一种多波束声呐平均阵元间距校准方法

本发明属于测量，涉及一种多波束声呐平均阵元间距校准方法。

背景技术：

1、多波束测深声呐在水平向上利用均匀直线阵换能器结构进行波束形成处理，相干累加对于阵元间相位或时延的补偿较为敏感，相邻阵元间的声程差主要是由阵元间距产生的，因此阵元间距误差对于声呐图像的聚焦具有较大的影响。换能器的接收通道一致性和波束方位响应也会影响测量精度。通常情况下，由于受到换能器制造工艺的限制，阵元间的幅度和相位一致性很难保证，并且难以被直接测量，电路设计者在进行电路一致性测量时大多只考虑电子器件中的调理电路、电阻电容等引起的通道相位和幅度偏移，而不考虑换能器阵元与电路之间的耦合现象。常规的基阵指向性测量方法都是基于远场假设，忽略了阵元间距的影响，对接收到的信号直接累加，通过换能器旋转的方式获得基阵对于不同方位声源的响应结果，因此在对远场距离较大的换能器阵列校准时，其误差较大。

技术实现思路

1、基于现有技术存在的问题，本发明的目的是解决多阵元换能器系统平均阵元间距校准问题，利用近场聚焦波束形成技术完成小尺度水池条件下的目标方位判定，基于最小残差准则实现接收线阵的平均阵元间距估计。

2、为了实现上述目的，本发明提供一种多波束声呐平均阵元间距校准方法，包含以下步骤：

3、步骤（1）：将待校准的接收换能器阵列及同频声源放置在预设位置，所述预设位置为近场区域；将接收换能器阵列旋转至与声源方向夹角呈90°位置，测量预设位置的实时声速；

4、步骤（2）：在接收换能器阵列与声源间建立同步信号，设置声源发射和接收换能器阵列的ping率；接收换能器阵列按照设定转速和方向旋转并采集直达声信号；得到的回波数据文件按照声源所处方位与时间序列排序；

5、步骤（3）：针对采集到的不同声源方向的回波数据文件进行信号处理，获得校准后的平均阵元间距。

6、优选地，所述步骤（3）中，信号处理主要包括：

7、（1）针对获得的数据文件，估计回波到达时刻范围，压缩处理数据量；

8、（2）对压缩过的数据进行近场聚焦波束形成，对每个采样数据文件的一段回波波束形成结果求取时间均值，之后对所有数据文件的波束形成输出均值进行排序；均值最大的数据文件所对应的声源位置视为安装初始位置；

9、（3）以安装初始位置为中心点，进行高分辨率的波束形成处理；当声源位置最接近于正前方方位时，其与0°方向的偏差被视为基阵安装初始误差；

10、（4）利用高分辨率近场聚焦波束形成处理的结果，获得每个采样位置处的回波到达方位估计值，修正基阵安装初始误差后，再与该采样位置处的真实声源夹角作差，即可得到在扫描阵元间距下的目标方位估计误差；

11、（5）计算在扫描阵元间距下的回波方位估计均方根误差，利用最小残差准则估计平均阵元间距。

12、优选地，压缩处理数据量的具体方法为：根据声源与换能器阵列的已知斜距及扫描波束角度计算第个采样位置处回波到达斜距：

13、；

14、利用采集现场的实时声速，计算回波到达时刻，将采样序号位于有效范围内的数据记录，压缩有效数据量，选取有效数据范围区间：

15、；

16、其中，为系统采样频率，为检测裕量，为发射信号脉冲长度，为数据的序号。

17、优选地，平均阵元间距的估计方法为：

18、计算在扫描阵元间距下的回波方位估计均方根误差：

19、；

20、其中，是扫描波束角度，是由波束形成处理得到的目标方位值；为扫描的总波束数目，为第个；

21、其次，遍历所有扫描阵元间距中，使得回波方位估计均方根误差最小时对应的阵元间距即为估计得到的平均阵元间距，估计准则为：

22、。

23、与现有技术相比，本发明提出的方法综合利用所有扫描角度下的波束形成输出校准平均阵元间距，因此相对于单一回波角度的方位估计校准方法，能够更为真实地反映系统工作性能。

技术特征：

1.一种多波束声呐平均阵元间距校准方法，其特征在于，包含以下步骤：

2.根据权利要求1所述的多波束声呐平均阵元间距校准方法，其特征在于，所述步骤（3）中，信号处理主要包括：

3.根据权利要求2所述的多波束声呐平均阵元间距校准方法，其特征在于，压缩处理数据量的具体方法为：根据声源与换能器阵列的已知斜距及扫描波束角度计算第个采样位置处回波到达斜距：；

4.根据权利要求2所述的多波束声呐平均阵元间距校准方法，其特征在于，平均阵元间距的估计方法为：

技术总结
本发明属于测量技术领域，涉及一种多波束声呐平均阵元间距校准方法。该方法包含：步骤（1）：将待校准的接收换能器阵列及同频声源放置在预设位置；将接收换能器阵列旋转至与声源方向夹角呈90°位置，测量预设位置的实时声速；步骤（2）：在接收换能器阵列与声源间建立同步信号，设置声源发射和接收换能器阵列的Ping率；接收换能器阵列按照设定转速和方向旋转并采集直达声信号；得到的回波数据文件按照声源所处方位与时间序列排序；步骤（3）：针对采集到的不同声源方向的回波数据文件进行信号处理，获得校准后的平均阵元间距。本发明提出的方法综合利用所有扫描角度下的波束形成输出校准平均阵元间距，能够更为真实地反映系统工作性能。

技术研发人员：魏波,邢思宇,于砚廷,程广森,龚金龙,尹佳纬,王振,白一奇,宋高丽,才龙强,齐瑞豪
受保护的技术使用者：山东省科学院海洋仪器仪表研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/3/4