一种补偿宽带声呐系统发射信号幅度的方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于声呐信号发射领域，尤其涉及一种补偿宽带声呐系统发射信号幅度的 方法。
【背景技术】
[0002] 在宽带声呐系统设计中，宽带换能器是发射系统的重要组成部分。通常换能器在 带宽内的发送电压响应起伏在3dB之内，但在一些宽带换能器中发送电压响应起伏在5~ 10dB，当换能器发射宽带信号时，发射出的声信号将产生幅度失真。在相应的接收声呐系统 中，处理器对失真信号进行处理时，得到的信号特征参数无法满足检测器的设定值，信号特 征参数可以包括：信号的幅度、频率、信号相关幅度等，因此失真信号会导致接收的声呐系 统检测性能的降低，造成系统漏检。对于传统的补偿方法，一般是通过合理地设计匹配电路 对换能器的发送电压响应进行补偿，减少发射信号的幅度失真。但实际补偿后的信号与理 想信号依然存在较大的差异，若想达到理想信号的补偿效果，设计的匹配电路的阶数将变 得很高。由于实际换能器的传递函数很难用解析函数表示且构成匹配电路的元件并非理想 元件，因此实现所需的高阶匹配电路是很困难的，增大了整个发射系统的设计难度。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的是提供一种能够减少发射信号幅度失真的，补偿宽带声呐系统发射 信号幅度的方法。
[0004] 本发明是通过以下技术方案实现的：
[0005] -种补偿宽带声呐系统发射信号幅度的方法，包括以下几个步骤，
[0006] 步骤一：声呐发射系统发射理想线性调频信号X(l[n]，在消声水池中，利用理想声 呐接收系统采集换能器发射的失真线性调频信号y[n];其中，声呐发射系统包括理想信号 源、功率放大器、宽带匹配网络和换能器，所述的理想线性调频信号其带宽为声呐发射系统 的工作带宽；
[0007] 步骤二：将失真线性调频信号y[n]与理想线性调频信号X(l[n]构造得到误差函数 e[n]，寻找满足min{E[ e2[n]]}条件的宽带匹配网络和换能器的传递函数的估计值&/2], 根据宽带匹配网络和换能器的传递函数的估计值&?]，得到幅度补偿器的传递函数w[n];
[0008] 步骤三：将步骤一中声呐发射系统发射的理想线性调频信号经过幅度补偿器进行 幅度调整后，输出调整的线性调频信号；
[0009] 步骤四：利用功率放大器将幅度补偿器输出调整的线性调频信号进行功率放大；
[0010] 步骤五：将功率放大后的线性调频信号经过宽带匹配网络输出给换能器；
[0011] 步骤六：换能器将电信号转化为声信号辐射到水中；
[0012] 步骤七：在消声水池中，利用理想声呐接收系统采集换能器发射的声信号。
[0013] 本发明一种补偿宽带声呐系统发射信号幅度的方法，还可以包括：
[0014] 1、步骤一中声呐发射系统发射理想线性调频信号X(l[n]，在消声水池中，利用理想 声呐接收系统采集换能器发射的失真线性调频信号y[n]的过程为：
[0015] (1)将理想线性调频信号经过功率放大器进行功率放大；
[0016] (2)将放大后的理想线性调频信号经过宽带匹配网络输出给换能器；
[0017] (3)换能器将电信号转化为声信号辐射到水中；
[0018] (4)理想声呐接收系统在水中利用采集器采集换能器发射的失真线性调频信号。
[0019] 2、宽带匹配网络设计过程具体为：
[0020] (1)利用阻抗分析仪测试换能器的输入阻抗数据& (s);
[0021] (2)利用阻抗数据Zi(s)计算出宽带匹配网络的输出阻抗函数\(8);
[0022] (3)根据Zq(s)计算得到的宽带匹配网络的实现结构和参数。
[0023] 3、利用阻抗分析仪测试换能器的输入阻抗数据&"），计算出宽带匹配网络的输 出阻抗函数Z q(s)具体过程为：
[0024] (1)利用阻抗分析仪测试换能器的输入阻抗数据& (s);
[0025] (2)设宽带匹配网络的输出阻抗为\(8)，目标功率传输增益为I；，设定未知系数 心、(^和，求得功率传输增益的误差函数e:
[0034] c ( w ) = c! wn+c2 w (n i)+. ? ?+cnw+1
[0035] SG，Sin为归一化反射系数；
[0036] Z"s):换能器的输入阻抗阻抗数据；
[0037] Zq(s):宽带匹配网络的策动点导抗函数；
[0038] Zq(-s):宽带匹配网络的策动点导抗函数Zq(s)的共轭函数；
[0039] Ev{Zq(s)}:宽带匹配网络的策动点函数的偶部；
[0040] hq(s):为Ev{Z q(s)}的分子多项式右半平面的根构成的Hurwitz多项式与分子多 项式左半平面的根构成的Hurwitz多项式的比；
[0041] hj-s):为EjZ^s)}的分子多项式左半平面的根构成的Hurwitz多项式与分子 多项式右半平面的根构成的Hurwitz多项式的比；
[0042] Rq(s):宽带匹配网络的策动点导抗函数Zq(s)的实部；
[0043] Xq(s):宽带匹配网络的策动点导抗函数Zq(s)的虚部；
[0044] Hilbert {R^s)} :&⑴的希尔伯特变换；
[0045] Rq(?):为心(8)在s = 时的函数；
[0046] Bn:为恒正的偶次多项式的各项系数Bi，B2…，Bn;
[0047] AQ:未知系数；
[0048] ? :为角频率；
[0049] ndc:为正实数，其大小决定了 Rq(?2)函数零点的个数；
[0050] c (?):由n个未知实系数Cj(j= 1，2, ? ? ?，n)组成的n阶多项式；
[0051] c(_?):为c(?)的共轭函数；
[0052] (3)根据非线性最小二乘算法对误差函数e进行优化，采用Gauss-Newton使得误 差函数e满足均方值最小，即：满足miiK ninR/UO-T；]2,求得优化后的数值A()'和 CJ' ；
[0053] (4)根据优化后的A/和c/计算出宽带匹配网络的输出阻抗函数\( 8)。
[0054] 4、得到幅度补偿器的传递函数w[n]具体过程为：
[0055] (1)根据采集失真线性调频信号y[n]和理想线性调频信号X(l[n]构造得到误差函 数 e[n]:
[0057] 其中：为宽带匹配网络和换能器的传递函数的估计值，以/7]等于理想的线性 调频信号X〇[n]与匹配网络和换能器的传递函数的估计值的线性卷积；
[0058] (2)寻找满足min{E[e2[n]]}的宽带匹配网络和换能器的传递函数的估计值 计算时采用最速下降法，则计算的迭代公式为： A A
[0059] /? v11 [/7] =hV[/?] +2jL!C\[/7]-V(|[/7]
[0060] 其中：:为传递函数估计值的第N次迭代结果；
[0061] 为传递函数估计值的第N+1次迭代的结果；
[0062]y:为迭代步长，即控制参数，
[0063] eN[n]:为误差函数e[n]的第N次迭代结果；
[0064] Rxx :为输入信号x Q [n]的自相关矩阵；
[0065] trace [Rxx]:代表输入信号的自相关矩阵的迹；
[0066] (3)幅度补偿器的传递函数w[n]与宽带匹配网络和换能器的传递函数&；]关系为 共轭取反，因此得到幅度补偿器的传递函数w[n]:
[0067] u{"] = /?.[-"]。
[0068] 有益效果：
[0069] 本发明提出一种声呐发射系统的幅度补偿方法，该方法能有效解决由于换能器指 向性和发送电压响应起伏引起的声呐发射系统信号幅度失真的问题，最终优化得到的幅度 补偿器的传递函数。该声呐发射系统的幅度补偿方法的具体效果包括：
[0070] 理想声呐接收系统为使用的标准水听器和测量放大器，在使用的工作带宽内，标 准水听器和测量放大器的幅频响应平坦，两者的相位响应为线性，采集器的采样频率高于 采集信号最高频率的20倍，此时接收系统不会对采集的信号造成失真，即采集得到的信号 可以正确反映发射信号的幅度和相位信息。
[0071] 最终设计的幅度补偿器其传递函数与估计出的匹配网络和换能器的整体的传递 函数关系为共轭取反。
[0072] 最终使用时，理想信号首先经过幅度补偿器，再依次经过功率放大器、宽带匹配网 络和换能器，此时换能器发射的信号波形，如图6(a)，接近于理想信号波形如图5(a)，补偿 后发射信