一种基于最优空时聚焦技术的声学覆盖层回声降低测量方法与流程

水下声学覆盖层是水声工程中使用广泛且至关重要的水下部件，为评估声学覆盖层试样的回声降低性能，实验室条件下大件样品的回声降低测量是一种重要的手段，本发明涉及一种水下声学覆盖层大样回声降低的低频测量方法。

背景技术：

声学覆盖层指敷设在水下部件上的专用功能声学材料与结构，主要由消声瓦、隔声瓦、抑振瓦、去耦瓦、阵列消音器等具有不同声学功能的系列产品综合组成的声学防护体系。声学覆盖层一方面可吸收主动探测声波，降低水下结构的声目标强度，另一方面可作为抑制结构自身辐射噪声的材料。

回声信号的强弱与目标的反射特性密切相关，它是衡量水下声学覆盖层吸声性能的重要指标，工程上用“目标强度”来描述目标声反射本领的大小。有限空间近场条件下，无法直接测量试样的目标强度，但可在相同的入射声波条件下，通过测量敷设声学覆盖层前/后模型回声的变化量(即回声降低)来衡量声学覆盖层对模型目标强度的抑制效果。

现有的声学覆盖层回声降低的测量方法包括空间傅里叶变换方法，宽带脉冲压缩法，时间反转聚焦方法、多通道空时逆滤波法等。有限空间环境下，混响及多径效应严重，无法实现平面波的精确分解，从而限制了空间傅里叶变换方法的应用；宽带脉冲压缩法可实现时域脉冲信号波形聚焦，但低频条件下，其单通道发射的特点导致指向性变差，衍射及混响干扰较严重；时间反转聚焦方法可实现空时聚焦，但由于其没有抵消信道幅度的影响，聚焦的时域信号脉宽受限，无法实现最优聚焦效果，不利于低频情况下回声降低的测量；多通道空时逆滤波技术没有用到接收阵及发射阵各阵元信道传递函数之间的相干信息，对于具有多个接收阵元的测量系统，没有实现最佳空时聚焦。此外，对于多层壳体模型，通常需分别评估每一层试样的回声性能以实现最优的综合吸声性能评估，因此不但须对直达波和回波进行分离，还须对各层壳体回波进行分离，尤其随着频率的降低，测量对回声信号的时域波形聚焦具有更高的要求。

技术实现要素：

为克服现有技术的上述缺点，实现低频、有限空间条件下，声学覆盖层大样回声降低测量中各吸声层反射回波与直达波的分离并进行多径干扰抑制，进一步提高现有的声学覆盖层回声降低测量技术在低频段及多层壳体模型测试中测量结果的精度，本发明提出一种基于最优空时聚焦技术的声学覆盖层大样回声降低测量方法，该方法应用多通道目标函数最优化方法，通过目标函数最优解控制多通道发射信号，实现在目标位置处的最优空时聚焦，获取空时域高分辨聚焦信号，从而达到最优聚焦入射、混响抑制及多层壳体回波分离的目的。该方法适用于低频段，在有效减小测量误差、提高测量精度的同时，降低了测量实验对试样尺寸和实验空间的要求。压力罐测量实验验证了本发明在声学覆盖层回声降低测量中的有效性。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案如下。

一种基于最优空时聚焦技术的声学覆盖层回声降低测量方法包括如下步骤：

1)生成最优空时聚焦发射信号：无试样情况下，各发射换能器依次发射初始导引信号，各水听器依次接收信号，利用最小二乘方法获取各个通道的信道响应函数，通过目标函数最优化方法获得各发射通道的二次发射信号；

2)有试样情况下直达信号及回波信号的采集：将敷设声学覆盖层的试样放入测试环境，各换能器同步发射1)中计算得到的发射信号，则根据目标函数最优化方法的原理，发射信号将在预设水听器位置处产生空时域均为狄拉克函数的波形，水听器记录试样的直达信号pi及经附近试样反射的回波信号pr；

3)回声降低测量值的计算：利用回声降低的计算公式可得

其中er表示回声降低值。

本发明的技术构思为：通过初始导引信号发射及水听器逐一接收，得到包含电路信道和水声信道信息的接收信号，进而通过目标函数最优化方法，获得换能器阵每一阵元的二次发射信号，然后各换能器同步发射，获得预设水听器处的最优聚焦信号，从而最优化地实现测量信号的空间聚焦及时域脉冲压缩，达到抑制低频混响的目的。

与现有的回声降低测量方法相比，本发明的技术优势主要表现在：利用各发射阵元及接收阵元之间的信道相干信息，通过目标函数最优化方法，获取各发射阵元最优聚焦发射信号，经同步发射，实现预设水听器处的最优空时聚焦，达到回声降低测量中低频高分辨率及混响抑制的目的，尤其适用于低频段及多层壳体模型回声降低的测量。

附图说明

图1是本发明方法的测量系统整体示意图。

图2是压力罐环境下5mm厚钢板试样回声降低理论及测量试验结果对比图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图2，一种基于最优空时聚焦技术的声学覆盖层回声降低测量方法，用于有限空间声学覆盖层大样回声降低的测量。整套测量方法的技术方案如下：

1)生成最优空时聚焦发射信号；

首先，利用最小二乘算法估计信道响应；无试样情况下，各发射换能器分别发射导引信号，频域表示为en(ω)，n＝1,2,…,n，经电路信道和水声信道传递后被第m个水听器接收，输出信号表示为y(ω,rn；rm)，m＝1,2,…,m；其中n、m分别为发射换能器和水听器的个数，ω表示角频率，rn、rm分别表示第n个发射换能器和第m个水听器的位置；则频域上该过程可表示为

y(ω,rn；rm)＝en(ω)·g(ω,rn；rm)(2)

其中g(ω,rn；rm)为第n个发射通道与第m个接收通道之间的信道响应函数；

根据最小二乘原理，定义目标函数

p(g)＝(y-eg)^h(y-eg)(3)

其中上标h表示共轭转置，g表示不同收发通道响应函数组成的矩阵

y是输出信号组成的矩阵

e是由输入信号组成的对角矩阵，即

e＝diag[e1(ω),e2(ω),…,en(ω)](6)

其中diag表示以向量[e1(ω),e2(ω),…,en(ω)]为对角元的矩阵；

为求p(g)的最小值，令其对g的偏导数等于零，即

计算得到信道响应

g＝(e^he)^-1e^hy(8)

得到信道响应后，为求解最优化的二次发射信号，建立如下目标函数

j(s1(ω),s2(ω),…,sn(ω))＝∫w|φ(ω,r)-exp(-iωt)δ(r-rc)|²dr(9)

其中，w为水听器的位置集合。另设sn(ω)对应的时域信号为sn(t)，n＝1,2,…,n，t表示时间；当sn(t)在t＝0时刻发射，经信道传递后设其在预设聚焦位置rc处和t时刻聚焦，要实现空时最佳聚焦，预设位置处的聚焦信号在频域上的理论值可表示为exp(-iωt)δ(r-rc)，即空时均为狄拉克函数；设φ(ω,rm)，m＝1,2,…,m，为第m个水听器振元处的接收信号，可表示为

其中，xn(ω,rm)，m＝1,2,…,m，为第m个水听器位置处的接收信号，表示为

xn(ω,rm)＝sn(ω)·g(ω,rn；rm)(11)

将φ(ω,rm)带入目标函数并进行最小化求解，可得最优二次发射信号为

γ(ω)s(ω)＝exp(-iωt)g^*(ω)(12)

其中g^*(ω)表示函数g(ω)的共轭函数，γ矩阵的组成元素为

γ^nm(ω)＝∫wg(ω,rn；r)g^*(ω,rm；r)dr(13)

向量g(ω)的组成元素为

gn(ω)＝g(ω,rn；rc),n＝1,2,…,n(14)

即γ为各信道响应函数的互相关表示，g(ω)为各发射阵元到预设聚焦位置之间的响应函数组成的向量；则最优二次发射信号可表示为

其中表示矩阵γ的伪逆矩阵，对该信号做逆傅里叶变换得到时域最优空时聚焦的发射信号s(t)。

2)有试样情况下直达信号及回波信号的采集；

将敷设声学覆盖层的试样放入测试环境，如图1所示，通过计算机辅助处理系统控制多通道独立控制信号发生器产生由步骤1)生成的最优二次发射信号，经多通道功率放大器放大后，由各发射换能器同步发射，则发射信号将在预设位置处产生最优空时聚焦，计算机辅助处理系统控制采集器记录有试样时的信号，根据程差关系从记录信号中截取直达波信号pi及经附近试样反射的回波信号pr。

3)回声降低测量值的计算；

利用2)采集的试样直达波信号pi及回波信号pr，由公式(1)计算可得回声降低测量值。

实例说明：为验证本发明在声学覆盖层回声降低测量中的有效性，实验室条件下开展了压力消声水罐环境下的试验验证。实验中三元发射阵与测试样品相距4.5m，3个圆形发射换能器阵元均匀分布在半径为1.5m的圆上。测试试样为钢板，其几何尺寸为1.1m×1.0m×5mm，密度为7.84×10³kg/m³，声速5470m/s，五元十字水听器阵距离钢板表面约0.25m。该试验开展了0.5khz～5khz频率的回声降低数据采集和处理。由图2可知，测量结果与理论值基本一致，误差小于1db，可知本发明在声学覆盖层回声降低测量中具有有效性。此外，图中显示低频处回声降低的测量误差略大，其原因主要是测量系统的发射换能器在低频区域性能下降较为明显，导致信号波形畸变，信噪比降低，从而影响测量结果。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。