CN113670433A - 一种能提高水听器阵列阵元在线灵敏度测量精度的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于水声传感器参数测试技术领域,涉及一种用于自由场水听器阵列阵元在线灵敏度测试的方法。包括一套标准声源、多通道信号采集***、可旋转的定位控制***和能对测试数据进行数据处理和空间平均的算法组成。由标准声源发射信号,被测水听器阵列接收信号,改变水听器阵列的空间方位。通过空间统计平均,可以减低测试的不确定因素影响,提高测试精度。本发明的有益效果:利用本方法可以在自由场水域内实现对水听器阵列阵元在线灵敏度的准确测量,解决了水下目标声探测中阵列阵元灵敏度无法准确测量的难题,为水下目标的声探测提供了可靠的技术保障。整个方法设计简单易用,为复杂阵列在线灵敏度的校准提供了技术途径。
Description
技术领域
本发明涉及声学测试技术领域,主要是一种能提高水听器阵列阵元在线灵敏度测量精度的方法。
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,并以此来实现声纳的定位、测距、成像等功能。水听器在研制与生产阶段,均需要进行校准或测试,以测定其灵敏度,保障声压量值传递的可靠性。但水听器阵元成阵后,由于受阵列形式及基阵架的影响,其灵敏度与单个阵元存在较大差异,其相位也有类似的差异,这些差异会影响整个阵列接收信号后信号处理的质量和测试精度,从而影响整个阵列指标的实现。随着远程声探测技术的发展,水听器阵列在商用和军用领域的应用也越来越广泛。为了提高水听器阵列的探测性能,需要对水听器阵列阵元间的在线相幅一致性进行准确的校准。通常的方法是利用标准声源发射特定信号,水听器阵列接收信号。这种测试一般都是在实际使用环境中对阵列进行校准,鉴于实际实施环境等因素影响,测试结果有时不确定度比较大。
为了解决水听器阵列阵元在线灵敏度自由场测试精度易受环境影响导致测试精度不足问题,我们提出了一种利用空间统计平均的方法来降低环境因数影响提高水听器阵列在线灵敏度测试精度的测试方法。与传统测量方法不同,它是基于空间统计平均的时域测量方法,利用标准声源的声场条件下,通过改变接收阵列的空间位置获取信号,阵元间的接收信号的差异不仅由阵元间位置引起,还包括了阵元间的一致性,因此,利用不同位置处的阵元接收数据与位置关系,建立目标函数,结合最优化参数估计方法,进行阵列的幅值及相位一致性校准。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的不足,而提供一种能提高水听器阵列阵元在线灵敏度测量精度的方法,并提供了一种能有效提高在自由场水域内水听器阵列在线灵敏度测量精度的方法,实现了对水听器阵列在线灵敏度的准确测量。属于水声传感器参数测试技术领域。满足有水听器阵列在线灵敏度自由场校准准确测试需求,解决水听器阵列在现场测试时因受环境条件影响测试精度不足的问题,提高其现场测试精度。
本发明的目的是通过如下技术方案来完成的。一种能提高水听器阵列阵元在线灵敏度测量精度的方法,该方法包括如下步骤:将标准声源与水听器阵列置于声场中并处于相同深度,使得标准声源与水听器阵列的间距为d0,将标准水听器固定在水听器阵列上,标准声源与标准水听器之间的距离为d,标准水听器随着水听器阵列的移动而发生空间位置变化;标准声源在介质中辐射声波,移动m次被测水听器阵列,每次移动后均采集水听器阵列(3)N个阵元与标准水听器接收声波后产生的开路电压,利用水听器阵列的空间变化信息构造目标函数,将目标函数、水听器的相幅一致性与采集到的开路电压进行联合建模,并利用最优化方法对该模型E进行参数估计,得到水听器相幅一致性。
更进一步的,具体包括如下步骤:
1)、假设水听器阵列中第i个阵元接收到的信号为Ui(ri,k),标准声源的激励电压为Is,发送电流响应为Sis,发送电流响应通过测量标准水听器两端的开路电压获得,用如下公式表示
式中,Uoc表示标准水听器两端的开路电压;M0表示标准水听器的灵敏度;
控制激励源激励标准声源(1),监测标准声源(1)的激励电流Is;水听器阵列(3)接收信号,通过多通道信号调理***后和信号源的发射信号同步被数据采集***采集,并储存数据,同时,也保留水听器阵列(3)的方位信息;
2)、保持标准声源(1)的激励条件,改变水听器阵列(3)的空间方位,重复测量水听器阵列(3)上阵元所接收到的信号Ui(ri,k,θk),直到完成全部所需方位的阵列信号采集工作;
3)、提取测量数据,把数据代入模型E公式(2),获得每个阵元与各个方位角有关的数据,计算得到阵元的在线灵敏度值;对所得到的数据进行最优化方法参数估计,即可得被测水听器阵列(3)阵元的复数灵敏度,获得每个阵元的在线灵敏度相幅一致性数结果;
模型E表示为:
其中,i为水听器阵列上第i个阵元,k为水听器阵列围绕声中心做的第k次方位角改变的次数;θk为水听器阵列在自由场空间内旋转第k次后所到达的方位角;ri,k为水听器阵列上第i个阵元在阵列围绕声中心改变第k个方位后与标准声源的距离;Mi表示水听器阵列中第i个阵元的复数灵敏度;Ui(ri,k)表示阵列移动后,第i个阵元的开路电压;Is表示标准声源的激励电流;Sis表示声源的发送电流响应。
进一步地,标准声源是无指向性的,在测量过程中,其发送电流响应的波动不高于0.5dB,检测标准声源的激励电流is,利用标准水听器测量标准声源的辐射声压,从而监视标准声源发射电流响应的波动;
进一步地,水听器阵列阵元的最大尺寸远小于声波波长,且阵列阵元在声源的远场,阵列移动次数m要大于阵列的个数N,即m≥N+1;
进一步地,水听器阵列的空间移动包括平移与转动,且空间移动前后,水听器阵列阵元与声源之间的距离前后相差不小于10%;
最后,利用最优化方法对模型E进行参数估计,最优化方法包括最小二乘估计、最小均方误差估计、最大似然估计等,利用该最优化方法所给出的模型E进行参数估计,得到第i个水听器的复数灵敏度Mi。
本发明的有益效果为:本发明通过空间信息构造目标函数,利用最优化方法来实现对阵元灵敏度相幅一致性的测量,减少测量时不确定因素的影响,从而提高了测量的精度。它的特点如下:(1)利用被测阵列与标准声源间不同空间方位上接收到信号的差异,在自由场区域内测量阵元所接收到的信号,使阵元接收到的信号具有空间特性;(2)借助不同空间方位和阵元在阵列上的位置关系,建立被测阵元接收灵敏度的目标函数关系,获得每个阵元在每次测量的灵敏度;(3)对所建立的被测阵阵元灵敏度的目标函数进行估计,实现对阵元灵敏度的准确估计。通过这种方法,我们可以有效地降低水听器阵列阵元在线灵敏度测试时的测量不确定因素的影响,提高测试精度。
其次,整个测试需满足自由场条件,测试过程中,必须保持标准声源的发射状态不变。通过多次的不同空间方位的测试,然后提供空间的统计平均来消除测量不确定因素的影响,提高测试精度。
附图说明
图1基于空间统计平均的阵列相幅一致性测试原理图。
图2测试过程流程图。
图3数据处理过程示意图。
附图标记:标准声源1,标准水听器2,水听器阵列3,定位控制***4。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明,下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。
本发明涉及一种用于自由场水听器阵列阵元在线灵敏度测试的方法。它包括一套标准声源、多通道信号采集***、可旋转的定位控制***4和能对测试数据进行数据处理和空间平均的算法组成。由标准声源发射信号,被测水听器阵列接收信号,然后在保持标准声源发射信号不变的情况下,改变水听器阵列的空间方位。最终对不同方位的测量数据进行空间统计平均处理,实现对水听器阵列阵元在线灵敏度的测量。通过空间统计平均,可以减低测试的不确定因素影响,提高测试精度。
在自由场中,标准声源1和被测水听器阵列3的声场布置如图1所示,使标准声源1和被测水听器阵列3的声中心处于相同深度,图中标准声源与被测阵列的间距为d0,标准声源1与标准水听器2之间的距离为d,假设水听器阵列中第i个阵元接收到的信号为Ui(ri,k),标准声源的激励电压为Is,发送电流响应为Sis。发送电流响应可通过测量标准水听器2两端的开路电压获得,其测量原理可用如下公式表示
式中,Uoc表示标准水听器两端的开路电压;M0表示标准水听器的灵敏度。
水听器阵列上第i个阵元的接收灵敏度Mi与阵列上位置及空间方位的关系如下:
其中,i为水听器阵列上第i个阵元,k为水听器阵列围绕声中心做的第k次方位角改变的次数;θk为水听器阵列在自由场空间内旋转第k次后所到达的方位角;ri,k为水听器阵列上第i个阵元在阵列围绕声中心改变第k个方位后与标准声源的距离,是一个与标准声源与被测水听器阵列声中心距离d0有关的量;标准声源的激励电流Is与其发送电流响应Sis在测试过程中保持恒定,它们与水听器阵列上阵元所接收到的信号Ui(ri,k,θk)都是可以通过测量得到的。
按照图2的测量流程,控制激励源激励标准声源,监测标准声源的激励电流Is;水听器阵列接收信号,通过多通道信号调理***后和信号源的发射信号同步被数据采集***采集,并储存数据,同时,也保留阵列的方位信息。
保持标准声源的激励条件,改变水听器阵列的空间方位,重复测量水听器阵列上阵元所接收到的信号Ui(ri,k,θk),直到完成全部所需方位的阵列信号采集工作。
按照图3所示,提取测量数据,把数据代入公式(2),获得每个阵元与各个方位角有关的数据,计算得到阵元的在线灵敏度值。对所得到的数据进行最小二乘估计,即可得水听器阵列阵元的复数灵敏度,就可以获得每个阵元的在线灵敏度相幅一致性数结果。
通过本发明,我们可以在自由场水域内对水听器阵列阵元的在线灵敏度进行准确测试,有效地解决水听器阵列阵元灵敏度的校准难题,解决了使用多基元水听器阵列开展声学探测时其信号处理算法易受阵列阵元相幅一致性无法准确测试带来的困扰。
上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改,并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此,本发明不限于上述实施例,本领域技术人员根据本发明的揭示,对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种能提高水听器阵列阵元在线灵敏度测量精度的方法,其特征在于:该方法包括如下步骤:将标准声源(1)与水听器阵列(3)置于声场中并处于相同深度,使得标准声源(1)与水听器阵列(3)的间距为d0,将标准水听器(2)固定在水听器阵列(3)上,标准声源(1)与标准水听器(2)之间的距离为d,标准水听器(2)随着水听器阵列(3)的移动而发生空间位置变化;标准声源(1)在介质中辐射声波,移动m次被测水听器阵列(3),每次移动后均采集水听器阵列(3)N个阵元与标准水听器(2)接收声波后产生的开路电压,利用水听器阵列(3)的空间变化信息构造目标函数,将目标函数、水听器的相幅一致性与采集到的开路电压进行联合建模,并利用最优化方法对该模型E进行参数估计,得到水听器相幅一致性。
2.根据权利要求1所述的能提高水听器阵列阵元在线灵敏度测量精度的方法,其特征在于:具体包括如下步骤:
1)、假设水听器阵列中第i个阵元接收到的信号为Ui(ri,k),标准声源的激励电压为Is,发送电流响应为Sis,发送电流响应通过测量标准水听器两端的开路电压获得,用如下公式表示
式中,Uoc表示标准水听器两端的开路电压;M0表示标准水听器的灵敏度;
控制激励源激励标准声源(1),监测标准声源(1)的激励电流Is;水听器阵列(3)接收信号,通过多通道信号调理***后和信号源的发射信号同步被数据采集***采集,并储存数据,同时,也保留水听器阵列(3)的方位信息;
2)、保持标准声源(1)的激励条件,改变水听器阵列(3)的空间方位,重复测量水听器阵列(3)上阵元所接收到的信号Ui(ri,k,θk),直到完成全部所需方位的阵列信号采集工作;
3)、提取测量数据,把数据代入模型E公式(2),获得每个阵元与各个方位角有关的数据,计算得到阵元的在线灵敏度值;对所得到的数据进行最优化方法参数估计,即可得被测水听器阵列(3)阵元的复数灵敏度,获得每个阵元的在线灵敏度相幅一致性数结果;
模型E表示为:
其中,i为水听器阵列上第i个阵元,k为水听器阵列围绕声中心做的第k次方位角改变的次数;θk为水听器阵列在自由场空间内旋转第k次后所到达的方位角;ri,k为水听器阵列上第i个阵元在阵列围绕声中心改变第k个方位后与标准声源的距离;Mi表示水听器阵列中第i个阵元的复数灵敏度;Ui(ri,k)表示阵列移动后,第i个阵元的开路电压;Is表示标准声源的激励电流;Sis表示声源的发送电流响应。
3.根据权利要求1所述的能提高水听器阵列阵元在线灵敏度测量精度的方法,其特征在于:所述的标准声源是无指向性的,在测量过程中,其发送电流响应的波动不高于0.5dB。
4.根据权利要求1所述的能提高水听器阵列阵元在线灵敏度测量精度的方法,其特征在于:所述的水听器阵列阵元的最大尺寸远小于声波波长,且阵列阵元在声源的远场。
5.根据权利要求1所述的能提高水听器阵列阵元在线灵敏度测量精度的方法,其特征在于:所述的水听器阵列移动次数m要大于阵列的个数N,即m≥N+1。
6.根据权利要求1所述的能提高水听器阵列阵元在线灵敏度测量精度的方法,其特征在于:所述水听器阵列的空间移动包括平移与转动,且空间移动前后,水听器阵列阵元与声源之间的距离前后相差不小于10%。
7.根据权利要求1所述的能提高水听器阵列阵元在线灵敏度测量精度的方法,其特征在于:所述的最优化方法包括最小二乘估计、最小均方误差估计、最大似然估计,利用该最优化方法对模型E进行参数估计,得到第i个水听器的复数灵敏度Mi。
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