冰层粗糙表面垂直声反射系数测量方法与流程

本发明涉及的是以一种水声测量方法，具体地说是一种水声材料的垂直声反射系数测量方法。

背景技术：

由于水动力学及热力学等自然的作用下，冰层的下表面常常是粗糙的表面，其垂直反射系数为粗糙表面的垂直反射系数，工程实际中常常需要实际测量。精确测量冰层粗糙的下表面的垂直声反射系数对于指导仰视测冰声纳的设计具有重要的实际意义。另外，对于一般的水声材料而言，水声材料表面的反射系数是最基本的声学参数，尤其对于某些具有一定粗糙表面的水声材料，常需实际测量其粗糙表面处的垂直反射系数。水声领域测量材料反射系数时一般采用脉冲信号，比如在实验室用水声脉冲声管测量或在开阔水域(如消声水池或湖、海)中测量时一般都会采用CW脉冲信号或宽带短脉冲信号，但CW脉冲信号频率单一，每次只能测得水声材料在一个频率点上的反射系数，当测量水声材料在某个频带内的反射系数时就会使工作量变大，而且处理数据时也会比较繁琐。因此，有时会采用宽带脉冲信号作为发射信号，其对接收信号和发射信号通过傅立叶变换技术后相除即可得到某个频带内的反射系数，大大减小测量的工作强度。宽带脉冲信号可以迅速的测得水声材料表面在某个频带内的垂直反射系数，然而被测水声材料往往具有一定厚度，当脉冲时间过长时，由于介质层厚度有限，接收到的回波信号由上、下表面反射信号叠加而成，不能从时域上直接分离出上、下表面反射信号，因此发射信号脉冲宽度常常会受到限制，从而也导致频率分辨力也随之降低，大大限制了宽带测量方法的适用范围。文献《基于脉冲压缩技术的宽带反射系数测量方法》采用匹配滤波器的脉冲压缩技术将反射波与直达波分离，然后对去除多途后的压缩信号再进行一次滤波器处理，最终得到没有直达波的纯反射波信号。该文献方法虽然通过脉冲压缩技术可以有效的分离反射波和直达波的压缩信号，但是需要设计并实现一个滤波器用于将压缩信号还原为反射波信号。该还原滤波器的频率响应与发射信号频谱相同，而发射信号为宽带信号，由滤波器设计理论可知，该滤波器很难设计为无失真滤波器，必然对还原信号产生较大误差。同时，若测量中采用不同的宽带发射信号，还需要设计不同发射信号所对应的还原滤波器，可见该方法缺乏通用性又增加了成本。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种快速、高频率分辨力的冰层粗糙表面垂直声反射系数测量方法。

本发明的目的是这样实现的：

步骤一，采用收发合置换能器发射发射信号后接收冰层回波信号，所述发射信号为宽带长脉冲信号；

第二步，对接收到的冰层回波信号与发射信号做互相关处理，在时域上将冰层上、下表面的反射信号分开，从而提取出下表面反射信号，即冰-水粗糙表面的反射信号；

第三步，计算下表面反射信号与发射信号的互功率谱，以及发射信号的自功率谱；

第四步，下表面反射信号与发射信号的互功率谱与发射信号的自功率谱相除得到下表面的反射系数。

本发明还可以包括：

1、收发合置换能器的声轴垂直于待测冰层下表面，发射宽带长脉冲信号带宽的倒数大于2倍的待测冰层厚度除以其声速，若发射信号为x(t)，冰层下表面的反射波为y₁(t)，冰层上表面的反射波为y₂(t)，则接收信号y(t)＝y₁(t)+y₂(t)。

2、所述对接收到的冰层回波信号与发射信号做互相关处理具体为：接收信号y(t)与发射信号x(t)作互相关处理，得是下表面反射波与发射信号的互相关结果，是上表面反射波与发射信号的互相关结果。

3、步骤三具体包括：对提取到的冰层下表面反射信号做傅里叶变换运算，得到冰层下表面的反射波信号与发射信号的互功率谱，该功率谱为冰层下表面的反射波信号的频谱与发射信号频谱共轭的乘积，即对提取到的作傅立叶变换得互功率谱星号表示取共轭运算，然后再计算发射信号的自功率谱，即P_xx(ω)＝F_x(ω)·F_x^*(ω)，其中F_x(ω)为发射信号傅立叶变换。

4、所述下表面反射信号与发射信号的互功率谱与发射信号的自功率谱相除得到下表面的反射系数表示为：除以P_xx(ω)得在一定带宽内的待测冰面表面的反射系数

本发明的技术优势在于：

(1)本发明与文献《基于脉冲压缩技术的宽带反射系数测量方法》所述方法相比，不需要设计并实现还原滤波器，避免了滤波器设计及实现中的失真而引入的误差；

(2)本发明与文献《基于脉冲压缩技术的宽带反射系数测量方法》所述方法相比，当采用不同发射信号时，只需要计算自、互功率谱，避免了重新分别设计还原滤波器，提高了测量方法的灵活性和通用性。

(3)计算自、互功率谱可采用快速傅里叶变换技术从而可提高了计算效率。

(4)由于避免了滤波器设计与实现并采用快速傅里叶变换技术从而可大大降低软硬件成本。

(5)对于具有一定厚度的材料，采用本发明方法测量表面处的垂直反射系数与不采用互相关处理技术的宽带脉冲测量法相比，本方法发射的脉冲长度没有限制。并且由傅里叶变换性质可知，增加脉冲长度可有效提高测量的频率分辨能力，因此本方法比不采用互相关处理技术的宽带脉冲测量法相比能提高频率分辨率和测量带宽。

(6)本发明方法由于仍然采用了宽带信号作为发射信号，与水声测量常用的CW脉冲方法相比，其保留了宽带脉冲测量工作量小的优势，减小了测量工作的强度，提高了测量效率，在实际测量工作中可快速实现反射系数的测量。

(7)该技术可推广应用于层状水声(也可扩展到空气声)材料的表面反射系数测量、测试，具有较广的应用和较好的经济前景。

本发明针对已有技术中存在的问题，在测量具有一定厚度冰层水下粗糙表面垂直反射系数工程背景下，提出了一种快速、高频率分辨力的冰层的粗糙表面垂直反射系数测量方法。本发明与文献《基于脉冲压缩技术的宽带反射系数测量方法》相比，避免了还原滤波器带来的失真，并且当采用不同发射信号时，只需要计算自、互功率谱，避免了重新分别设计还原滤波器，提高了测量方法的灵活性和通用性。此外，该发明还可应用于层状水声(或空气声)材料的表面反射系数测量测试，具有较广的应用前景。

附图说明

图1是本发明的流程框图。

图2是测量布放示意图。

图3是实施实验示意图。

图4是发射信号和接收信号。

图5是互相关处理后的结果。

图6是截取冰层下表面的反射信号与发射信号的互相关结果及发射信号的自相关计算结果。

图7是冰层下表面(冰-水界面)反射系数的模值。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明作进一步描述。

结合图1，首先采用收发合置换能器发射宽带长脉冲信号后接收冰层回波信号。第二步对接收到的回波信号与发射信号做互相关处理，互相关处理起到脉冲压缩的作用，在时域上可将冰层上、下表面的反射信号分开，从而可提取出下表面的反射信号，即冰-水粗糙表面的反射信号。第三步计算下表面反射信号与发射信号的互功率谱，以及发射信号的自功率谱。第四步下表面反射信号与发射信号的互功率谱与发射信号的自功率谱相除得到下表面的反射系数。

下面详细说明该发明方法的步骤：

(1)、测量布放如图2所示意，换能器6收发合置，换能器声轴垂直于待测材料2下表面，发射宽带长脉冲信号5(如线性调频脉冲)，要求发射信号带宽的倒数要大于2倍的待测材料厚度除以其声速。发射出的声波在水中传播，作用在待测材料后反射，换能器接收反射波信号，此时的反射波信号包含冰层上表面的反射波4和冰层下表面的反射波7。即若发射信号为x(t)，冰层下表面3的反射波为y₁(t)，冰层上表面1的反射波为y₂(t)，则接收信号y(t)＝y₁(t)+y₂(t)；

(2)、接收信号与发射信号作互相关处理，该过程起到脉冲压缩的作用，即在时域上可将冰层上、下表面的反射信号分离开，从而提取出待测冰层下表面的反射波信号。即，接收信号y(t)与发射信号x(t)作互相关处理，得是下表面反射波与发射信号的互相关结果，是上表面反射波与发射信号的互相关结果，此时在时域上与是分开的，因此可在时域上提取出它是下表面的反射波为y₁(t)与发射信号的互相关结果，是我们期望得到的粗糙冰-水表面信号；

(3)、对第(2)步中提取到的冰层下表面的反射波信号做傅里叶变换运算，得到冰层下表面的反射波信号与发射信号的互功率谱，由信号处理理论可知，该功率谱为冰层下表面的反射波信号的频谱与发射信号频谱共轭的乘积。即，对提取到的作傅立叶变换得互功率谱星号表示取共轭运算。然后再计算发射信号的自功率谱，即P_xx(ω)＝F_x(ω)·F_x^*(ω)，其中F_x(ω)为发射信号傅立叶变换。

(4)、将冰层下表面的反射波信号与发射信号的互功率谱除以发射信号的自功率谱即可得到下表面的反射系数。即除以P_xx(ω)可得在一定带宽内的待测材料表面的反射系数

下面通过具体实例来阐述本发明：在水中测量具有一定厚度为d＝1m的冰块下表面的垂直反射系数为例子。收发合置换能器布放在冰块下表面距离H＝5m。下表面(冰-水粗糙表面)粗糙度均方根值为1mm，发射宽带长脉冲信号脉宽5ms、带宽50kHz-200kHz的线性调频脉冲。实施实验布放如图3所示。

发射信号和接收信号如图4所示，接收信号中上、下表面反射信号重叠在一起不能从时域上分离。

采用互相关处理后可很容易的分离上、下表面反射信号，如图5所示。截取下表面与发射信号的互相关结果，如图6所示。对其进行傅里叶变换得到其互功率谱，并对发射信号计算自功率谱，由公式可得在该频带内的反射系数，取模值后得到反射系数的模值如图7所示。由图7可知，采用本发明方法计算得到的反射系数与实际反射系数体现出较好的一致性。频带两端的抖动是因为信号截断引起的，在实际中可在功率谱估计时加窗处理，或者发射信号的带宽大于所需要测量频率范围即可有效抑制，不会影响本方法的使用效果。