一种多途环境中利用极化特征截取直达波的方法与流程

本发明属于水下矢量传感器及基阵的测量方法领域，具体涉及一种多途环境中利用极化特征截取直达波的方法。

背景技术：

传统的脉冲声技术可以在中高频段发挥作用，区分直达信号和反射信号，但随着水下声探测技术向低频段发展，测试空间的尺度与波长相比拟，脉冲声技术已不能满足需求，多途引起的声场畸变严重制约了水下传感器及其基阵的测量与校准工作。为克服水池低频校正难题，扩展测量的频率下限，几种不同类型的处理手段被发掘研究：瞬态信号建模技术研究换能器瞬态信号的建模算法，从而估计发射器的稳态响应，降低了低频高品质因数值换能器校准的下限频率；空间域处理技术则通过无规则变换传感器在有限水域中位置的方法，利用多途干扰的随机和无规则特性对其进行叠加消除，提高非消声水池的低频测试能力。但多数处理方法与处理技术不能从源头上判断获取信号的正确性，从而难以获得真正意义上的直达波，影响矢量传感器及其基阵的低频测量精度。而由于场地和资源限制，在水池等有限空间进行传感器研制过程中的测量工作不可避免，而有限空间中池壁反射等多途信号明显，因此如何在多途环境中提取有效直达波信号，成为矢量传感器低频测量中的重点与难点。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对水下多途校准环境的影响，发明一种利用极化特征的，操作简单、方便实用的直达波截取方法，以实现水下矢量传感器及基阵的测量，尤其是20-1000hz低频范围内的矢量传感器及基阵的测试与校正。

本发明的目的是这样实现的：

一种多途环境中利用极化特征截取直达波的方法，具体的实现步骤如下：

步骤1.将矢量传感器或基阵放置在被测环境中，并布放声源，声源与被测矢量传感器之间距离满足声学远场条件，声源的主轴方向对准矢量传感器方向；

步骤2.调节信号发生器产生cw脉冲信号，经功率放大器加载到声源上形成测试声场；

步骤3.采集与存储矢量传感器的接收信号，包括声压信号和振速通道信号；

步骤4.截取各振速通道的信号段，画出质点运动轨迹，观察多途环境中声波极化特征随时间变化关系；

步骤5.根据极化特征的变化情况，区分直达波段与多途干涉段；

步骤6.根据质点振动轨迹中椭圆率和极化度随时间的变化情况从时域上区分直达波段和多途信号混叠段；

步骤7.变换不同脉宽，观察直达波段极化特征随脉宽变化情况，验证直达波段选取的正确性。

步骤5所述的根据极化特征的变化情况，区分直达波段与多途干涉段的原理为，在多途环境中，直达波信号为s(t)，且共有q次反射，第q(q＝1,…,q)个多途信号相对直达波的幅度为αq、时延分别为τq，接收信号模型为

其中βx为x通道相对声压p通道的幅度不一致量、βy为y通道相对声压p通道的幅度不一致量，为x通道相对声压p通道的相位不一致量、为y通道相对声压p通道的相位不一致量；

对于直达波段，极化椭圆描述公式为

对于多途干涉段，极化椭圆描述公式为

直达波段极化椭圆与多途干涉段极化椭圆的椭圆率和极化方向均不相同。

本发明的有益效果在于：本发明考虑了在多途环境中矢量传感器及基阵低频测量的主要矛盾，对于有界空间的影响进行了建模并合理截断，本发明克服了目前矢量传感器及其基阵的低频测量需要大尺度自由场空间的难题，提供一种在有界空间水域、可操作性强、方便实用的信号截取与测量方法，可以广泛应用于低频水声计量各领域。

附图说明

图1为程序流程图。

图2为x通道时域波形图。

图3为y通道时域波形图。

图4为极化特性图。

图5为不同脉宽时极化特征图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述：

实施例1

一种多途环境中利用极化特征截取直达波的方法，具体的实现步骤如下：

步骤1.将矢量传感器或基阵放置在被测环境中，并布放声源，声源与被测矢量传感器之间距离满足声学远场条件，声源的主轴方向对准矢量传感器方向；

步骤2.调节信号发生器产生cw脉冲信号，脉宽足够长以使信号充分达到稳态，经功率放大器加载到声源上形成测试声场；

步骤3.采集与存储矢量传感器的接收信号，其中每个矢量传感器基元包括一路声压信号和两路振速通道信号；

步骤4.利用同步信号或能量检测手段，截取各振速通道的信号段，画出质点运动轨迹，观察多途环境中声波极化特征随时间变化关系；

步骤5.根据极化特征的变化情况，区分直达波段与多途干涉段，在多途环境中，直达波信号为s(t)，且共有q次反射，第q(q＝1,…,q)个多途信号相对直达波的幅度为αq、时延分别为τq，接收信号模型为

其中βx为x通道相对声压p通道的幅度不一致量、βy为y通道相对声压p通道的幅度不一致量，为x通道相对声压p通道的相位不一致量、为y通道相对声压p通道的相位不一致量；

对于直达波段，极化椭圆描述公式为

对于多途干涉段，极化椭圆描述公式为

直达波段极化椭圆与多途干涉段极化椭圆的椭圆率和极化方向均不相同；

步骤6.根据质点振动轨迹中椭圆率和极化度随时间的变化情况从时域上区分直达波段和多途信号混叠段，极化椭圆中各点与接收信号时域波形图之间存在一一对应关系，因此找出极化特征变化时所对应的时域数值，即可从时域上区分直达波段和多途信号混叠段；

步骤7.变换不同脉宽，观察直达波段极化特征随脉宽变化情况，验证直达波段选取的正确性。

实施例2

本发明属于一种水下矢量传感器及基阵的测量方法，它涉及20-1000hz低频范围内多途环境中的水下矢量传感器及基阵测试与校正领域。

传统的脉冲声技术可以在中高频段发挥作用，区分直达信号和反射信号，但随着水下声探测技术向低频段发展，测试空间的尺度与波长相比拟，脉冲声技术已不能满足需求，多途引起的声场畸变严重制约了水下传感器及其基阵的测量与校准工作。为克服水池低频校正难题，扩展测量的频率下限，几种不同类型的处理手段被发掘研究：瞬态信号建模技术研究换能器瞬态信号的建模算法，从而估计发射器的稳态响应，降低了低频高品质因数值换能器校准的下限频率；空间域处理技术则通过无规则变换传感器在有限水域中位置的方法，利用多途干扰的随机和无规则特性对其进行叠加消除，提高非消声水池的低频测试能力。但多数处理方法与处理技术不能从源头上判断获取信号的正确性，从而难以获得真正意义上的直达波，影响矢量传感器及其基阵的低频测量精度。而由于场地和资源限制，在水池等有限空间进行传感器研制过程中的测量工作不可避免，而有限空间中池壁反射等多途信号明显，因此如何在多途环境中提取有效直达波信号，成为矢量传感器低频测量中的重点与难点。

本发明的目的在于针对水下多途校准环境的影响，发明一种利用极化特征的，操作简单、方便实用的直达波截取方法，以实现水下矢量传感器及基阵的测量，尤其是20-1000hz低频范围内的矢量传感器及基阵的测试与校正。

本发明的目的是这样实现的：

(1)将矢量传感器(基阵)放置在被测环境中，同时布放声源。声源与被测矢量传感器之间距离满足声学远场条件，声源的主轴方向对准矢量传感器方向；

(2)调节信号发生器产生cw脉冲信号，经功率放大器加载到声源上形成测试声场。

(3)采集与存储矢量传感器的接收信号，包括声压信号和振速通道信号。

(4)截取各振速通道的信号段，画出质点运动轨迹，观察多途环境中声波极化特征随时间变化关系。

(5)按照以下原理，根据极化特征的变化情况，区分直达波段与多途干涉段：

在多途环境中，假设直达波信号为s(t)，且共有q次反射，第q(q＝1,…,q)个多途信号相对直达波的幅度和时延分别为αq和τq，则接收信号模型为

式中βx、βy分别为x通道、y通道相对声压p通道的幅度不一致量，分别为x通道、y通道相对声压p通道的相位不一致量。

对于直达波段，极化椭圆由

描述；而对于多途干涉段，极化椭圆由

描述，二者之间椭圆率和极化方向均不相同。

(6)根据质点振动轨迹中椭圆率和极化度随时间的变化情况从时域上区分直达波段和多途信号混叠段。

(7)变换不同脉宽，观察直达波段极化特征随脉宽变化情况，验证直达波段选取的正确性。

本发明考虑了在多途环境中矢量传感器及基阵低频测量的主要矛盾，对于有界空间的影响进行了建模并合理截断。本发明克服了目前矢量传感器及其基阵的低频测量需要大尺度自由场空间的难题，提供一种在有界空间水域、可操作性强、方便实用的信号截取与测量方法，因此本发明可以广泛应用于低频水声计量各领域。

下面结合附图对发明做更详细地描述：

(1)将矢量传感器或基阵通过转接法兰安装在测量水池的行车上，放入水池深度约1/2处。同时将测量用辅助声源吊放到同一深度，声源距基阵几何中心距离为r满足声学远场条件，声源的主轴方向对准矢量传感器方向。

(2)调节信号发射器产生所需频率的cw脉冲信号，脉宽足够长以使信号充分达到稳态，经功率放大器加载到声源输入端，形成测试声场。

(3)在试验过程中，保持声源不动，利用信号采集系统对信号进行采集，存储，其中每个矢量传感器基元包括一路声压信号和两路振速通道信号。根据工作环境，可以将矢量传感器接收信号建模为

(4)利用同步信号或能量检测手段，截取各振速通道的信号段，画出其时域图(如图2所示)，并利用两矢量通道信号画出质点运动轨迹，观察多途环境中声波极化特征随时间变化关系，如图4所示。

(5)由极化特征图4所示，在某一时刻前后，质点运动轨迹所描述的极化椭圆不再相同。由理论可知，对于直达波段，极化椭圆由

描述；而对于多途干涉段，极化椭圆由

描述，即多途信号到达前后，质点运动所描述的极化椭圆不再相同。

(6)极化椭圆中各点与接收信号时域波形图之间存在一一对应关系，因此找出极化特征变化时所对应的时域数值，即可从时域上区分直达波段和多途信号混叠段。

(7)为了验证所选取的直达波段的正确性，变换不同脉冲宽度，如图5所示。图5中，直达波段为前4个波组成的信号段，因此在脉冲个数分别为2、3、4时，质点运动轨迹所描述的极化特征相同，只在功率上有所区别。当脉冲宽度超过4个波时，质点振动所描述的极化椭圆的椭圆率和极化方向开始发生变化，显示出了多途叠加效果的影响。当脉冲宽度继续增加时，由于多途效果达到稳态，因此所描述的极化特征趋于稳定，但与直达波段仍有明显区别。