一种曲面声基阵水听器相位一致性在线快速测试方法与流程

1.本发明涉及测量；测试的技术领域，特别涉及一种声纳基阵测试领域的曲面声基阵水听器相位一致性在线快速测试方法。


背景技术：

2.水听器是指将声信号转换成电信号的换能器，用来接收水中的声信号，其被广泛用于水中通信、探洲、目标定位、跟踪等，是声纳的重要部件，水下的探测、识别、通信、海洋环境监测和海洋资源的开发都离不开水听器。
3.当前，水听器的相位一致性测试主要在水池中实现，一般通过夹具将参考水听器与被测水听器进行固定，利用声源发射声信号，比较被测水听器与参考水听器接收信号波形得到相位一致性的测试结果。
4.在基阵成阵后，受基阵结构、声传播路径等影响，水听器在线一致性可能发生变化，同时部分水听器在运输安装过程中存在发生碰撞、损坏的可能，导致相位一致性时有异常。因此，基阵装阵试验时，应尽可能对水听器在线状态的相位一致性再次进行验证测试，找出可能存在问题的水听器进行更换，确保声基阵装阵水听器的有效性。
5.现有技术中，在声基阵湖上试验时测试水听器在线相位一致性存在以下困难：
6.(1)许多声基阵均采用圆柱形、球形或与安装平台共形的曲面布阵设计，声信号到达不同水听器的时间有所不同；
7.(2)阵元数量庞大，特别是新型潜艇艏端阵、舷侧阵等声纳，水听器数量规模达到2000元以上，依靠逐一比较两个水听器接收信号波形所耗费的时间是试验无法接受的。


技术实现要素：

8.本发明解决了现有技术中存在的问题，提供了一种优化的曲面声基阵水听器相位一致性在线快速测试方法；考虑到单个水听器检验时已在水池开展了相位一致性测试，湖上在线测试主要用于验证装阵水听器是否因磕碰等原因导致相位一致性异常，本方法可批量快速计算基阵成阵后水听器相位一致性，为声基阵排查异常水听器提供支撑。
9.本发明所采用的技术方案是，一种曲面声基阵水听器相位一致性在线快速测试方法，所述方法在水上试验平台利用固定声源发射单频脉冲信号，采集各个被测水听器接收的信号数据，根据阵元坐标对声基阵水听器接收信号进行时延补偿，截取曲面声基阵面向声源区域的水听器接收信号的直达波段，计算各个被测水听器信号与参考水听器的相关系数，根据相关系数获得各个被测水听器与参考水听器的相位差。
10.优选地，所述测试方法包括以下步骤：
11.步骤1：计算各被测水听器与参考水听器接收信号的声程差ξi，i为正整数；
12.步骤2：获得各被测水听器接收信号时延补偿τi；
13.步骤3：第i个被测水听器的接收信号为si(t)，获得各被测水听器试验补偿后的信号si(t-τi)；
14.步骤4：基于截取的脉冲直达段，计算各个水听器信号与参考水听器的相关系数ρi；
15.步骤5：基于所述各个水听器信号与参考水听器的相关系数，获得被测水听器与参考水听器之间接收信号相位差。
16.优选地，所述步骤1中，声程差为式(1),
[0017][0018]
其中，参考水听器坐标为第i个被测水听器坐标为声源方位为
[0019]
优选地，所述步骤2中，第i个被测水听器的时延补偿为式(2),
[0020][0021]
其中，c为水中声速。
[0022]
优选地，所述步骤4中，各个水听器信号与参考水听器的相关系数ρi为式(3),
[0023][0024]
其中，s0(t)为参考水听器接收信号，j为采样时间点序号，j为正整数。
[0025]
优选地，所述被测水听器与参考水听器之间接收信号相位差|θi|＝arccos|ρi|。
[0026]
优选地，所述参考水听器与被测水听器相同，所述参考水听器设于正对声源的区域；所述声源设于预设的远场条件位置，所述单频脉冲信号为单频正弦波脉冲信号。
[0027]
优选地，所有的所述被测水听器截取的接收信号的直达波段中，所含脉冲个数相同。
[0028]
优选地，所述脉冲个数至少为5个。
[0029]
优选地，所述被测水听器设置于曲面声基阵。
[0030]
本发明涉及一种优化的曲面声基阵水听器相位一致性在线快速测试方法，在水上试验平台利用固定声源发射单频脉冲信号，采集各个被测水听器接收的信号数据，根据阵元坐标对声基阵水听器接收信号进行时延补偿，截取曲面声基阵面向声源区域的水听器接收信号的直达波段，计算各个被测水听器信号与参考水听器的相关系数，根据相关系数获得各个被测水听器与参考水听器的相位差。
[0031]
本发明可以通过计算多个被测水听器与参考水听器之间的相关系数的方式，实现批量快速测试声基阵装阵后，被测水听器之间的相位一致性。
附图说明
[0032]
图1为本发明的方法流程图；
[0033]
图2是为本发明中测试的球形阵布阵示意图，其中基阵直径为2m，垂直共7层，每层30元水听器；
[0034]
图3为远场声源发射1000hz正弦波脉冲信号后参考水听器接收信号截取脉冲的前5个周期作为直达波时段的示意图；
[0035]
图4为计算得到的各个水听器之间相关系数(绝对值)；
[0036]
图5为根据相关系数推算得到的各被测水听器与参考水听器之间相位差(绝对值)。
具体实施方式
[0037]
下面结合实施例对本发明做进一步的详细描述，但本发明的保护范围并不限于此。
[0038]
本发明涉及一种曲面声基阵水听器相位一致性在线快速测试方法，所述方法在水上试验平台，确切地说，是宽阔水域，利用固定声源发射单频脉冲信号，采集各个被测水听器接收的信号数据，根据阵元坐标对声基阵水听器接收信号进行时延补偿，截取曲面声基阵面向声源区域的水听器接收信号的直达波段，计算各个被测水听器信号与参考水听器的相关系数，根据相关系数获得各个被测水听器与参考水听器的相位差。
[0039]
所述参考水听器与被测水听器相同，所述参考水听器设于正对声源的区域；所述声源设于预设的远场条件位置，所述单频脉冲信号为单频正弦波脉冲信号。
[0040]
所有的所述被测水听器截取的接收信号的直达波段中，所含脉冲个数相同。
[0041]
所述脉冲个数至少为5个。
[0042]
所述被测水听器设置于曲面声基阵。
[0043]
本发明中，参考水听器与被测水听器除了技术状态相同外，还需要保证测试前已验证为合格的水听器，一般将其安装于正对声源的区域，如曲面声基阵中心正对声源位置，级法线方向与声源方向夹角在0
°
附近。
[0044]
本发明中，将声源放置于满足远场条件位置，通过声源发射单频正弦波脉冲信号，同时采集各个被测水听器接收信号数据，根据阵元坐标对声基阵水听器接收信号进行时延补偿；观察被测水听器信号波形图，截取脉冲直达段，一般不少于5个周期，各被测水听器截取的接收信号所含脉冲个数相同；本发明中，满足远场条件位置为与基阵距离大于l2/λ的位置，l为基阵最大孔径，λ为信号波长。
[0045]
本发明中，由于声基阵是曲面的，如球形阵，而安装于声基阵上的水听器既有面向声源的，又有背向声源的，本方法中截取的是面向声源的水听器的信号，且是水听器接收信号的直达波(接收信号按时间先接收直达波，然后接收经其他障碍物的发射波)；直达段是与声波经其他障碍物反射后的反射段对应，为本领域技术人员容易理解的内容。
[0046]
所述测试方法包括以下步骤：
[0047]
步骤1：计算各被测水听器与参考水听器接收信号的声程差ξi，i为正整数；
[0048]
所述步骤1中，声程差为式(1),
[0049][0050]
其中，参考水听器坐标为第i个被测水听器坐标为声源方位为
[0051]
本发明中，水听器坐标是相对于某个原点(0,0,0)的坐标，同样地，声源方位也是相对于此原点及预设的0
°
方位的方位；原则上，原点的选择和0
°
方位的选择不影响结果，一般来说，圆柱阵、球阵等优先选圆心作为原点。
[0052]
步骤2：获得各被测水听器接收信号时延补偿τi；
[0053]
所述步骤2中，第i个被测水听器的时延补偿为式(2),
[0054][0055]
其中，c为水中声速。
[0056]
步骤3：第i个被测水听器的接收信号为si(t)，获得各被测水听器试验补偿后的信号si(t-τi)；
[0057]
步骤4：基于截取的脉冲直达段，计算各个水听器信号与参考水听器的相关系数ρi；
[0058]
所述步骤4中，各个水听器信号与参考水听器的相关系数ρi为式(3),
[0059][0060]
其中，s0(t)为参考水听器接收信号，j为采样时间点序号，j为正整数。
[0061]
本发明中，将各个被测水听器接收信号经时延后与参考水听器做相关，计算相关系数：
[0062][0063]
由于s0(t)、si(t-τi)的信号形式、幅度均相同，仅相位不同的正弦波脉冲，标准差相同，均值为0，因此得到式(3)。
[0064]
步骤5：基于所述各个水听器信号与参考水听器的相关系数，获得被测水听器与参考水听器之间接收信号相位差。
[0065]
所述被测水听器与参考水听器之间接收信号相位差|θi|＝arccos|ρi|。
[0066]
本发明中，若将式(3)中的s0(t)、si(t-τi)看做向量则两个向量夹角公式为式(5),
[0067][0068]
由于因此ρi＝cosθ，因此被测水听器与参考水听器之间接收信号相位差可表示为|θi|＝arccos|ρi|，基于此，可以通过批量计算多个水听器与参考水听器之间相关系数的方式，得到水听器之间的相位一致性。
[0069]
以本发明的方法进行实施；
[0070]
如图2所示设置测试的球形阵布阵示意图，其中基阵直径为2m，垂直共7层，每层30元水听器；
[0071]
如图3所示，为远场声源发射1000hz正弦波脉冲信号后参考水听器接收信号截取脉冲的前5个周期作为直达波时段，环境噪声为高斯白噪声，信噪比为30db，采样频率10000hz；
[0072]
选取以水平0
°
方向为中心的120
°
扇面内70个水听器进行相位一致性测试，以中间层靠近水平0
°
方向的一个水听器为参考水听器，从下层往上层水听器进行编号排序，第35号为参考水听器，对各水听器接收信号进行时延获取；截取参考水听器脉冲的前5个周期作为直达波段，其他水听器接收信号截取的起始时间、截取长度与参考水听器相同；
[0073]
如图4所示，计算得到的各个水听器之间相关系数(绝对值)，其中各个水听器设置为相位一致性随机起伏小于5
°
；第10、60号水听器相位异常，相位一致性分别偏离30
°
、50
°
，图中可见除异常的第10、60号水听器外，其他水听器两两之间相关系数非常接近于1；这里相位起伏和10、60号水听器的相位偏离30
°
、50
°
是仿真事先设置的真实值；
[0074]
如图5所示，为根据相关系数推算得到的各被测水听器与参考水听器之间相位差(绝对值)，可见根据接收直达波信号时延后的相关系数推算得到的相位误差准确度非常高，其中10号水听器的相位误差与实际一致，60号水听器的相位误差与实际仅相差0.02
°
。