CN114296062A - 基于余振效应的主动声纳换能器故障监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于余振效应的主动声纳换能器故障监测方法，该方法包括：步骤一、线下确定换能器余振信号能量门限阈值E_th；步骤二、主动声纳换能器由发射模式转换到接收模式后，实时采集t₁～t₂之间的声纳换能器余振信号，信号数据采集序列记为x；步骤三、根据信号数据采集序列x计算信号能量E(x)；步骤四、根据所述信号能量E(x)和门限阈值E_th判断声纳换能器是否发生故障。该方法为声纳系统提供了一种简单、高效的换能器自检途径，能够准确判断出换能器是否出现故障。

Description

基于余振效应的主动声纳换能器故障监测方法

技术领域

本发明属于精确制导总体/水下探测与制导技术领域，涉及一种基于余振效应的主动声纳换能器故障监测方法。

背景技术

声纳作为水下平台远程探测载荷，对于水下潜艇目标探测、水下威胁障碍物探测、水下测高等具有不可替代的地位。作为声纳系统声电信号转换的水声换能器是声纳的重要组成部分，主动声纳换能器工作过程是声信号与电信号之间的声电转换过程，当换能器处于发射模式时，通过馈电电脉冲信号引起换能器内部能量转换元件产生振动，从而实现电信号向声信号的转换，换能器振动的机械能在水下辐射出去；相反，在换能器接收模式下，周围环境或者水下目标产生的声回波返回到换能器，换能器能量转换元件将声振动信号转换为电信号，从而实现声信号到电信号的转换，主动声纳换能器工作可靠性直接关系声纳系统的可靠性能。当声纳系统出现故障后，判断是否是换能器故障引起，对于声纳快速故障定位具有重要意义。然而目前还未见有有效监测方法判断主动声纳换能器是否出现故障。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种基于余振效应的主动声纳换能器故障监测方法，以解决上述现有技术中存在的技术问题。

本发明的技术解决方案：一种基于余振效应的主动声纳换能器故障监测方法，该方法包括：

步骤一、线下确定换能器余振信号能量门限阈值E_th；

步骤二、主动声纳换能器由发射模式转换到接收模式后，实时采集t₁～t₂之间的声纳换能器余振信号，信号数据采集序列记为x；

步骤三、根据信号数据采集序列x计算信号能量E(x)；

步骤四、根据所述信号能量E(x)和门限阈值E_th判断声纳换能器是否发生故障。

进一步地，所述步骤一具体包括：

1.1对声纳系统进行主动声纳脉冲电信号激励，此时声纳系统中的主动声纳换能器处于发射模式；

1.2激励结束后，主动声纳换能器进行发射模式和接收模式的转换，转换完成后进行t₃～t₄之间的主动声纳换能器余振信号采集，信号数据采集序列记为x'；

1.3根据信号数据采集序列x'计算信号能量E(x′)；

1.4重复步骤1.1～1.2，对得到的多个信号能量E(x′)取统计平均值；

1.5根据所述统计平均值确定门限阈值E_th。

进一步地，通过下式根据信号数据采集序列x'计算信号能量E(x′)：

其中，x′＝(x′₁,x′₂,…,x′_N)。

进一步地，所述门限阈值E_th满足：1/4E(x′)_平均≤E_th≤1/2E(x′)_平均，其中，E(x′)_平均为多个信号能量E(x′)取的统计平均值。

进一步地，所述根据所述信号能量E(x)和门限阈值E_th判断声纳换能器是否发生故障具体包括：

若E(x)＞E_th，则判断为换能器工作正常，否则判断换能器故障。

进一步地，通过下式根据信号数据采集序列x计算信号能量E(x)：

其中，x＝(x₁,x₂,…,x_N)。

进一步地，t₁＝t₃且t₂＝t₄。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

通过离线统计平均获得换能器余振信号数据序列的能量平均值，并以此为参考，选择合适的故障判断门限E_th，并在此基础上，比较实际采集的换能器余振信号数据序列能量值E(x)和判断门限阈值E_th的大小以判断换能器是否异常，该方法为声纳系统提供了一种简单、高效的换能器自检途径，能够准确判断出换能器是否出现故障。

附图说明

所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了根据本发明具体实施例提供的一种基于余振效应的主动声纳换能器故障监测方法的流程示意图；

图2示出了根据本发明具体实施例提供的换能器受激励及衰减振动示意图；

图3示出了根据本发明具体实施例提供的换能器故障状态下声纳采集到白噪声信号示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。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。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

如图1-2所示，在本发明的一个实施例中，提供一种基于余振效应的主动声纳换能器故障监测方法，该方法包括：步骤一、线下确定换能器余振信号能量门限阈值E_th；步骤二、主动声纳换能器由发射模式转换到接收模式后，实时采集t₁～t₂之间的声纳换能器余振信号，信号数据采集序列记为x；步骤三、根据信号数据采集序列x计算信号能量E(x)；步骤四、根据所述信号能量E(x)和门限阈值E_th判断声纳换能器是否发生故障。

本实施例中，声纳处理系统从发射模式转为接收模式的工作模式转换需要一定的转换时间(已知)，本实施例在转换完成后进行主动声纳换能器余振信号采集。

应用此种配置方式，通过离线统计平均获得换能器余振信号数据序列的能量平均值，并以此为参考，选择合适的故障判断门限E_th，并在此基础上，比较实际采集的换能器余振信号数据序列能量值E(x)和判断门限阈值E_th的大小以判断换能器是否异常，该方法为声纳系统提供了一种简单、高效的换能器自检途径，能够准确判断出换能器是否出现故障。

在上述实施例中，为了确定核实的门限阈值，所述步骤一具体包括：

1.1对声纳系统进行主动声纳脉冲电信号激励，此时声纳系统中的主动声纳换能器处于发射模式；

1.2激励结束后，主动声纳换能器进行发射模式和接收模式的转换，转换完成后进行t₃～t₄之间的主动声纳换能器余振信号采集，信号数据采集序列记为x'；

1.3根据信号数据采集序列x'计算信号能量E(x′)；

1.4重复步骤1.1～1.2，对得到的多个信号能量E(x′)取统计平均值；

1.5根据所述统计平均值确定门限阈值E_th。

本实施例通过离线统计平均获得换能器余振信号数据序列的能量平均值，并以此为参考，选择合适的故障判断门限E_th，

在上述实施例中，为了获得余振信号能量，通过下式根据信号数据采集序列x'计算信号能量E(x′)：

其中，x′＝(x′₁,x′₂,…,x′_N)。

本实施例中，(x′₁,x′₂,…,x′_N)为余振信号。

在上述实施例中，为了进一步保证判断结果的准确性，所述门限阈值E_th满足：1/4E(x′)_平均≤E_th≤1/2E(x′)_平均，其中，E(x′)_平均为多个信号能量E(x′)取的统计平均值。

在上述实施例中，所述根据所述信号能量E(x)和门限阈值E_th判断声纳换能器是否发生故障具体包括：

若E(x)＞E_th，则判断为换能器工作正常，否则判断换能器故障。

在上述实施例中，通过下式根据信号数据采集序列x计算信号能量E(x)：

其中，x＝(x₁,x₂,…,x_N)。

也即，在确定门限阈值时，求解余振信号能量的方式与实时解算余振信号能量的方式一致。

本实施例中，为了进一步保证判断结果的准确性，设置t₁＝t₃且t₂＝t₄。

也即保证线上和线下余振信号采集的时间段一致。

为了对本发明提供的一种基于余振效应的主动声纳换能器故障监测方法有更进一步了解，下面以一具体实施例进行详细说明：

假设激励声纳换能器的电脉冲信号为点频信号，信号脉宽为5ms，在电脉冲信号激励下换能器作周期振动，如图2所示的电脉冲激励期。当电脉冲激励结束后，换能器残余能量驱动下做幅度衰减的振动运动，如图2所示的振动衰减期。假设声纳处理系统从发射模式转为接收模式的工作模式转换需要时间为3ms，采集从8～15ms时间段的换能器余振信号，记该信号数据序列为：

x′＝(x′₁,x′₂,…,x′_N)。

按照下述公式计算信号x′的能量：

计算结果E(x′)＝10.3465。

重复上述余振信号采集及能量计算过程，统计平均信号能量结果为E＝10.35。为了对换能器工作状态监测，选择故障判断门限值E_th＝5。

通过上述过程，确定了故障判断门限值E_th大小后，即可对声纳换能器工作状态进行监测。

举例来讲，当换能器故障无法工作时，采集的换能器余振信号呈现为如图3所示的白噪声。这时采集的信号x是一个热白噪声随机信号，其能量为E＝0.078，由于E<E_th＝5，故判断换能器故障；相反在正常情况下，采集信号序列的能量E＝10.31，由于E>E_th＝5，故判断换能器工作正常。

如上针对一种实施例描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施例中使用，和/或与其它实施例中的特征相结合或替代其它实施例中的特征使用。

应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤、组件或其组合的存在或附加。

本发明以上的方法可以由硬件实现，也可以由硬件结合软件实现。本发明涉及这样的计算机可读程序，当该程序被逻辑部件所执行时，能够使该逻辑部件实现上文所述的装置或构成部件，或使该逻辑部件实现上文所述的各种方法或步骤。本发明还涉及用于存储以上程序的存储介质，如硬盘、磁盘、光盘、DVD、flash存储器等。

这些实施例的许多特征和优点根据该详细描述是清楚的，因此所附权利要求旨在覆盖这些实施例的落入其真实精神和范围内的所有这些特征和优点。此外，由于本领域的技术人员容易想到很多修改和改变，因此不是要将本发明的实施例限于所例示和描述的精确结构和操作，而是可以涵盖落入其范围内的所有合适修改和等同物。

本发明未详细说明部分为本领域技术人员公知技术。

Claims (7)

1.一种基于余振效应的主动声纳换能器故障监测方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤一、线下确定换能器余振信号能量门限阈值E_th；

步骤二、主动声纳换能器由发射模式转换到接收模式后，实时采集t₁～t₂之间的声纳换能器余振信号，信号数据采集序列记为x；

步骤三、根据信号数据采集序列x计算信号能量E(x)；

步骤四、根据所述信号能量E(x)和门限阈值E_th判断声纳换能器是否发生故障。

2.根据权利要求1所述的一种基于余振效应的主动声纳换能器故障监测方法，其特征在于，所述步骤一具体包括：

1.1对声纳系统进行主动声纳脉冲电信号激励，此时声纳系统中的主动声纳换能器处于发射模式；

1.2激励结束后，主动声纳换能器进行发射模式和接收模式的转换，转换完成后进行t₃～t₄之间的主动声纳换能器余振信号采集，信号数据采集序列记为x'；

1.3根据信号数据采集序列x'计算信号能量E(x′)；

1.4重复步骤1.1～1.2，对得到的多个信号能量E(x′)取统计平均值；

1.5根据所述统计平均值确定门限阈值E_th。

3.根据权利要求2所述的一种基于余振效应的主动声纳换能器故障监测方法，其特征在于，通过下式根据信号数据采集序列x'计算信号能量E(x′)：

其中，x′＝(x′₁,x′₂,…,x′_N)。

4.根据权利要求2或3所述的一种基于余振效应的主动声纳换能器故障监测方法，其特征在于，所述门限阈值E_th满足：1/4E(x′)_平均≤E_th≤1/2E(x′)_平均，其中，E(x′)_平均为多个信号能量E(x′)取的统计平均值。

5.根据权利要求1所述的一种基于余振效应的主动声纳换能器故障监测方法，其特征在于，所述根据所述信号能量E(x)和门限阈值E_th判断声纳换能器是否发生故障具体包括：

若E(x)＞E_th，则判断为换能器工作正常，否则判断换能器故障。

6.根据权利要求1所述的一种基于余振效应的主动声纳换能器故障监测方法，其特征在于，通过下式根据信号数据采集序列x计算信号能量E(x)：

其中，x＝(x₁,x₂,…,x_N)。

7.根据权利要求2所述的一种基于余振效应的主动声纳换能器故障监测方法，其特征在于，t₁＝t₃且t₂＝t₄。

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