直线水听器阵列幅度和相位一致性测量方法
【专利摘要】本发明属于水声换能器领域，具体涉及直线水听器阵列幅度和相位一致性测量方法。本发明包括将水听器阵列机械固定在升降装置上，升降装置将水听器阵列以固定间隔上下升降，将发射换能器吊放在距水听器阵列一定距离处，距离满足换能器和水听器的远场距离，发射换能器吊放深度与水听器阵列最上方水听器深度相同；水听器阵列和升降装置为机械固定连接，在升降过程中，水听器阵列始终保持垂直状态，没有水平方向的摆动或移动。本发明采用垂直方向移动水听器的方法，避免了传统水听器一致性测量时水平方向移动水听器或重新吊放水听器引起的水平方向距离误差引起的相位误差。
【专利说明】
直线水听器阵列幅度和相位一致性测量方法
技术领域
[0001]本发明属于水声换能器领域，具体涉及直线水听器阵列幅度和相位一致性测量方法。
【背景技术】
[0002]水听器的幅度和相位的不一致性指两个或两个以上水听器在相同瞬时声压作用下，各个水听器输出的幅度和相位差值。在多个水听器成阵应用时，水听器的相位一致性是关系到系统性能的一项重要指标。水听器幅度一致性校准较易实现，但由于在校准中换能器之问的距离和介质声速很难准确确定，而距离和声速对相位测量有较大的影响，因此对水听器相位的精确校准比较困难。
[0003]国内外学者一直在对水听器幅度和相位一致性校准的进行探索和研究。上世纪八十年代美国学者Van Buren等人提出了一种互易校准方法，这种方法把发射换能器、互易换能器、接收换能器排成一条直线，消除距离和介质声速测量误差，国内学者王月兵也对这种测量方法进行了探讨(水听器复数灵敏度校准方法探讨，声学与电子工程)，但互易校准方法对换能器的安装精度要求较高，没有完全消除距离对校准结果的影响，并且测量中需要进行三组换能器的安装和四次转移阻抗的测量，测量过程复杂。为了解决互易校准方法无法保证距离精度的问题，徐平等人利用耦合腔得到均匀平面波的方法测量水听器的相位一致性(水听器相位低频校准管，专利号:200910153509.9;水听器相位一致性测试装置，专利号:201010034283.3)，这种方法需要设计加工刚性硬壁圆管，还需要考虑管壁共振对管内声场的干扰。Gary Hayman、王月兵、黄勇军等人采用激光法分别检测出振速信号和水听器信号的幅值和相位(使用激光测振技术校准水听器灵敏度，声学学报)，通过计算得出水听器的复数灵敏度，能得到很好的测量结果，但激光法测量需要复杂的激光测量设备。
[0004]水听器之间存在幅度和相位的不一致，当组阵使用时，水听器的机械安装位置误差对不一致性也会带来影响，特别是在频率较高时对相位的影响更为严重。本发明针对现有测量方法对设备要求较高、且不能测量组阵之后的水听器幅度和相位不一致性测量问题，提出了一种简单易行且精度较高的测量方法，这种方法测量结果不仅包含水听器本身的不一致，还包含了组阵后安装误差对一致性的影响。
【发明内容】
[0005]本发明的主要目的是克服上述技术存在的不足，提供一种解决现有技术不能测量阵列中水听器一致性的问题的直线水听器阵列幅度和相位一致性测量方法。
[0006]本发明的目的是这样实现的:
[0007]1、将水听器阵列机械固定在升降装置上，升降装置可以将水听器阵列以固定间隔上下升降。将发射换能器吊放在距水听器阵列一定距离处，距离满足换能器和水听器的远场距离，发射换能器吊放深度与水听器阵列最上方水听器深度大致相同。水听器阵列和升降装置为机械固定连接，在升降过程中，水听器阵列始终保持垂直状态，没有水平方向的摆动或移动。
[0008]2、将水听器自上而下依次编号为1#、2#......。发射换能器发射一个频率为F的单频脉冲信号，1#水听器接收信号，采集并保存信号，发射信号的时刻为信号采集的初始时刻;将水听器阵列上升一定高度，上升距离为两个水听器的间隔距离，发射换能器再次发射相同单频脉冲信号，2#水听器水听器接收信号，采集并保存信号；依次测量，直至最后一个水听器接收测量完毕。这样就得到N组测量的时间序列信号，N为水听器的数量。
[0009]3、对于第一组信号，在接收到的脉冲信号中，截取达到稳态时的包含至少3个周期的波形信号，对此信号进行傅里叶变换，得到幅频特性和相频特性曲线，读取频率为F时的幅度和相位值;其它组信号截取与第一组相同时间段的信号，并进行相同处理，分别得到频率为F时的幅度和相位值。
[0010]4、将得到的N个幅度值进行归一化处理，即得到水听器阵列的幅度不一致性结果；将得到的N个相位值减去1#水听器的相位值，即得到水听器阵列以1#水听器为参考的相位不一致性结果。
[0011]本发明的有益效果是:
[0012]1、采用垂直方向移动水听器的方法，避免了传统水听器一致性测量时水平方向移动水听器或重新吊放水听器引起的水平方向距离误差引起的相位误差；
[0013]2、可以同时测量一个线列阵中所有水听器的相位和幅度一致性，测量效率较高；
[0014]3、采用水听器组阵之后进行一致性校准，考虑的水听器安装时引起的不一致性因素，进一步提高了不一致性的测量精度。
【附图说明】
[0015]图1实验布置示意图；
[0016]图2水听器接收信号；
[0017]图3接收信号傅里叶变换后的幅频特性和相频特性曲线；
[0018]图4测量结果。
【具体实施方式】
[0019]下面结合附图对本发明作进一步说明:
[0020]本发明属于水声换能器领域，具体是对直线水听器阵列的幅度和相位一致性的测量。本发明包括:将直线水听器阵列垂直吊放在机械升降装置上，水听器自上而下依次编号为1#、2#......，1#水听器与发射换能器基本在同一水深;发射换能器发射一个单频脉冲信号，1#水听器接收并保存信号，发射信号的时刻为信号采集的初始时刻;将水听器阵列上升一定高度，上升距离为两个水听器的间隔距离，重复发射单频脉冲信号，2#水听器接收并保存信号，依次测量，直至最后一个水听器接收测量完毕;对所有水听器接收信号截取信号达到稳态时的至少包含3个周期的波形信号，然后进行傅里叶变换，得到发射信道对应频率的幅度和相位值;将所有幅度值进行归一化处理，得到水听器阵列的幅度不一致性结果，将所有相位值减去某一个水听器的相位值，得到水听器阵列以某水听器为参考的相位不一致性结果。本发明的有益效果是:避免了传统水听器一致性测量时水平方向移动水听器或重新吊放水听器引起的水平方向距离误差引起的相位误差；同时测量一个线列阵中所有水听器的相位和幅度一致性，测量效率较高;采用水听器组阵之后进行一致性校准，考虑了水听器安装时弓I起的不一致性因素，提高了测量精度。
[0021]如图1所示为实验布置的示意图，其中，I为机械升降装置，2为水面，3为待测水听器阵列，4为发射换能器。水听器组成直线阵列，两水听器之间的间隔固定，将水听器阵列机械固定在升降装置上，升降装置可以将水听器阵列以固定间隔上下升降。如图所示阵列中最上方的水听器标记为1#水听器，从上至下依次为2#、3#......。将水听器阵列的1#水听器与发射换能器置于水下相同深度(一般情况下很难保证在同一深度，但这个因素对结果没有影响，只要保证水听器阵列在上升或下降过程中，升降的距离足够精确即可)。水听器阵列和升降装置为机械固定连接，在升降过程中，水听器阵列始终保持垂直状态，没有水平方向的摆动或移动。
[0022]测量时，发射换能器发射一个频率为F单频脉冲信号，这里取F= 35kHz，1#水听器接收信号，采集并保存信号，可以发射信号的时刻为信号采集的初始时刻;将水听器阵列上升一定高度，上升距离为两个水听器的间隔距离，发射换能器再次发射一个35kHz的单频脉冲信号，2#水听器水听器接收信号，采集并保存信号；依次测量，直至将最后一个水听器上升至于发射换能器在同一水深。这样就得到N组测量的时间序列信号，N为水听器的数量，这里取N=10。
[0023]对于第一组信号，在接收到的脉冲信号中，截取达到稳态时的一段信号，对此信号进行傅里叶变换，得到幅频特性和相频特性曲线，读取频率为35kHz时的幅度和相位值;其它组信号截取与第一组相同时间段的信号，并进行相同处理，分别得到频率为35kHz时的幅度和相位值。如图2所示为截取接收的脉冲信号中相同时间段的10组信号，图3为1#水听器的截取信号进行傅里叶变换的结果，分别为幅频特性和相频特性曲线。
[0024]将得到的10个幅度值进行归一化处理，即得到水听器阵列的幅度不一致性结果；将得到的10个相位值减去1#水听器的相位值，即得到水听器阵列以1#水听器为参考的相位不一致性结果，结果如图4所示。
【主权项】
1.直线水听器阵列幅度和相位一致性测量方法，其特征在于: (1)将水听器阵列机械固定在升降装置上，升降装置将水听器阵列以固定间隔上下升降，将发射换能器吊放在距水听器阵列一定距离处，距离满足换能器和水听器的远场距离，发射换能器吊放深度与水听器阵列最上方水听器深度相同；水听器阵列和升降装置为机械固定连接，在升降过程中，水听器阵列始终保持垂直状态，没有水平方向的摆动或移动； (2)将水听器自上而下依次编号为1#、2#......N#.;发射换能器发射一个频率为F的单频脉冲信号，1#水听器接收信号，采集并保存信号，发射信号的时刻为信号采集的初始时刻;将水听器阵列上升一定高度，上升距离为两个水听器的间隔距离，发射换能器再次发射相同单频脉冲信号，2#水听器水听器接收信号，采集并保存信号；依次测量，直至最后一个水听器接收测量完毕;这样就得到N组测量的时间序列信号，N为水听器的数量； (3)对于第一组信号，在接收到的脉冲信号中，截取达到稳态时的包含至少3个周期的波形信号，对此信号进行傅里叶变换，得到幅频特性和相频特性曲线，读取频率为F时的幅度和相位值;其它组信号截取与第一组相同时间段的信号，并进行进行傅里叶变换，得到幅频特性和相频特性曲线，分别得到频率为F时的幅度和相位值； (4)将得到的N个幅度值进行归一化处理，即得到水听器阵列的幅度不一致性结果;将得到的N个相位值减去1#水听器的相位值，即得到水听器阵列以1#水听器为参考的相位不一致性结果。
【文档编号】G01H3/00GK105973447SQ201610293189
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年5月5日
【发明人】陈文剑, 殷敬伟, 孙辉, 刘冰, 吕良浩, 郭嘉浩, 余德本, 尹爽
【申请人】哈尔滨工程大学