表盘读数，计算得噪声级NL0；
步骤S3：完成噪声测量后，发射换能器开始发射指定声源级为SL的待测信号，计算到达声基阵处信号源级SL'1，再计算得阵元输入信噪比SNR1；
步骤S4：将第i路阵元信号接入模拟测量系统，按步骤2-3方法，分别测得阵元接收信号源级SL'2与阵元接收噪声级NL2，同样计算得阵元输出信噪比SNR2，最后可计算出阵元增益G1；
步骤S5：利用数字测量系统对指向性增益进行测量，首先将阵元信号接回原位，启动声纳接收处理程序，利用调试PC及声纳自身数字信号处理机组成数字测量系统，将第i路阵元数据以及与其指向相同的j路波束数据进行实时记录保存；
步骤S6：利用仿真分析工具，对保存的阵元数据与波束数据进行分析，对于取样截获的数据段xzy_n、xzy_s、xbs_n、xbs_n，计算各自的均方值σzy_n、σzy_s、σbs_n、σbs_s；
步骤S7：计算阵元数据信噪比SNR3与波束输出信噪比SNR4，再计算出指向性增益G2，将G1与G2相加，即可计算获得该声纳空间增益。
在本发明的一个实施例中，所述的试验设备采用的是圆柱形声基阵，其阵元结构为纵向振子，布阵频率为F，水平布置m元，垂直布置n元，水平预形成k路波束。
在本发明的一个实施例中，所述的模拟测量系统采用BK2636测量放大器、BK1617滤波器及示波器组成的微小信号接收测量系统。
在本发明的一个实施例中，所述的数字测量系统可直接使用声纳数字信号处理平台，通过调试PC对内部数据进行读取、记录，以离线处理方式进行分析计算。
在本发明的一个实施例中，所述步骤1中声学发射装置采用33521A函数发生器、BK2713仪表功放。
在本发明的一个实施例中，所述的步骤S6中均方值可反应接收数据的功率水平。
本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：本发明所述的增益测量方法，通过对声纳基阵空间增益组成的分解，分别采用模拟测量系统与数字测量系统对阵元增益、指向性增益进行测量，最后合成基阵总的空间增益，此方法可避免直接测量输入、输出信噪比过程中，不同测量系统中滤波、放大、AD采集量化误差等条件的差异带来最终测量结果偏差，且本发明方法可应用于在消声水池、湖泊等环境下，对各类声基阵的静态性能测量试验中。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明模数分级测量的声纳基阵空间增益测量方法的工作原理示意图；
图2是本发明所述试验设备布置图；
图3是本发明所述阵元数据与波束数据中噪声与信号取样示意图。
具体实施方式
如图1所示，本实施例提供一种模数分级测量的声纳基阵空间增益测量方法，所述的增益测量方法中分解为阵元增益与指向性增益两级，分别用标准仪器组成的模拟测量系统与声纳接收单元的数字测量系统进行分级测量，两级增益求和即为声基阵空间增益；
进一步地，声纳声基阵通过各路阵元接收水下空间信号，由于阵元存在加档或自身振动设计原理，其存在空间指向性，即单阵元接收入射信号时，其可获得一定的增益，本方法中该增益定义为阵元增益；多路阵元在空间按一定规则或指定坐标进行排布，通过软件算法对各路阵元接收信号进行移相、加权、求和处理，预形成接收波束，在该波束形成过程中，同样带来增益，本方法中该增益定义为指向性增益。
其中的阵元增益的测量，是通过仪表搭建的模拟测量系统对无指向性水听器接收信号、面向入射信号的阵元接收信号分别进行测量，获得输入信噪比SNR1与阵元输出信噪比SNR2，两者之差即为阵元增益；
其中的指向性增益的测量，是以声纳接收系统中的数字信号处理机作为数字测量系统，对经接收预处理后的阵元数字信号与波束形成后的波束数字信号分别进行测量，获得波束输入信噪比SNR1与波束输出信噪比SNR2，两者之差即为指向性增益；
其中的空间增益，将获得的阵元增益与指向性增益相加，即为声基阵空间增益。两级增益的测量均是利用各自相同的测量系统对输入、输出信号进行测量，具有相同的处理与滤波环境，可避免测量系统不一致带来的误差，分级测量再求和获得的空间增益较为准确。另外，由于处理增益为输入与输出信噪比的相对值，在同频带内其具有不变性，可设计有利于测量的发射信号进行试验，具有较高的可操作性。
包括如下步骤：
步骤S1：如图2所示，布置试验设备，使声基阵第i路阵元水平指向发射换能器，两者水平距离R满足远场测量条件，位同一水深H处，在距声基阵1m处布置相同深度的标准水听器，且通过声学发射装置与发射换能器连接，可发射中心频率为F的单频脉冲信号，即为待测信号；
步骤S2：利用模拟测量系统对阵元增益进行测量，首先发射换能器不发射，将标准水听器接入模拟测量系统，调节测量系统滤波频率及带宽，使待测信号频率位测量频带范围内，观察测量放大器表盘读数，根据式(1)计算得噪声级NL0：
式中：
Un为测量放大器读取的接收噪声电压有效值，单位：V；
M0为标准水听器在测量频段内的接收灵敏度，单位：dB；
F为待测信号频率，单位：Hz。
步骤S3：完成噪声测量后，发射换能器开始发射指定声源级为SL的待测信号，计算到达声基阵处信号源级SL'1，如式2，再计算得阵元输入信噪比SNR1，如式3：
SL'1＝SL-20lgR (2)
SNR1＝SL'1-NL1 (3)
式中，R表示发射换能器与声基阵水平距离，单位：m。
步骤S4：将第i路阵元信号接入模拟测量系统，按步骤2-3方法，分别测得阵元接收信号源级SL'2与阵元接收噪声级NL2，同样计算得阵元输出信噪比SNR2，最后可计算出阵元增益G1：
G1＝SNR2-SNR1 (4)
步骤S5：利用数字测量系统对指向性增益进行测量，首先将阵元信号接回原位，启动声纳接收处理程序，利用调试PC及声纳自身数字信号处理机组成数字测量系统，将第i路阵元数据以及与其指向相同的j路波束数据进行实时记录保存；
步骤S6：利用仿真分析工具，对保存的阵元数据与波束数据进行分析，对于数字化数据中噪声与信号的采集方式如下图3所示，对于取样截获的数据段xzy_n、xzy_s、xbs_n、xbs_n，计算各自的均方值σzy_n、σzy_s、σbs_n、σbs_s，根据式(5)：
步骤S7：根据式(6)计算阵元数据信噪比SNR3与波束输出信噪比SNR4，再根据式(7)计算出指向性增益G2，将G1与G2相加，即可计算获得该声纳空间增益：
G2＝SNR4-SNR3 (7)
而进一步地，当声纳声基阵为不规则形状，其空间增益在水平方向上分布可能不均匀，此时可划分主要工作扇面，分别开展测量。
所述的试验设备采用的是圆柱形声基阵，其阵元结构为纵向振子，布阵频率为F，水平布置m元，垂直布置n元，水平预形成k路波束。
所述的模拟测量系统采用BK2636测量放大器、BK1617滤波器及示波器组成的微小信号接收测量系统。
所述的数字测量系统可直接使用声纳数字信号处理平台，通过调试PC对内部数据进行读取、记录，以离线处理方式进行分析计算。
所述步骤1中声学发射装置采用33521A函数发生器、BK2713仪表功放。
所述的步骤S6中均方值可反应接收数据的功率水平。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (6)
1.一种模数分级测量的声纳基阵空间增益测量方法，所述的增益测量方法中分解为阵元增益与指向性增益两级，分别用标准仪器组成的模拟测量系统与声纳接收单元的数字测量系统进行分级测量，两级增益求和即为声基阵空间增益，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1：布置试验设备，使声基阵第i路阵元水平指向发射换能器，两者水平距离R满足远场测量条件，位同一水深H处，在距声基阵1m处布置相同深度的标准水听器，且通过声学发射装置与发射换能器连接，可发射中心频率为F的单频脉冲信号，即为待测信号；
步骤S2：利用模拟测量系统对阵元增益进行测量，首先发射换能器不发射，将标准水听器接入模拟测量系统，调节测量系统滤波频率及带宽，使待测信号频率位测量频带范围内，观察测量放大器表盘读数，计算得噪声级NL0；
步骤S3：完成噪声测量后，发射换能器开始发射指定声源级为SL的待测信号，计算到达声基阵处信号源级SL'1，再计算得阵元输入信噪比SNR1；
步骤S4：将第i路阵元信号接入模拟测量系统，按步骤2-3方法，分别测得阵元接收信号源级SL'2与阵元接收噪声级NL2，同样计算得阵元输出信噪比SNR2，最后可计算出阵元增益G1；
步骤S5：利用数字测量系统对指向性增益进行测量，首先将阵元信号接回原位，启动声纳接收处理程序，利用调试PC及声纳自身数字信号处理机组成数字测量系统，将第i路阵元数据以及与其指向相同的j路波束数据进行实时记录保存；
步骤S6：利用仿真分析工具，对保存的阵元数据与波束数据进行分析，对于取样截获的数据段xzy_n、xzy_s、xbs_n、xbs_n，计算各自的均方值σzy_n、σzy_s、σbs_n、σbs_s；
步骤S7：计算阵元数据信噪比SNR3与波束输出信噪比SNR4，再计算出指向性增益G2，将G1与G2相加，即可计算获得该声纳空间增益。
2.根据权利要求1所述的一种模数分级测量的声纳基阵空间增益测量方法，其特征在于：所述的试验设备采用的是圆柱形声基阵，其阵元结构为纵向振子，布阵频率为F，水平布置m元，垂直布置n元，水平预形成k路波束。
3.根据权利要求2所述的一种模数分级测量的声纳基阵空间增益测量方法，其特征在于：所述的模拟测量系统采用BK2636测量放大器、BK1617滤波器及示波器组成的微小信号接收测量系统。
4.根据权利要求2所述的一种模数分级测量的声纳基阵空间增益测量方法，其特征在于：所述的数字测量系统可直接使用声纳数字信号处理平台，通过调试PC对内部数据进行读取、记录，以离线处理方式进行分析计算。
5.根据权利要求4所述的一种模数分级测量的声纳基阵空间增益测量方法，其特征在于：所述步骤1中声学发射装置采用33521A函数发生器、BK2713仪表功放。
6.根据权利要求4所述的一种模数分级测量的声纳基阵空间增益测量方法，其特征在于：所述的步骤S6中均方值可反应接收数据的功率水平。
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|---|---|---|---|
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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