CN117630894B - 一种多波束声呐平均阵元间距校准方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于测量技术领域，涉及一种多波束声呐平均阵元间距校准方法。该方法包含：步骤（1）：将待校准的接收换能器阵列及同频声源放置在预设位置；将接收换能器阵列旋转至与声源方向夹角呈90°位置，测量预设位置的实时声速；步骤（2）：在接收换能器阵列与声源间建立同步信号，设置声源发射和接收换能器阵列的Ping率；接收换能器阵列按照设定转速和方向旋转并采集直达声信号；得到的回波数据文件按照声源所处方位与时间序列排序；步骤（3）：针对采集到的不同声源方向的回波数据文件进行信号处理，获得校准后的平均阵元间距。本发明提出的方法综合利用所有扫描角度下的波束形成输出校准平均阵元间距，能够更为真实地反映系统工作性能。
Description
技术领域
本发明属于测量技术领域，涉及一种多波束声呐平均阵元间距校准方法。
背景技术
多波束测深声呐在水平向上利用均匀直线阵换能器结构进行波束形成处理，相干累加对于阵元间相位或时延的补偿较为敏感，相邻阵元间的声程差主要是由阵元间距产生的，因此阵元间距误差对于声呐图像的聚焦具有较大的影响。换能器的接收通道一致性和波束方位响应也会影响测量精度。通常情况下，由于受到换能器制造工艺的限制，阵元间的幅度和相位一致性很难保证，并且难以被直接测量，电路设计者在进行电路一致性测量时大多只考虑电子器件中的调理电路、电阻电容等引起的通道相位和幅度偏移，而不考虑换能器阵元与电路之间的耦合现象。常规的基阵指向性测量方法都是基于远场假设，忽略了阵元间距的影响，对接收到的信号直接累加，通过换能器旋转的方式获得基阵对于不同方位声源的响应结果，因此在对远场距离较大的换能器阵列校准时，其误差较大。
发明内容
基于现有技术存在的问题，本发明的目的是解决多阵元换能器系统平均阵元间距校准问题，利用近场聚焦波束形成技术完成小尺度水池条件下的目标方位判定，基于最小残差准则实现接收线阵的平均阵元间距估计。
为了实现上述目的，本发明提供一种多波束声呐平均阵元间距校准方法，包含以下步骤：
步骤（1）：将待校准的接收换能器阵列及同频声源放置在预设位置，所述预设位置为近场区域；将接收换能器阵列旋转至与声源方向夹角呈90°位置，测量预设位置的实时声速；
步骤（2）：在接收换能器阵列与声源间建立同步信号，设置声源发射和接收换能器阵列的Ping率；接收换能器阵列按照设定转速和方向旋转并采集直达声信号；得到的回波数据文件按照声源所处方位与时间序列排序；
步骤（3）：针对采集到的不同声源方向的回波数据文件进行信号处理，获得校准后的平均阵元间距。
优选地，所述步骤（3）中，信号处理主要包括：
（1）针对获得的数据文件，估计回波到达时刻范围，压缩处理数据量；
（2）对压缩过的数据进行近场聚焦波束形成，对每个采样数据文件的一段回波波束形成结果求取时间均值，之后对所有数据文件的波束形成输出均值进行排序；均值最大的数据文件所对应的声源位置视为安装初始位置；
（3）以安装初始位置为中心点，进行高分辨率的波束形成处理；当声源位置最接近于正前方方位时，其与0°方向的偏差被视为基阵安装初始误差；
（4）利用高分辨率近场聚焦波束形成处理的结果，获得每个采样位置处的回波到达方位估计值，修正基阵安装初始误差后，再与该采样位置处的真实声源夹角作差，即可得到在扫描阵元间距下的目标方位估计误差；
（5）计算在扫描阵元间距下的回波方位估计均方根误差，利用最小残差准则估计平均阵元间距。
优选地，压缩处理数据量的具体方法为：根据声源与换能器阵列的已知斜距及扫描波束角度/>计算第/>个采样位置处回波到达斜距：
；
利用采集现场的实时声速，计算回波到达时刻，将采样序号位于有效范围内的数据记录，压缩有效数据量，选取有效数据范围区间：
；
其中，为系统采样频率，/>为检测裕量，/>为发射信号脉冲长度，/>为数据的序号。
优选地，平均阵元间距的估计方法为：
计算在扫描阵元间距下的回波方位估计均方根误差：
；
其中，是扫描波束角度，/>是由波束形成处理得到的目标方位值；/>为扫描的总波束数目，/>为第/>个；
其次，遍历所有扫描阵元间距中，使得回波方位估计均方根误差最小时对应的阵元间距即为估计得到的平均阵元间距，估计准则为：
。
与现有技术相比，本发明提出的方法综合利用所有扫描角度下的波束形成输出校准平均阵元间距，因此相对于单一回波角度的方位估计校准方法，能够更为真实地反映系统工作性能。
附图说明
图1 为最小残差准则下的估计算法克拉美罗界仿真；其中，横坐标为信号信噪比，纵坐标为回波到达方位偏差的绝对值；
图2 为阵元间距误差估计结果及方位估计残差仿真；其中，横坐标为阵元间距误差，纵坐标为回波到达方位偏差的绝对值；
图3 为平均阵元间距估计曲线；其中，横坐标为阵元间距，纵坐标为回波到达方位偏差的绝对值；
图4为阵元间距校准前后的回波到达方位偏差对比图；其中，横坐标为扫描角度，纵坐标为回波到达方位偏差；
图5为阵元间距校准前的基阵自然指向性图；
图6为阵元间距校准后的基阵波束指向性图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本发明提供的一种多波束声呐平均阵元间距校准方法，包含以下步骤：
步骤（1）：将需要校准的接收换能器阵列及同频声源放置在预设位置，该位置位于水池中的近场区域。
本实例中，校准过程使用小尺度水池在近场条件下开展。校准现场设备包括水池、自动旋转装置、发射换能器、接收换能器阵列、功率放大器、信号源、示波器、同步信号线、电脑、数据控制及储存单元。将上述设备按照常规使用方法进行布置和连接。自动旋转装置与发射换能器连接，带动发射换能器旋转。发射换能器、接收换能器阵列之间的距离设定在8m，处于近场区域范围。
将多波束测深声呐的发射系统（发射换能器）与接收系统（接收换能器阵列）旁路断开，使用单一同频声源进行发射，利用接收系统自身的信号调理电路及显控软件（数据控制及储存单元、电脑）进行回波的采集和存储。发射系统和接收系统之间利用同步信号线进行时间同步，使用外置功率放大器激励发射换能器，利用示波器监控发射信号及接收到的声呐信号。
将接收换能器阵列旋转至与声源方向夹角呈90°位置，在进行数据采集前首先测量试验水池的实时声速。
步骤（2）：在接收换能器阵列与声源间建立同步信号，设置自动旋转装置的转速及方向，设置声源发射和换能器接收的Ping率。启动自动旋转装置，接收换能器阵列随自动旋转装置旋转并采集直达声信号。得到的回波数据文件由多波束声呐系统显控软件不间断自动保存，并且严格按照声源所处方位与时间序列排序对应。
步骤（3）：针对采集到的对应不同声源方向的回波数据文件进行信号处理，估计最小残差准则下的平均阵元间距。主要包括以下步骤：
（1）针对获得的回波数据文件，估计回波到达时刻范围，压缩处理数据量。由于接收换能器阵列及声源布放位置已知，声源有效回波只持续一小段时间，因此可以根据声源与接收换能器阵列的已知斜距及扫描波束角度/>计算/>采样位置处回波到达斜距：
。
利用预先测得的采集现场的实时声速，计算回波到达时刻，将采样序号位于有效范围内的数据记录，压缩有效数据量，提升数据置信度，选取有效数据范围区间：
；
其中，为系统采样频率，/>为检测裕量，/>为发射信号脉冲长度，/>为数据的序号。
（2）对压缩过的数据进行近场聚焦波束形成，对每个采样数据文件的一段回波波束形成结果求取时间均值，之后对所有数据文件的波束形成输出均值进行排序。当声源处于基阵正前方时其回波的波束形成能量输出最强，此时波束形成输出均值最大，此数据文件所对应的声源位置，可以被视为安装初始位置。
近场聚焦波束形成利用球面波扩展模型，计算目标到基阵的聚焦长度，采用Fresnel近似重新计算阵元间的时延差，修正导向矢量。通过计算焦距得到扫描角度在时，第/>号阵元与0号阵元之间的相位差：
；
其中，为扫描焦距，可以通过当前信号的采样序号和系统采样频率/>计算得到，/>为信号波长，/>为系统设计的阵元间距，/>为设定的第/>个扫描波束角度。
扫描角度在方向上的波束形成输出结果/>可以由相位差/>和阵元信号表示为：
；其中，/>为接收阵元总个数，/>为阵元编号；/>为虚部符号。
（3）以初始安装位置为中心点，进行高分辨率的波束形成处理。
当声源处于位置附近时，此时的近场聚焦波束形成算法等同于信号的直接累加，并且忽略了阵元间距的影响。当声源位置最接近于正前方方位（0°方向）时，依旧与0°方向存在偏差，此偏差可以被视作基阵安装初始误差，在后续波束角度计算时可以被修正。
（4）利用高分辨率近场聚焦波束形成处理的结果，获得每个采样位置处的回波到达方位估计值，修正基阵安装初始误差后（减去基阵安装初始误差），再与该采样位置处的真实声源夹角（扫描波束角度）相减，即可得到在扫描的阵元间距参数下的目标方位估计误差。
（5）利用最小残差准则估计阵元平均间距。
首先计算在扫描阵元间距下的回波方位估计均方根误差：
；
其中，是扫描波束角度，/>是由波束形成处理得到的目标方位值；/>为扫描的总波束数目，/>为第/>个。
结合现阶段机械加工工艺、工具的加工精度，扫描阵元间距的范围应为，/>为系统设计的阵元间距，扫描步进0.001mm。
利用多个波束的均方根误差估计，抑制水池内的突发噪声干扰。遍历所有扫描阵元间距中，使得回波方位估计均方根误差最小时对应的阵元间距即为估计得到的平均阵元间距，估计准则为：/>。
步骤（4）：将各文件中的波束形成输出能量极值提取，配合修正过的回波到达角度，得到极坐标下的基阵波束指向性图。
常规的基阵指向性测量方法都是基于远场假设，忽略了阵元间距的影响，对接收到的信号直接累加，通过换能器旋转的方式获得基阵对于不同方位声源的响应结果。此方法的局限性在于远场假设成立的条件需要满足声波近似按照平面波扩展，多阵元换能器基阵远场距离通常超过15 m。近场聚焦波束形成是在小尺寸水池进行基阵校准研究的必备条件，因此其算法精度将影响实际的校准效果。克拉美罗界(Cramér-Rao Bound, CRB)描述了近场聚焦波束形成的计算精度，克拉美罗界的解析形式可以表示为：
；
其中，为窄带信号的中心频率，/>为扫描角度，/>为信号信噪比，/>为接收阵元总个数，/>为信号快拍数。
本发明提出的方法综合利用所有扫描角度下的波束形成输出校准平均阵元间距，因此相对于单一回波角度的方位估计校准方法，能够更为真实地反映系统工作性能。
本发明首先分析了基于最小残差准则估计算法的克拉美罗界性能，通过100次蒙特卡洛实验验证算法效果。利用近场波束形成算法的克拉美罗界解析式的估计精度极高，满足基阵校准过程中对于目标方位估计的要求。但是在实际工程应用过程中，算法的扫描精度和自动旋转装置的步进精度是有限的，因此还开展了基于目标回波的数值仿真模拟来验证算法的有效性，如附图1所示。通过仿真结果可以发现，单一角度估计结果的误差起伏较大，虽然在大掠射角条件下的残差结果优于多角度估计结果，但是最小均方误差准则下的回波到达方向估计算法结果更稳健，并且随着信号信噪比的增强，逐渐趋近数值仿真结果。
其次本发明开展了平均阵元间距误差估计算法仿真对比，如附图2所示，在信噪比较低的条件下，单一波束的估计方法可能会受到噪声的影响，导致回波到达方位估计偏差较大，甚至在某些大掠射角的方位，其估计结果也可能低于RMSE方法。采用基于最小残差准则的估计方法进行平均阵元间距校准，取其方位估计残差最小位置时的遍历阵元间距数值，能够较为准确的估计出平均阵元间距误差，与仿真条件预设的0.012 mm相吻合，并且方位估计残差较小，证明了算法的有效性。
本发明还提供一种较佳的实施例用于进一步详细的阐述本发明的技术方案：实际待测多波束声呐接收阵列中心频率200kHz，阵元数目为100，计算得到的远场距离为18.75m。为了保证测量的准确性，避免池壁回波和混响干扰，试验中将发射声源与待测接收阵列之间的距离设定在8m，处于近场区域范围。将多波束测深声呐的发射系统与采集系统旁路断开，使用单一同频声源进行发射，利用声呐系统自身的信号调理电路及显控软件进行回波的采集和存储。发射系统和接收阵列之间利用信号线进行时间同步，使用外置功率放大器激励发射换能器，利用示波器监控发射信号及接收到的声呐信号。
基于最小残差准则开展平均阵元间距估计，平均阵元间距误差遍历范围从3.73mm至3.77 mm，扫描步进为0.001 mm，获得的估计误差与平均阵元间距曲线如附图3所示。平均阵元误差估计曲线较为平滑，在阵元间距处出现了极值，记为估计得到的平均阵元间距/>。将得到的平均阵元间距估计值再次代入近场聚焦波束形成算法中，重新计算回波到达方位与真实声源位置之间的偏差，结果如附图4所示。在未进行平均阵元间距校准前，回波到达方位估计的偏差最大达到了0.4°，呈斜线趋势且对于外侧波束偏差更为明显，明显的降低了多波束测深系统的有效探测范围。经平均阵元间距校准后的角度偏差较为平均且稳定，最大值控制在0.1°左右。
针对所有的预设波束角度，利用附图4得到的角度偏差进行方位修正后，即可得到真实的波束方位响应角。该曲线是针对均匀变化的波束角度修正的结果，在实际工程应用中可以通过对该曲线的插值，获得等角或等距模式下预设波束主轴方向的修正值，将修正后的波束角度作为图像后处理和水底地形检测的空间归位角度进行运算。
在考虑了换能器阵元与信号调理电路之间的耦合关系的情况下，基阵的波束指向性相对于直接累加回波信号得到的自然指向性更能够反映系统的真实工作状态，尤其是通过基阵旋转得到的自然指向性，忽略了阵元间距对波束形成算法的影响，与系统的真实工作状态差距较大。通过基阵旋转得到的自然指向性如附图5所示，基阵-3dB覆盖宽度只达到。经过平均阵元间距校准及波束形成算法处理后的基阵指向性如附图6所示，聚焦波束形成算法引入了一定的处理增益，基阵-3dB覆盖宽度达到/>，-6dB覆盖宽度超过/>，能够满足该多波束测深声呐的6倍覆盖宽度的设计要求。
由此可以证明，本发明提出的方法基于最小残差准则综合估计在各波束角度条件下的平均阵元间距，克服了现有换能器阵列平均阵元间距估计困难的问题，能够较为准确的校正由于基阵加工精度不足引入的阵元间距误差，提升目标方位估计准确度，更为准确地反映多波束声呐的有效覆盖范围，评估系统的实际探测性能。
Claims (3)
1.一种多波束声呐平均阵元间距校准方法，其特征在于，包含以下步骤：
步骤(1)：将待校准的接收换能器阵列及同频声源放置在预设位置，所述预设位置为近场区域；将接收换能器阵列旋转至与声源方向夹角呈90°位置，测量预设位置的实时声速；
步骤(2)：在接收换能器阵列与声源间建立同步信号，设置声源发射和接收换能器阵列的Ping率；接收换能器阵列按照设定转速和方向旋转并采集直达声信号；得到的回波数据文件按照声源所处方位与时间序列排序；
步骤(3)：针对采集到的不同声源方向的回波数据文件进行信号处理，获得校准后的平均阵元间距；具体包括：
(1)针对获得的数据文件，估计回波到达时刻范围，压缩处理数据量；对压缩过的数据进行近场聚焦波束形成，对每个采样数据文件的一段回波波束形成结果求取时间均值，之后对所有数据文件的波束形成输出均值进行排序；均值最大的数据文件所对应的声源位置视为安装初始位置；
(2)以安装初始位置为中心点，进行高分辨率的波束形成处理，当声源位置最接近于正前方方位时，其与0°方向的偏差被视为基阵安装初始误差；
(3)利用高分辨率近场聚焦波束形成处理的结果，获得每个采样位置处的回波到达方位估计值，修正基阵安装初始误差后，再与该采样位置处的真实声源夹角作差，即可得到在扫描阵元间距下的目标方位估计误差；
(4)计算在扫描阵元间距下的回波方位估计均方根误差，利用最小残差准则估计平均阵元间距。
2.根据权利要求1所述的多波束声呐平均阵元间距校准方法，其特征在于，压缩处理数据量的具体方法为：根据声源与换能器阵列的已知斜距L及扫描波束角度θi计算第i个采样位置处回波到达斜距：Ki＝L/cosθi；
利用采集现场的实时声速c，计算回波到达时刻，将采样序号位于有效范围内的数据记录，压缩有效数据量，选取有效数据范围区间：
其中，fs为系统采样频率，α为检测裕量，T为发射信号脉冲长度，Di为数据的序号。
3.根据权利要求1所述的多波束声呐平均阵元间距校准方法，其特征在于，平均阵元间距的估计方法为：
计算在扫描阵元间距d(t)下的回波方位估计均方根误差：
其中，θi是扫描波束角度，是由波束形成处理得到的目标方位值；N为扫描的总波束数目；t为第t个；
其次，遍历所有扫描阵元间距中，使得回波方位估计均方根误差最小时对应的阵元间距即为估计得到的平均阵元间距估计准则为：
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