CN117906741A - 一种测量水听器阵列阵元低频在线灵敏度的装置与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种测量水听器阵列阵元低频在线灵敏度的装置与方法，该装置由圆柱形封闭腔体、标准声源、测量阵列、被测阵列、信号源、功率放大器、信号采集系统、控制系统、回转装置、支架与计算机组成，其中，信号源与功率放大器相连，功率放大器与标准声源相连，三者共同工作，用于在圆柱形封闭腔体产生测量所需的声信号。本发明满足小孔径水听器阵列阵元低频在线灵敏度的测试需求，解决水听器阵列阵元低频在线灵敏度的测试方法及其测试系统问题。
Description
技术领域：
本发明属于声学测试技术领域，具体涉及一种测量水听器阵列阵元低频在线灵敏度的装置与方法。
背景技术：
在水声技术研究中水声声压是最主要的声学量，各种声纳设备的主要电声参数都是以水声声压为基础的，都必须检测它来计算。水声声压的校准测试通常都在自由场中进行，在有限水域内开展换能器和声纳设备的自由场校准就必须克服声场中的反射影响，其中最常用的方法是脉冲声信号技术，它利用时域方法来实现直达信号与回波信号的分离。但这种方法在窄带通道内的瞬时处理会造成脉冲信号的扭曲，随着频率的降低，效果也在下降，这就造成了自由场校准中频率下限的限制。
为了探测的更远，更深，主动声纳向低频方向发展，受声纳阵尺寸的限制，现在低频小孔径声纳阵在商用和军用领域的应用也越来越广泛。但由于受自由场条件及低频辅助声源的研制困难，水听器阵列阵元的低频在线灵敏度难以准确校准成为制约声纳探测和现代信号处理的难题。以现有的50m×15m×10m中低频消声水池为例，它的自由场测试频率下限为500Hz。即使在使用低频频率拓展技术以后，其低频的测试频率也难以降低到250Hz以下。因此，现有的自由场校准方法已很难满足实际水听器阵列阵元低频在线灵敏度的测试需求。
发明内容：
本发明所要解决的技术问题是，提供一种测量水听器阵列阵元低频在线灵敏度的装置与方法，该装置满足小孔径水听器阵列阵元低频在线灵敏度的测试需求，解决水听器阵列阵元低频在线灵敏度的测试方法及其测试系统问题，特别是解决500Hz以下水听器阵列阵元在线灵敏度的测试需求。
本发明的技术解决方案是，提供一种测量水听器阵列阵元低频在线灵敏度的装置,该装置由圆柱形封闭腔体、标准声源、测量阵列、被测阵列、信号源、功率放大器、信号采集系统、控制系统、回转装置、支架与计算机组成，其中，
信号源与功率放大器相连，功率放大器与标准声源相连，三者共同工作，用于在圆柱形封闭腔体产生测量所需的声信号；
测量阵列与被测阵列的输出信号与信号采集系统相连，三者共同工作，用于获取圆柱形封闭腔体内不同空间位置的声波信号；
控制系统与回转装置相连，支架固定安装在回转装置上，测量阵列与被测阵列悬挂在支架上。
作为优选，标准声源内嵌入柱形封闭腔体的底部，标准声源在圆柱形封闭腔体底部的投影面积不得小于圆柱形封闭腔体底部面积的一半，圆柱形封闭腔体的半径r须小于λ为声波波长。
作为优选，测量阵列与被测阵列均为垂直阵列，测量阵列与被测阵列安装在支架上，可通过回转装置进行旋转，测量阵列与被测阵列所在直线的距离ΔR满足或
本发明还提供一种基于上述的测量水听器阵列阵元低频在线灵敏度的装置的测量方法，该方法基于双柱面声全息分离算法，建立幅度与相位一致性偏差的代价函数f(ΔA,Δφ)，通过匹配寻优算法得到代价函数f(ΔA,Δφ)的最小值，其对应的ΔA表示被测阵列与测量阵列的幅度一致性偏差，Δφ表示被测阵列与测量阵列的相位一致性偏差。
为了解决有水听器阵列阵元低频相幅一致性的测试需求，本发明提出了一种在柱形封闭腔体利用近场声全息法开展水听器阵列阵元灵敏度测试方法，在封闭的腔体内实现10Hz～1kHz频段内水听器阵列阵元在线灵敏度的测试，解决水听器阵列阵元低频相幅一致性测试难题。利用传统的柱面近场声全息方法对声场进行重构时，要求是在自由场汇中进行测试，应用条件十分苛刻，无法满足实际的工程应用，加上自由场测试无法提供更低频率的辅助声源。本发明利用柱形封闭腔体，可以实现10Hz～1kHz频段内的声源问题，同时，利用柱面声场分离技术，可以在未知声场先验条件的前提下对目标声源声场进行提取，完成后续的声源定位和声场重建。在封闭空间中对阵列阵元的相幅一致性进行校准，主要采用互易方法进行校准，常用的设备是密闭腔体，在腔内形成均匀声场，从而进行换能器互易交换。密闭腔体灵敏度校准与开阔水域中校准不同之处在于开阔水域收发换能器之间是靠自由场声压传播作用，而密闭腔体内换能器之间是靠腔内工作液体对振动的直接耦合。因此，在开阔水域中校准的结果是自由场电压灵敏度，在密闭腔体中校准的结果是声压灵敏度。
作为优选，声全息所用的双柱面通过回转装置旋转测量阵列与被测阵列而虚拟合成，具体的合成方法如下：
步骤一，设置信号源，产生特定频率的单频连续信号，经功率放大器放大后激励标准声源在圆柱形封闭腔体中产生特定频率的声信号；
步骤二，控制系统控制回转装置进行步进式回转，每次回转角度间隔为θ，且
步骤三，在每次旋转停歇时，信号采集系统记录不同角度下测量阵列与被测阵列的输出信号；
步骤四，直至回转装置旋转了360°，将不同角度下测量阵列的输出信号进行合成，形成柱面一，柱面一的声压为p(rH1,θ)，同样地，将不同角度下被测阵列的输出信号进行合成，形成柱面二，其声压为p(rH2,θ)，其中，rH1为测量阵列测量面半径，rH2为被测阵列测量面半径。
作为优选，其双柱面声全息分离算法的具体方法为：对p(rH1,θ)与p(rH2,θ)进行空间傅里叶变化得到P(rH1,kz)与P(rH2,kz)，将P(rH1,kz)、P(rH2,kz)与A的空间声场分布相结合，求解声全息面的声压PII(rH1,kz)与PII(rH2,kz,ΔA,Δθ)。
作为优选，代价函数f(ΔA,Δφ)＝PII(rH1,kz)×conj[PII(rH2,kz,ΔA,Δθ)]，其中conj表示共轭。
进一步的，具体测量操作如下，由信号源产生单频信号，通过功率放大器激励电动换能器产生声波，声波在密闭的腔体内产生驻波场，被测阵列及测量阵列接收到信号，经信号调理后由数据采集系统同步采集，改变测量阵列与被测阵列间的相对位置，重新开始测量，直至完成一周；调整测量阵列与被测阵列阵列的间距，重复第一次的测量过程；对前后两次的测量数据按照近场声全息的算法进行重构处理，获得两个全息面的数据，通过对阵列灵敏度测量结果的修正获得被测阵列阵元的在线灵敏度。从而剔除了密闭腔体内由于阵列水听器阵元由于位置不同带来的声场差异导致的测试结果的偏差，从而获得对其阵元灵敏度的准确测量。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明利用我们设计的方法与测量装置，可以解决小孔径水听器阵列阵元低频灵敏度的准确校准，解决小孔径高分辨率声纳阵元低频在线灵敏度的测试所需要的方法与装置问题，为低频小孔径高分辨率声纳性能的准确评估提供了有效的技术途径。
附图说明：
图1为本发明装置原理框图；
图2为测量重建示意图；
图3为本发明全息面与声源的空间位置关系图；
图4为本发明全息校准方法原理模型。
具体实施方式：
下面结合附图就具体实施方式对本发明作进一步说明：
参考图1，其示出了本发明的一种测量水听器阵列阵元低频在线灵敏度的装置,该装置由圆柱形封闭腔体、标准声源、测量阵列、被测阵列、信号源、功率放大器、信号采集系统、控制系统、回转装置、支架与计算机组成，其中，
信号源与功率放大器相连，功率放大器与标准声源相连，三者共同工作，用于在圆柱形封闭腔体产生测量所需的声信号；
测量阵列与被测阵列的输出信号与信号采集系统相连，三者共同工作，用于获取圆柱形封闭腔体内不同空间位置的声波信号；
控制系统与回转装置相连，支架固定安装在回转装置上，测量阵列与被测阵列悬挂在支架上。
如图2，计算机控制信号源发射所需测量信号，功率放大器激励电动换能器产生声波，通过腔体内的声传播后形成测量所需的驻波场，由水听器阵列(被测与测量阵列)水听器接收信号，由数据采集系统采集信号源发生的信号与水听器接收到的信号，然后由测试控制分析系统对采集到的信号进行处理与存储，保持发射信号和测量水听器阵列与被测水听器阵列间相对位置不变，改变测量水听器阵列与被测水听器阵列中腔体内的空间位置，继续采集分析储存所接收的信号，在完成在柱形封闭腔体内在0°～360°的测量数据，获得第一个测量面的数据后，改变测量水听器阵列与被测水听器阵列间的相对位置，继续完成在封闭腔体内一周的空间位置变化，直至完成第二测量面的测量。在完成两次测量面的测量后，对测量水听器阵列与被测水听器阵列的数据分别进行双驻面波分离变换，获得标准水听器阵列与被测阵列的复声压分布。
作为一种实施方式，标准声源内嵌入柱形封闭腔体的底部，标准声源在圆柱形封闭腔体底部的投影面积不得小于圆柱形封闭腔体底部面积的一半，圆柱形封闭腔体的半径r须小于λ为声波波长。
作为一种实施方式，测量阵列与被测阵列均为垂直阵列，测量阵列与被测阵列安装在支架上，可通过回转装置进行旋转，测量阵列与被测阵列所在直线的距离ΔR满足或/>
测试原理：针对小型圆柱阵和直线阵作为测试对象，采用柱面波分解的方式对全息数据进行处理，实现相幅一致性校准。
欲获取计算域内两柱面之间的空间传递关系，例如在分析域中存在两柱面r＝rH,r＝rS(rS≠rH)，已知其中r＝rH面上的声压场为p(rH,θ,z)，求得r＝rS面上的声压场p(rS,θ,z)，对于p(r,θ,z)做空间Fourier变换，可得其柱面波谱为：
也即
Pn(rH,kz)＝FθFz[p(rH,θ,z)] (2)
根据不同柱面波谱之间的关系，rS大于或者小于rH分别表示向前和向后投影，
上式即为分析域内两柱面间的传递关系，通过傅里叶逆变换即可得到该柱面上的声压场分布：
式中，表示对参数θ和z的空间逆变换。
则，柱面近场声全息空间域声压可以表示为：
由于rS和rH相对关系的不同，当rH＞rS时，对应柱面声场的重构过程，当rH＜rS时，对应柱面声场的预测过程。
计算机在处理数据时，需要对离散点的数据进行处理。在理论中也需要对公式进行离散化。例如，一个半径为rH的测量面，其轴向高度为2L，柱面的展开图如2所示。
轴向测点间隔为Δz＝2L/(2M+1)，周向测点间隔为Δθ＝2π/(2N+1)，其中M、N为整数，共计获取(2M+1)*(2N+1)个测量面采样点的数据，可将离散声压表示为p(rH,nΔθ,mΔz)，其中-N≤n≤N,-M≤m≤M，而Pn(rH,kz)可表示为全息面p(rH,nΔθ,mΔz)的离散空间Fourier变换。
式中，Δkz＝π/L,W2M+1和W2N+1分别表示e-2πi/(2M+1)和e-2πi/(2N+1)。由离散化的可得重构面上的柱面波谱近似为：
于是，通过空间Fourier逆变换可以得到声压为：
由以上离散化过程，便可以在计算机上处可由获取到的离散全息面数据预测或者重构其他面上的声压场。
在水听器阵列阵元在线灵敏度的测试中，整个测试都在柱形封闭空间中进行，声源在底部向上辐射声场，在柱形空间中形成驻波场。将该驻波声场看作是由柱形阵列内、外两个声源共同作用产生的。采用双柱面声场分离算法，获取柱形阵列外部的声源信息。图3为两测量面位置分布。其中两个测量面半径分别为rH1和rH2，声源位于测量面外侧，目标位于测量面内侧。全息面SH1和SH1上的总声压p(rH1,θ,z)和p(rH2,θ,z)可以分别表示为：
则全息面上的总声压，应为声源和目标在该位置处产生的声压之和:
p(rH1,θ,z)＝pΙ(rH1,θ,z)+pΠ(rH1,θ,z) (9)
p(rH2,θ,z)＝pΙ(rH2,θ,z)+pΠ(rH2,θ,z) (10)
声源在全息面SH1和SH2上的产生的声压分别为pΙ(rH1,θ,z)和pΙ(rH2,θ,z)，目标在全息面SH1和SH2上的产生的声压分别为pΠ(rH1,θ,z)和pΠ(rH2,θ,z)。对于(1-9)和(1-10)两边进行空间Fourier变换，可以得到全息面上的总声压与柱面波谱：
式中，P(rH,kz)为p(rH,θ,z)做二维傅里叶变化后的柱面波谱。
因此，可以得到如下表达式，该表达式描述了同一声源在不同全息面SH1和全息面SH2上产生的声压柱面波谱的关系：
可解得声源和目标在全息面SH1和全息面SH2上产生的声压表达式：
上述公式为基于声压的双柱面声场分离公式，经过傅里叶逆变换则可得空间域中的复声压分布。
基于声压测量的双柱面声场分离公式，如公式(15)，建立目标函数，利用匹配搜索算法的寻优思想，寻求满足幅值、相位一致性校准方法的目标函数值，从而实现柱形空间中的复杂阵列相幅一致性校准，参考图4，具体方法如下：
(1)令底部声源开始工作，利用标准水听器测量阵列测量两个柱面上的复声压，进行双柱面全息声场分离，得到外部向内辐射的柱面波，变换得到分离后的空间域复声压；
(2)采用待测阵测量封闭柱形空间中复声压，将待校圆柱阵上各阵元间的幅值相位一致性作为变量，利用待校准圆柱阵上的各阵元测到的全息复声压进行双柱面全息变换；
(3)将双柱面全息变换分离后得到的复声压结果进行相关处理，利用匹配搜索算法的寻优方法，进行幅值相位一致性搜索；
(4)对搜索得到的相幅一致性进行阵元一致性补偿，得到高精度校准的阵列相幅一致性。
Claims (6)
1.一种测量水听器阵列阵元低频在线灵敏度的装置,其特征在于：该装置由圆柱形封闭腔体、标准声源、测量阵列、被测阵列、信号源、功率放大器、信号采集系统、控制系统、回转装置、支架与计算机组成，其中，
信号源与功率放大器相连，功率放大器与标准声源相连，三者共同工作，用于在圆柱形封闭腔体产生测量所需的声信号；
测量阵列与被测阵列的输出信号与信号采集系统相连，三者共同工作，用于获取圆柱形封闭腔体内不同空间位置的声波信号；
控制系统与回转装置相连，支架固定安装在回转装置上，测量阵列与被测阵列悬挂在支架上。
2.根据权利要求1所述的测量水听器阵列阵元低频在线灵敏度的装置与方法，其特征在于：标准声源内嵌入柱形封闭腔体的底部，标准声源在圆柱形封闭腔体底部的投影面积不得小于圆柱形封闭腔体底部面积的一半，圆柱形封闭腔体的半径r须小于λ为声波波长。
3.根据权利要求1所述的测量水听器阵列阵元低频在线灵敏度的装置，其特征在于：测量阵列与被测阵列均为垂直阵列，测量阵列与被测阵列安装在支架上，可通过回转装置进行旋转，测量阵列与被测阵列所在直线的距离ΔR满足或/>
4.一种基于权利要求1-3任一项所述的测量水听器阵列阵元低频在线灵敏度的装置的测量方法，其特征在于：该测量方法基于双柱面声全息分离算法，建立幅度与相位一致性偏差的代价函数f(ΔA,Δφ)，通过匹配寻优算法得到代价函数f(ΔA,Δφ)的最小值，其对应的ΔA表示被测阵列与测量阵列的幅度一致性偏差，Δφ表示被测阵列与测量阵列的相位一致性偏差。
5.根据权利要求4所述的测量方法，其特征在于：声全息所用的双柱面通过回转装置旋转测量阵列与被测阵列而虚拟合成，具体的合成方法如下：
步骤一，设置信号源，产生特定频率的单频连续信号，经功率放大器放大后激励标准声源在圆柱形封闭腔体中产生特定频率的声信号；
步骤二，控制系统控制回转装置进行步进式回转，每次回转角度间隔为θ，且
步骤三，在每次旋转停歇时，信号采集系统记录不同角度下测量阵列与被测阵列的输出信号；
步骤四，直至回转装置旋转了360°，将不同角度下测量阵列的输出信号进行合成，形成柱面一，柱面一的声压为p(rH1,θ)，同样地，将不同角度下被测阵列的输出信号进行合成，形成柱面二，其声压为p(rH2,θ)，其中，rH1为测量阵列测量面半径，rH2为被测阵列测量面半径。
6.根据权利要求4所述的测量方法，其特征在于：具体测量操作如下，由信号源产生单频信号，通过功率放大器激励电动换能器产生声波，声波在密闭的腔体内产生驻波场，被测阵列及测量阵列接收到信号，经信号调理后由数据采集系统同步采集，改变测量阵列与被测阵列间的相对位置，重新开始测量，直至完成一周；调整测量阵列与被测阵列阵列的间距，重复第一次的测量过程；对前后两次的测量数据按照近场声全息的算法进行重构处理，获得两个全息面的数据，通过对阵列灵敏度测量结果的修正获得被测阵列阵元的在线灵敏度。
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