专利名称：一种多普勒声纳陆上测试系统及其测试方法
技术领域：
本发明涉及多普勒声纳测试技术领域，具体涉及一种应用自动增益补偿和耦合损失补偿的多普勒声纳陆上测试系统及其测试方法。
背景技术：
多普勒声纳是一种利用多普勒效应进行测速的声纳设备，常规阵多普勒声纳通常由一个发射机生成发射信号，之后通过换能器向多个波束方向发射，并使用多个通道分别接收回声，最后通过计算各通道回波信号中的多普勒频移，从而获得多普勒声纳对水底或水层的相对速度，以达到测速目的。该种设备现已广泛应用于流速测量、导航等领域。由于多普勒声纳的正常工作环境是在水中，因此通常情况下，需要通过航行实验中多普勒声纳与差分GPS数据比对的方法来对多普勒声纳的主要功能和性能进行考核。然而，这种在航行实验中验证考核方法成本高、时间长，且易受海况、海深等外界环境因素的影响。而实验室中的测试主要是针对电子组件，无法对整个多普勒声纳的工作性能进行判断。为了实现非航行状态下对多普勒声纳的性能测试，可以将多普勒声纳发射的声波转化为电信号进行处理，经过适当的信号处理后，再发送模拟回波信号，通过换能器转化为声波实现多普勒声纳发射声波的声传播仿真，以此达到检验声纳工作性能的目的。例如，公开号为CN101458331A的中国发明专利中公开了一种多普勒声纳测试的声对接装置，其系统架构如图I所示，该种声对接装置的原理是在多普勒声纳的每个换能器的表面分别对接一个发射换能器，在四个换能器的其中一个的表面与一个发射换能器和一个接收换能器共同对接，通过耦合材料的选择和结构设计实现声耦合。具体说，多普勒声纳发射的声信号通过匹配材料传递给接收换能器，接收换能器将接收到的声信号转换成电信号发送给发射换能器，发射换能器将上述电信号转换成声信号并通过匹配材料耦合到多普勒声纳的换能器上。多普勒声纳接收上述声信号并处理，以得到速度和深度的测量值。将多普勒声纳的速度和深度的测量值与设定值比较，从而判断多普勒声纳的性能状态，进而实现多普勒声纳的陆上精度测试。该种装置仅采用一个接收换能器，因此只能采集多普勒声纳的某一个固定通道的发射信号，也就无法反应多普勒声纳全部发射通道的情况；由于无法预知耦合损失等因素， 因此也就无法避免因耦合效率不一致导致的各个通道所接收到的多普勒声纳发射信号转化后的电信号幅度不一致的情况；并且检测系统发射的模拟回波信号通过耦合后受耦合损失等因素影响也会出现各个通道的信号幅度不一致的问题；在耦合对接的过程中信号衰减的程度无法预知，因此可能导致信号的幅度与信号在海洋中的声传播损失规律不相符，造成用于仿真的模拟回波信号出现失真的情况。因此，如何提供一种测试系统，以实现对海洋环境仿真，实现对多普勒声纳实现高精确度的陆上测试，是业内亟待解决的问题。。
发明内容
有鉴于此，本发明的第一目的是提供一种多普勒声纳陆上测试系统，以模拟海洋环境，高精确度地对多普勒声纳进行陆上测试。本发明的另一目的是提供一种多普勒声纳陆上测试方法，以解决上述测试装置所存在的测试精度较低的问题。一种多普勒声纳陆上测试系统，所述多普勒声纳发射多通道声信号并接收多通道模拟回波信号，包括对接模块，其与所述多普勒声纳的多通道信号对接；数据处理模块， 其接收所述对接模块传送的信号，产生多通道的模拟回波信号，并通过所述对接模块将该数据处理模块产生的模拟回波信号返回给所述多普勒声纳；其中，所述数据处理模块对所述模拟回波信号进行补偿，以获得与多普勒声纳在水中声波回波的强度相当的调整后模拟回波信号，所述对接模块将该调整后的模拟回波信号发送给所述多普勒声纳；所述多普勒声纳接收到的模拟回波信号与其发射信号对比计算，得到多普勒参数，从而得到相对速度和深度。本发明提供的一种多普勒声纳陆上测试方法，该方法包括对接模块接收与多普勒声纳耦合后的耦合信号；采集耦合后的多普勒声纳发射信号；生成模拟回波信号；调整生成的模拟回波信号；多普勒声纳接收调整后模拟回波信号，计算所需数值；将测得数值与测试设定值比较，以判断多普勒声纳的工作性能。由于采用了以上的技术方案，使得本发明相比于现有技术，具有如下的优点和积极效果采用本发明提供的多普勒声纳陆上测试系统和方法，可以通过模拟海上航行时的状态，对多普勒声纳的性能进行测试；并且，无需人工进行各个通道的信号幅度调整，检测系统可以按照海洋声传播的理论模型进行仿真参数设定，对多普勒声纳的发射信号和模拟回波信号进行增益补偿和耦合损失补偿，得到模拟回波信号，从而计算相对速度和深度，并根据测得的相对速度及深度和系统预设值比较，以获取多普勒声纳的性能参数。本发明提高了多普勒声纳的陆上检测精度，避免了耦合损失等外部因素对陆上测试的影响。
图I是现有技术的一种多普勒声纳陆上测试系统的架构图；图2为本发明的系统架构图；图3是Janus配置波束倾角示意图；图4为本发明的运行状态原理图。
具体实施例方式为便于理解，下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。本发明提供一种多普勒声纳陆上测试系统，用于模拟多普勒声纳在海上航行中的测试过程，包括多普勒声纳，用于发射多通道声信号，并接收多通道模拟回波信号；对接模块，其与所述多普勒声纳对接，该对接模块包括一信号调理电路；数据处理模块，其接收所述信号调理电路调理后的信号，并根据接收到的信号运算以发送控制信号给所述信号调理电路对所述对接模块接收到的多通道信号进行调理，并产生多通道的模拟回波信号；所述数据处理模块发送增益控制信号给所述信号调理电路，由该信号调理电路对所述对接模块采集到的多普勒声纳的发射信号进行增益补偿和耦合损失补偿；并且，该数据处理模块根据所述增益补偿的数值和耦合损失，对所述模拟回波信号进行调整，并将调整后的模拟回波信号发送给所述多普勒声纳；所述多普勒声纳接收到的模拟回波信号与其发射信号对比计算，得到包含多普勒频移和延时等在内的多普勒参数，从而得到相对速度和深度。请参考附图2，为本发明提供的测试系统的一种实施例的架构图，如图2所示，检测系统100包括数据处理模块120和对接模块110两主体部分。常规地，多普勒声纳包括多个换能器，这些换能器组成一个换能器阵列。在本实施例中，采用了 4个换能器，但是并不作为限制，也可配置为8个或者更多。对接模块110同样包括4个与多普勒声纳的4个换能器一一对应且分别耦合的换能器，以及一个处理模拟信号的信号调理电路111。数据处理模块120则包括多个信号转换的通道和一个作为控制核心组件的控制器121，当然也可称之为CPU、处理器等等，在此仅以其功能作为举例，而不限制在其名称。 具体地，数据处理模块120的信号转换通道包含高速A/D转换通道和高速D/A转换通道，例如模数转换器或者数模转换器。高速A/D转换通道的通道数与多普勒声纳的换能器阵元数相一致，例如分别有4个完成信号处理电路产生的信号向控制器传输的A/D转换通道和四个控制器产生的模拟回波信号向信号处理电路发送的D/A转换通道。此外，数据处理模块中还增加了低速D/A通道用于输出增益控制电压给信号处理电路完成对发射信号或模拟回波信号的增益补偿，并通过控制器121控制整个系统工作以及信号处理和参数计算等功倉泛。如图3所示，以Janus配置(一种多普勒声纳四波束正交的配置方式，国内外很多多普勒声纳采用了这种配置)的常规阵多普勒声纳测试过程为例，多普勒声纳检测系统通过对接模块的四个换能器与Janus配置的常规阵多普勒声纳的换能器间耦合对接，但是换能器的数目并不作为限制，可以是更多，也可以更少。只要满足需要检测的通道数目即可。 并且，与现有技术中采用的单路接收多路发射对接装置相比，检测系统对接模块110使用收发合置换能器，也就是说对接模块和多普勒声纳的耦合器都是同时具有发射换能和接收换能功能的换能器，具备声信号/电信号之间的转化功能。对接模块110的换能器与多普勒声纳的换能器一一对应，且相对应的一对换能器之间，通过耦合剂(如YM100医用超声耦合剂)提高耦合效率使通过耦合后的发射信号通过检测阈值。在本实施例中，采用多路接收多路发射的方式，多通道同时进行。也就是说，检测系统中发射换能器和接收换能器的数量相同，使多普勒声纳和检测系统之间的耦合过程互逆。这种对接模块的设计可使得根据每一路接收到的电信号幅度动态补偿发射模拟回波信号在耦合过程中的损失。检测系统与多普勒声纳的通讯接口连接，使其能够获得多普勒声纳的输出结果， 并将输出结束通过显示界面显示，完成参数比较，以获取经过检测的多普勒声纳的工作性倉泛。请参考图4、藉由上述的系统，可以实现如下所示的多普勒声纳陆上检测方法，该方法采用具备自动增益补偿和耦合损失补偿，步骤如下步骤一、检测系统完成初始参数的设置；
在系统中设定待测底深H和三维坐标系下的多普勒声纳对底相对速度值Vx、Vy, Vz，这些数据是用来模拟航行中水下的运行状态。步骤二、分路采集经过耦合得到各通道多普勒声纳发射信号转化后的电信号；具体地说，多普勒声纳发送4路声信号，经耦合后转换为4路电信号，驱动检测设备，也就是将低速待测的电信号通过低速A/D转换装置转换后，发送给控制器，完成初始信号的采集。步骤三、对采集到的上述发射信号进行自动增益补偿，并记录增益补偿数值；采用自动增益补偿的方法处理的目的是使4个通道的信号幅度一致并满足预设门限值，方法如下检测系统以预设的增益控制电压调整发射信号的增益，在满足信噪比的前提下将过门限(也就是在门限值之内)的发射信号进行处理，得到发射信号的采样信号幅度。检测系统以初始增益控制电压调整发射信号的增益，再以201og(V/VAD)进行粗调，其中V为耦合转化后的电信号采样幅值，Vad为检测系统接收信号目标幅值。之后，对粗调后的信号进行微调，采用步长自适应调整的方法进行调整，方法如下V(n+1) = V (η)+ y (η)其中Υ (η)为步长，其本身随着目标幅值的逼近进行自适应调整，调整步长可根据精度要求进行设定。当信号幅度进入门限值后调整结束时，各通道信号幅度一致，记录每个通道的增益补偿值Gadi......GADn。输出信号增益补偿应使多普勒声纳接收到的信号总增益G, = TL(TL为声纳方程中的传播损失)。通过控制器发送增益控制电压来调整信号调理电路的输入和输出通道增益，完成对输入和输出信号幅度增益补偿。使用自动计算参数配合信号幅度反馈的方法使增益控制电压随信号幅度的变化而调整，直到信号幅度调整到预定值。增益补偿动态范围应大于多普勒声纳自身的动态范围保证检测系统的检测范围能够包含多普勒声纳的作用距离。步骤四、生成模拟回波信号首先，按照多普勒声纳发射信号的脉冲宽度，中心频率，编码形式等构造模拟回波信号。之后，以发射信号的起始时刻为基准，按照Td = 2H/(C*C0哗)的关系构造延时后将模拟回波信号发出。其中H为设定的待测底深，C为声速,<3为声纳波束倾角。接着，按照设定步骤一中的测试速度值生成各个通道多普勒频移，调整模拟回波信号的频率，方法如下
权利要求
1.一种多普勒声纳陆上测试系统，所述多普勒声纳发射多通道声信号并接收多通道模拟回波信号，其特征在于，包括对接模块，其与所述多普勒声纳的多通道信号对接；数据处理模块，其接收所述对接模块传送的信号，产生多通道的模拟回波信号，并通过所述对接模块将该数据处理模块产生的模拟回波信号返回给所述多普勒声纳；其中，所述数据处理模块对所述模拟回波信号进行补偿，以获得与多普勒声纳在水中声波回波的强度相当的调整后模拟回波信号，所述对接模块将该调整后的模拟回波信号发送给所述多普勒声纳；所述多普勒声纳接收到的模拟回波信号与其发射信号对比计算，得到多普勒参数，从而得到相对速度和深度。
2.如权利要求I所述的多普勒声纳陆上测试系统，其特征在于，所述对模拟回波信号进行补偿进一步包括增益补偿和对各个通道的耦合损失，以使个通道信号幅度相一致。
3.如权利要求2所述的多普勒声纳陆上测试系统，其特征在于，所述对接模块包括一信号调理电路，其接收多通道声纳发射声波经耦合转化后的电信号，并将电信号发送给所述数据处理模块，所述数据处理模块根据接收到的信号发出增益控制信号给所述信号调理电路，对接收到的电信号进行幅度调整，并记录补偿值。
4.如权利要求3所述的多普勒声纳陆上测试系统，其特征在于，所述数据处理模块进一步包括一控制器，其通过若干个模数转换通道与所述信号调理电路连接，并根据接收到的信号发出增益控制信号给所述信号调理电路，对接收到的电信号进行幅度调整，并记录自动增益补偿值。
5.如权利要求4所述的多普勒声纳陆上测试系统，其特征在于，所述控制器生成模拟回波信号，并根据记录的自动增益补偿值，对各通道的模拟回波信号进行补偿。
6.如权利要求I所述的多普勒声纳陆上测试系统，其特征在于，所述多普勒声纳包含第一换能器阵列，所述对接模块包括第二换能器阵列，该第一、第二换能器阵列分别包括复数个换能器，藉由该些换能器完成信号耦合，形成多个信号通道。
7.如权利要求6所述的多普勒声纳陆上测试系统，其特征在于，所述换能器均为具有发射换能和接收换能功能的合置换能器，且所述第一、第二换能器包含的换能器数目相同、 --对应。
8.如权利要求3所述的多普勒声纳陆上测试系统，其特征在于，所述数据处理模块进一步包括复数个高速A/D转换通道，用以将所述信号调理电路发出的模拟信号转换为数字信号，发送给所述控制器运算；复数个高速D/A转换通道，用以将控制器发送的数字模拟回波信号转换为模拟信号并发送给所述信号调理电路。
9.如权利要求I所述的多普勒声纳陆上测试系统，其特征在于，所述模拟回波信号中包含了仿真声传播过程的多普勒频移、延时和传播损失信息。
10.一种多普勒声纳陆上测试方法,其特征在于,包括对接模块接收与多普勒声纳耦合后的耦合信号；采集耦合后的多普勒声纳发射信号；生成模拟回波信号；调整生成的模拟回波信号；多普勒声纳接收调整后模拟回波信号，计算所需数值；将测得数值与测试设定值比较，以判断多普勒声纳的工作性能。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，还包括对采集到的多普勒声纳发射信号经耦合转化后的电信号进行自动增益补偿，并计算增益补偿值。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述调整生成的模拟回波信号包括依据计算出的增益补偿值对生成的模拟回波信号增益补偿。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述调整生成的模拟回波信号还包括将发射过程和接收过程中的耦合损失抵消。
14.如权利要求11所述的方法，其特征在于，在自动增益补偿步骤中进一步包括检测系统以预设的增益控制电压调整发射信号的增益，在满足信噪比的前提下将过门限的发射信号进行处理，得到发射信号的采样信号幅度；检测系统以初始增益控制电压调整发射信号的增益；进一步粗调发射信号；步长自适应调整法微调控制电压，直至信号幅度进入门限值。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，进一步粗调发射信号包括以201og(V/VAD) 进行粗调，其中V为耦合后的多普勒声纳发射信号采样幅值，Vad为检测系统接收信号目标幅值。
16.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述依据计算出的增益补偿值对生成的模拟回波信号增益补偿进一步包括获取对接模块采集到的各通道信号幅度与多普勒声纳发射信号幅度之间关系；获取多普勒声纳得到的模拟回波信号幅度与对接模块端的模拟回波信号幅度之间关互易以上两过程中的耦合损失，获取模拟回波信号增益补偿经验公式。
全文摘要
本发明公开一种多普勒声纳陆上测试系统及方法，所述系统包括用于发射多通道声信号并接收多通道回波信号的多普勒声纳、与多普勒声纳对接的对接模块以及数据处理模块，该数据处理模块接收对接模块中信号调理电路调理后的信号，并根据接收到的信号运算以发送控制信号给所述信号调理电路对所述对接模块接收到的多通道信号进行调理，并产生多通道的模拟回波信号；所述多普勒声纳接收到的模拟回波信号与其发射信号对比计算，得到多普勒频移参数，从而得到相对速度和深度。本发明可减少陆上测试多普勒声纳性能的过程中对耦合损失等外部因素的影响，提高测试精度，降低系统误差。
文档编号G01S7/52GK102590804SQ20121004856
公开日2012年7月18日 申请日期2012年2月27日 优先权日2012年2月27日
发明者吴建波, 张向军, 杨靖, 潘锋, 王长红, 邓锴, 马龙 申请人:中国科学院声学研究所