CN107870034B - 一种基于相位差的水声声速测量方法 - Google Patents
一种基于相位差的水声声速测量方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于相位差的水声声速测量方法，通过采用双路AD采样模块同步分别对预采样发射信号x1(t)和预采样接收信号x2(t)进行采集，得到两路离散采样序列x1(n)和x2(n)，然后两路离散采样序列x1(n)和x2(n)做互谱处理及互相关计算，将对声波信号在距离d内传播时间的测量分解成单周期内的相位差及整周期数之和，由此提高单周期内的相位差的计算精度就可以声波信号传播时间的测量精度；优点是通过精确计算声波信号在单周期内的相位差及整周期数得到声波信号传播时间，在保证实时测量的基础上，测量过程简单，测量精度高，且成本较低。
Description
技术领域
本发明涉及一种水声声速测量方法，尤其是涉及一种基于相位差的水声声速测量方法。
背景技术
目前，常规的水声声速测量方法主要有经验公式法和直接测量法两种。经验公式法通过测量海洋环境中的温度、盐度和深度后，基于这些测量得到的参数进行计算，得到水声声速。虽然该经验公式法对声速进行测量的精度较高，但是该方法中，先要分别采用相应的仪器去获取海洋环境中的温度、盐度和深度，然后再从这些仪器中得到这些参数后才能进行计算，测量过程复杂，得到声速的时间也较长，滞后性比较明显，不能实时获取当前海域的水声声速。
直接测量法主要利用声波在海水中传播特性，通过模数转换器采集得到声波信号后直接输送到处理器中，由处理器计算得到声波的传播时间，再计算得到水声声速。该方法测量过程简单，得到声速的时间较短，滞后性可以忽略，能够实时获取当前海域的水声声速。但是，该方法中，传播时间的数字测量精度直接制约了声速的精度。虽然提高模数转换器的采集频率可某种程度上提高传播时间的测量精度，但是采集频率越高的模数转换器成本越高，而且当前技术水平下的模数转换器的采集频率比较有限，因此通过这种方式提高声速的测量精度比较有限。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种在保证实时测量的基础上，测量过程简单，测量精度高，且成本较低的基于相位差的水声声速测量方法。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种基于相位差的水声声速测量方法，其特征在于包括以下步骤：
①将发射换能器和接收换能器间隔置于被测海水，将所述的发射换能器和所述的接收换能器之间的间距记为d，其中10cm≤d≤20cm；
②利用信号发生器生成频率为f0的正弦波信号，f0＝1MHz，将该正弦波信号记为se(t)，其中t为时域时间；
③通过功率放大器将该正弦波信号的功率放大4～8倍后得到驱动信号，将该驱动信号记为s(t)；
④将该驱动信号s(t)通过衰减电路进行衰减，衰减倍数为8～16，得到预采样发射信号，将该预采样发射信号记为x1(t)；并采用该驱动信号s(t)驱动所述的发射换能器，所述的发射换能器发射出声波信号，所述的接收换能器接收该声波信号并将该声波信号转换为接收电信号，将所述的接收电信号先放大4-8倍后再通过滤波处理，得到预采样接收信号，将预采样接收信号记为x2(t)；
⑤采用双路AD采样模块分别对预采样发射信号x1(t)和预采样接收信号x2(t)进行采集，双路AD采样模块的采样频率为fs,20MHz≤fs≤80MHz，将对预采样发射信号x1(t)进行采样得到的离散采样序列记为x1(n)，对预采样接收信号x2(t)进行采样得到的离散采样序列记为x2(n)，n为离散序列号，n＝0,1,2,3,…,N-1，N为大于等于2000且小于等于2500的整数；
⑥将离散采样序列x1(n)与离散采样序列x2(n)进行互谱处理，将离散采样序列x1(n)的频谱记为X1(k)，将离散采样序列x2(n)的频谱记为X2(k)，离散采样序列x1(n)和离散采样序列x2(n)的互谱记为Y(k)，k为离散采样序列x1(n)和离散采样序列x2(n)频域的序列号，k＝0，1，2，3，…，N′-1，其中N′为参与FFT运算的离散采样序列的点数，N′的取值为128或256；具体过程为：
⑥-1分别采用FFT运算计算得到离散采样序列x1(n)的频谱X1(k)和离散采样序列x2(n)的频谱X2(k)；
⑥-2采用公式计算得到x1(n)和x2(n)的互谱Y(k)，其中为X1(k)的共轭复数序列，符号*为共轭运算符，符号×为内积运算符；
⑦计算互谱Y(k)在频点f0处的相位角具体过程为：
⑦-1设定一中间参数，将其记为k0，采用公式k0＝[f0/fs(N'-1)]计算互谱Y(k)中频点f0对应的k0，符号“[ ]”为取整运算符，符号/为除运算符；
⑦-2采用反正切函数求解相位角φ0，即Im(Y(k0))为Y(k0)的虚部，Re(Y(k0))为Y(k0)的实部；
⑧计算声波信号传播的整周期数M，具体过程为：
⑧-1将离散采样序列x1(n)和离散采样序列x2(n)的互相关函数记为R(r),并采用公式计算得到对应的互相关函数值，L为大于等于100且小于等于200的整数，r＝0，1，2，3，…，N-L；
⑧-2将步骤⑧-1中计算得到的互相关函数值最大的互相关函数记为R(q)，q为大于等于0且小于等于N-L的整数；
⑧-3根据公式M＝[qf0/fs]计算得到M，符号“[]”为取整运算符，符号/为除运算符；
⑨将声波信号经过距离d的时间记为T，采用公式计算得到T；
⑩将水声声速记为c，采用公式c＝d/T计算得到声速c。
与现有技术相比，本发明的优点在于通过采用双路AD采样模块同步分别对预采样发射信号x1(t)和预采样接收信号x2(t)进行采集，得到两路离散采样序列x1(n)和x2(n)，然后两路离散采样序列x1(n)和x2(n)做互谱处理及互相关计算，将对声波信号在距离d内传播时间的测量分解成单周期内的相位差及整周期数之和，由此提高单周期内的相位差的计算精度就可以声波信号传播时间的测量精度，本发明的方法通过精确计算声波信号在单周期内的相位差及整周期数得到声波信号传播时间，在保证实时测量的基础上，测量过程简单，测量精度高，且成本较低。
附图说明
图1为本发明的方法在不同信噪比SNR下测量传播时间绝对误差的误差曲线；
图2为发明的方法在不同信噪比SNR下测量声速绝对误差的误差曲线。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例：一种基于相位差的水声声速测量方法，包括以下步骤：
①将发射换能器和接收换能器间隔置于被测海水，将发射换能器和接收换能器之间的间距记为d，其中10cm≤d≤20cm；
②利用信号发生器生成频率为f0的正弦波信号，f0＝1MHz，将该正弦波信号记为se(t)，其中t为时域时间；
③通过功率放大器将该正弦波信号的功率放大4～8倍后得到驱动信号，将该驱动信号记为s(t)；
④将该驱动信号s(t)通过衰减电路进行衰减，衰减倍数为8～16，得到预采样发射信号，将该预采样发射信号记为x1(t)；并采用该驱动信号s(t)驱动所述的发射换能器，所述的发射换能器发射出声波信号，所述的接收换能器接收该声波信号并将该声波信号转换为接收电信号，将所述的接收电信号先放大4-8倍后再通过滤波处理，得到预采样接收信号，将预采样接收信号记为x2(t)；
⑤采用双路AD采样模块分别对预采样发射信号x1(t)和预采样接收信号x2(t)进行采集，双路AD采样模块的采样频率为fs,20MHz≤fs≤80MHz，将对预采样发射信号x1(t)进行采样得到的离散采样序列记为x1(n)，对预采样接收信号x2(t)进行采样得到的离散采样序列记为x2(n)，n为离散序列号，n＝0,1,2,3,…,N-1，N为大于等于2000且小于等于2500的整数；
⑥将离散采样序列x1(n)与离散采样序列x2(n)进行互谱处理，将离散采样序列x1(n)的频谱记为X1(k)，将离散采样序列x2(n)的频谱记为X2(k)，离散采样序列x1(n)和离散采样序列x2(n)的互谱记为Y(k)，k为离散采样序列x1(n)和离散采样序列x2(n)频域的序列号，k＝0，1，2，3，…，N′-1，其中N′为参与FFT运算的离散采样序列的点数，N′的取值为128或256；具体过程为：
⑥-1分别采用FFT运算计算得到离散采样序列x1(n)的频谱X1(k)和离散采样序列x2(n)的频谱X2(k)；
⑥-2采用公式计算得到x1(n)和x2(n)的互谱Y(k)，其中为X1(k)的共轭复数序列，符号*为共轭运算符，符号×为内积运算符；
⑦计算互谱Y(k)在频点f0处的相位角具体过程为：
⑦-1设定一中间参数，将其记为k0，采用公式k0＝[f0/fs(N'-1)]计算互谱Y(k)中频点f0对应的k0，符号“[]”为取整运算符，符号/为除运算符；
⑦-2采用反正切函数求解相位角φ0，即Im(Y(k0))为Y(k0)的虚部，Re(Y(k0))为Y(k0)的实部；
⑧计算声波信号传播的整周期数M，具体过程为：
⑧-1将离散采样序列x1(n)和离散采样序列x2(n)的互相关函数记为R(r),并采用公式计算得到对应的互相关函数值，L为大于等于100且小于等于200的整数，r＝0，1，2，3，…，N-L；
⑧-2将步骤⑧-1中计算得到的互相关函数值最大的互相关函数记为R(q)，q为大于等于0且小于等于N-L的整数；
⑧-3根据公式M＝[qf0/fs]计算得到M，符号“[ ]”为取整运算符，符号/为除运算符；
⑨将声波信号经过距离d的时间记为T，采用公式计算得到T；
⑩将水声声速记为c，采用公式c＝d/T计算得到声速c。
在Matlab平台中对本发明的方法进行仿真，假设条件为声速为1500米/秒，分别在信噪比SNR在20dB、30dB和40dB时采用该方法进行测量，测量得到的传播时间的绝对误差如图1所示，测量得到的声速的绝对误差如图2所示。
分析图1和图2可以得出结论：随着信噪比SNR的提高，测量误差减少明显，精度提高。当信噪比SNR为40dB时，传播时间的测量绝对误差小于0.674×10-9秒，即0.674纳秒；而对应的声速测量绝对误差小于0.012米/秒。实际测量时，声信号的传播距离只有10cm～20cm，所处环境的信噪比SNR>40dB很容易满足，通过本发明的方法进行测量，可获得高精度的声速测量。
Claims (1)
1.一种基于相位差的水声声速测量方法，其特征在于包括以下步骤：
①将发射换能器和接收换能器间隔置于被测海水，将所述的发射换能器和所述的接收换能器之间的间距记为d，其中10cm≤d≤20cm；
②利用信号发生器生成频率为f0的正弦波信号，f0＝1MHz，将该正弦波信号记为se(t)，其中t为时域时间；
③通过功率放大器将该正弦波信号的功率放大4～8倍后得到驱动信号，将该驱动信号记为s(t)；
④将该驱动信号s(t)通过衰减电路进行衰减，衰减倍数为8～16，得到预采样发射信号，将该预采样发射信号记为x1(t)；并采用该驱动信号s(t)驱动所述的发射换能器，所述的发射换能器发射出声波信号，所述的接收换能器接收该声波信号并将该声波信号转换为接收电信号，将所述的接收电信号先放大4-8倍后再通过滤波处理，得到预采样接收信号，将预采样接收信号记为x2(t)；
⑤采用双路AD采样模块分别对预采样发射信号x1(t)和预采样接收信号x2(t)进行采集，双路AD采样模块的采样频率为fs,20MHz≤fs≤80MHz，将对预采样发射信号x1(t)进行采样得到的离散采样序列记为x1(n)，对预采样接收信号x2(t)进行采样得到的离散采样序列记为x2(n)，n为离散序列号，n＝0,1,2,3,…,N-1，N为大于等于2000且小于等于2500的整数；
⑥将离散采样序列x1(n)与离散采样序列x2(n)进行互谱处理，将离散采样序列x1(n)的频谱记为X1(k)，将离散采样序列x2(n)的频谱记为X2(k)，离散采样序列x1(n)和离散采样序列x2(n)的互谱记为Y(k)，k为离散采样序列x1(n)和离散采样序列x2(n)频域的序列号，k＝0，1，2，3，…，N′-1，其中N′为参与FFT运算的离散采样序列的点数，N′的取值为128或256；具体过程为：
⑥-1分别采用FFT运算计算得到离散采样序列x1(n)的频谱X1(k)和离散采样序列x2(n)的频谱X2(k)；
⑥-2采用公式计算得到x1(n)和x2(n)的互谱Y(k)，其中为X1(k)的共轭复数序列，符号*为共轭运算符，符号×为内积运算符；
⑦计算互谱Y(k)在频点f0处的相位角具体过程为：
⑦-1设定一中间参数，将其记为k0，采用公式k0＝[f0/fs(N'-1)]计算互谱Y(k)中频点f0对应的k0，符号“[]”为取整运算符，符号/为除运算符；
⑦-2采用反正切函数求解相位角φ0，即Im(Y(k0))为Y(k0)的虚部，Re(Y(k0))为Y(k0)的实部；
⑧计算声波信号传播的整周期数M，具体过程为：
⑧-1将离散采样序列x1(n)和离散采样序列x2(n)的互相关函数记为R(r),并采用公式计算得到对应的互相关函数值，L为大于等于100且小于等于200的整数，r＝0，1，2，3，…，N-L；
⑧-2将步骤⑧-1中计算得到的互相关函数值最大的互相关函数记为R(q)，q为大于等于0且小于等于N-L的整数；
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⑩将水声声速记为c，采用公式c＝d/T计算得到声速c。
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