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        適用于外場(chǎng)環(huán)境的矢量水聽器校準(zhǔn)方法

        2019-08-26 05:04:46王曉慶
        無線電工程 2019年9期
        關(guān)鍵詞:指向性水聽器駐波

        李 晉,王曉慶

        (中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所,河北 石家莊 050081)

        0 引言

        聲壓、振速聯(lián)合處理是水聲信號(hào)處理的發(fā)展趨勢(shì)之一。矢量水聽器同點(diǎn)采集的聲壓和矢量信息不能直接應(yīng)用于聲壓、振速聯(lián)合處理,需要進(jìn)行各通道靈敏度和相位差的一致性補(bǔ)償(校準(zhǔn)),以保證其聲壓和矢量通道的幅相一致性。常規(guī)的校準(zhǔn)方法為駐波管計(jì)量,通過駐波管、單頻聲源以及旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)對(duì)待測(cè)矢量水聽器進(jìn)行靈敏度、相位差和指向性的測(cè)量[1]。駐波管測(cè)量方式操作復(fù)雜、耗時(shí)長(zhǎng)和費(fèi)用高,在一定程度上限制了實(shí)際工程的應(yīng)用。

        駐波管測(cè)量結(jié)果一般作為矢量水聽器出廠時(shí)的性能考核依據(jù),而后由于矢量水聽器的儲(chǔ)存、運(yùn)輸和使用,將會(huì)導(dǎo)致其性能隨時(shí)間發(fā)生一定程度的變化,即性能參數(shù)與出廠時(shí)的測(cè)試結(jié)果具有一定偏差,這部分偏差等效于引入了通道間的幅相不一致性,并使得聲壓、振速聯(lián)合處理出現(xiàn)失配,影響矢量聲納的目標(biāo)檢測(cè)和方位估計(jì)性能。因此,在矢量水聽器實(shí)際應(yīng)用前,應(yīng)首先對(duì)其各通道進(jìn)行校準(zhǔn),而方便有效的校準(zhǔn)方法成為矢量水聽器工程應(yīng)用領(lǐng)域的一個(gè)研究重點(diǎn)[2]。

        本文提出了一種適用于外場(chǎng)環(huán)境的矢量水聽器自校準(zhǔn)方法。通過復(fù)聲強(qiáng)流處理估計(jì)遠(yuǎn)場(chǎng)參考聲源的方位,根據(jù)參考聲源方位,利用振速通道的電子旋轉(zhuǎn)形成指向參考聲源的振速輸出,在矢量水聽器聲壓、振速通道輸出數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,計(jì)算得到矢量水聽器通道靈敏度和相位差的補(bǔ)償值。相比文獻(xiàn)[3-5]常規(guī)駐波管計(jì)量,只需要一個(gè)遠(yuǎn)場(chǎng)參考聲源,并可以在多數(shù)外場(chǎng)環(huán)境中使用,校準(zhǔn)過程不需要單獨(dú)拆解水聲系統(tǒng)搭載的矢量水聽器,降低了校準(zhǔn)對(duì)環(huán)境和測(cè)試儀器的限制[6];利用數(shù)據(jù)擬合和野值剔除方法,降低了校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的測(cè)量誤差。

        1 聲壓振速聯(lián)合處理

        矢量水聽器可以共點(diǎn)采集聲場(chǎng)的聲壓、振速信息。以二維矢量水聽器為例,有聲壓和振速的2個(gè)水平正交分量,分別表示為p,vx,vy。在理想情況下,矢量水聽器接收遠(yuǎn)場(chǎng)平面波有如下輸出[7]:

        (1)

        式中,ρc為傳播介質(zhì)的平面波波阻抗;θ為聲源水平方位。在常規(guī)的矢量信號(hào)處理中,一般將波阻抗值視為1,形式簡(jiǎn)化為:

        (2)

        振速的電子旋轉(zhuǎn)可參考Givens旋轉(zhuǎn)[8],設(shè)引導(dǎo)方位為φ,有合成振速輸出為:

        vc(t)=vx(t)cosφ+vy(t)sinφ=

        p(t)cosθcosφ+p(t)sinθsinφ=

        p(t)cos(θ-φ)。

        (3)

        由上式可知,在聲源方位θ與引導(dǎo)方位φ一致時(shí),合成振速有與聲壓通道一致輸出。

        聲壓、振速聯(lián)合處理通過對(duì)矢量水聽器聲壓和振速輸出的組合處理,引入組合指向性增益,提高輸出信噪比。以組合方式(p+vc)為例,其歸一化指向性函數(shù)為[9]:

        (4)

        指向性函數(shù)的形態(tài)為心型,在θ=φ時(shí)具有極大值。上述聯(lián)合處理產(chǎn)生組合指向性增益的基礎(chǔ)為矢量水聽器聲壓輸出p(t)和振速輸出vx(t),vy(t)具有完全的幅相一致性,振速通道輸出為聲壓在水平正交坐標(biāo)上的投影。然而在實(shí)際情況中,考慮到各通道在傳播介質(zhì)、放大電路和接收機(jī)理上的差異,通道的電壓輸出不能完全滿足上述條件,因此在工程應(yīng)用之前,對(duì)矢量水聽器各通道進(jìn)行靈敏度和相位差的校準(zhǔn)以實(shí)現(xiàn)聲壓、振速聯(lián)合處理顯得尤為必要[10]。

        2 矢量水聽器校準(zhǔn)方法

        在實(shí)際工程應(yīng)用中,從水下聲場(chǎng)到數(shù)字信號(hào)輸出,一般經(jīng)過了矢量水聽器、前置放大器和AD等,各通道輸出數(shù)據(jù)之間的靈敏度和相位差綜合了上述各模塊的共同作用[11]。因此,如果出廠時(shí)只利用駐波管進(jìn)行矢量水聽器靈敏度和相位差的計(jì)量,還需要知道前置放大器、AD等模塊的參數(shù),通道最終補(bǔ)償系數(shù)的計(jì)算也較復(fù)雜[12]。利用外場(chǎng)參考聲源進(jìn)行通道靈敏度和相位差的校準(zhǔn),是在系統(tǒng)層面上的通道校準(zhǔn),因此不需要知道系統(tǒng)內(nèi)每個(gè)模塊的具體參數(shù)。

        以浮標(biāo)平臺(tái)為例,矢量水聽器自校準(zhǔn)方法的基本場(chǎng)景如圖1所示。

        圖1 矢量水聽器校準(zhǔn)應(yīng)用場(chǎng)景示意

        在圖1中,聲源船搭載的參考聲源發(fā)射指定頻段的信號(hào),由水聲系統(tǒng)(浮標(biāo)平臺(tái))的矢量水聽器接收,通過系統(tǒng)的校準(zhǔn)模式,處理接收信號(hào)完成各通道靈敏度與相位差的補(bǔ)償,整個(gè)處理過程在水聲系統(tǒng)中獨(dú)立完成。

        在水聲系統(tǒng)中使用的矢量水聽器校準(zhǔn)算法流程如圖2所示。

        圖2 矢量水聽器校準(zhǔn)算法流程

        圖2的算法流程包含參考聲源方位估計(jì)、靈敏度和相位差補(bǔ)償值計(jì)算以及數(shù)據(jù)優(yōu)化操作,最終輸出靈敏度和相位差補(bǔ)償數(shù)據(jù)。

        2.1 參考聲源方位估計(jì)

        利用復(fù)聲強(qiáng)流估計(jì)參考聲源目標(biāo)的方位,通過輸出目標(biāo)方位的合成振速,提高振速通道輸出信噪比,復(fù)聲強(qiáng)流處理的基本流程如圖3所示。

        圖3 復(fù)聲強(qiáng)流處理原理

        以加速度型矢量水聽器為例,其振速通道輸出振速加速度,則參考聲源方位估計(jì)可通過下式實(shí)現(xiàn):

        (5)

        式中,p(ω),v(ω)為矢量水聽器聲壓、振速輸出的傅里葉變換;〈·〉為時(shí)間平均。相應(yīng)參考聲源方位的合成振速為:

        vc(ω,θ)=jω[vx(ω)cosθ+vy(ω)sinθ],

        (6)

        式中,θ為利用復(fù)聲強(qiáng)流估計(jì)的參考聲源方位。

        2.2 靈敏度、相位差補(bǔ)償值計(jì)算

        矢量水聽器振速通道數(shù)多于聲壓通道,以聲壓通道作為參考通道,對(duì)振速通道進(jìn)行校準(zhǔn),可節(jié)省校準(zhǔn)運(yùn)算量,通過式計(jì)算,可得到針對(duì)振速通道的靈敏度和相位差補(bǔ)償值。

        (7)

        (8)

        式中,p(ω),v(ω)為矢量水聽器聲壓、振速輸出的傅里葉變換[13]。

        2.3 數(shù)據(jù)優(yōu)化

        由于外場(chǎng)環(huán)境中各種隨機(jī)噪聲的影響,將導(dǎo)致利用上述步驟計(jì)算得到的靈敏度和相位差補(bǔ)償值曲線存在隨機(jī)的起伏,利用此曲線進(jìn)行靈敏度和相位差的校準(zhǔn)將引入一定的誤差。在本文的方法中,采用多次測(cè)量取平均和低通濾波消除補(bǔ)償值曲線中的隨機(jī)起伏。低通濾波的方法原理上與功率譜白化的方法相同,均是對(duì)補(bǔ)償值曲線的低通濾波處理[14]。

        3 試驗(yàn)驗(yàn)證

        試驗(yàn)驗(yàn)證采用某次湖試試驗(yàn)數(shù)據(jù)。此次試驗(yàn)中,參考聲源為漁船航行時(shí)的寬帶噪聲,漁船與矢量水聽器的水平距離約200 m,湖深約10 m。

        利用本文提出的方法對(duì)矢量水聽器的通道靈敏度和相位差進(jìn)行估計(jì),并與出廠時(shí)的駐波管計(jì)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,如圖4所示。

        圖4 靈敏度、相位差數(shù)據(jù)對(duì)比示意

        可見根據(jù)自校準(zhǔn)得到的靈敏度和相位差隨頻率變化曲線與矢量水聽器出廠時(shí)通過駐波管測(cè)量得到的靈敏度和相位差曲線基本一致,但在某些頻段仍有差異,通過理論和仿真分析,得出導(dǎo)致此差異的原因可有以下幾方面:波導(dǎo)邊界的反射;矢量水聽器隨時(shí)間的狀態(tài)變化;參考聲源與接收水聽器距離較近;振速x-y通道不一致性。

        不難發(fā)現(xiàn),自校準(zhǔn)方法在實(shí)際應(yīng)用中引入了一個(gè)重要的前提:假定振速x、y通道的特性基本相同,靈敏度和相位差可忽略。通過對(duì)駐波管測(cè)量記錄的觀察也可以表明這種假設(shè)的合理性。因此,可基本排除上述第4個(gè)原因。

        使用另一組數(shù)據(jù),通過自校準(zhǔn)得到的通道靈敏度和相位差補(bǔ)償值對(duì)振速通道進(jìn)行補(bǔ)償,可以得到通道一致性校準(zhǔn)后的復(fù)聲強(qiáng)流方位估計(jì)結(jié)果,如圖5所示。

        圖5 校準(zhǔn)前后方位估計(jì)性能對(duì)比示意

        由復(fù)聲強(qiáng)流估計(jì)結(jié)果的對(duì)比可知,通過對(duì)矢量水聽器通道一致性的校準(zhǔn),使得矢量水聽器對(duì)50°方位處的目標(biāo)能夠形成更加尖銳的譜峰,使得估計(jì)精度進(jìn)一步提高。

        在目標(biāo)方位(50°)和相反方向(-130°)分別形成(p+vc)波束,得到輸出功率譜如6圖所示。

        圖6 目標(biāo)方位及其相反方向波束輸出對(duì)比示意

        由(p+vc)輸出功率譜對(duì)比可知,在目標(biāo)方位及其相反方向,(p+vc)輸出功率譜在為局部峰值的線譜處可相差約20 dB,表明了聲壓、振速合成的有效性。以上述功率譜中典型的線譜頻率154.6,180.7,526.5 Hz為例,旋轉(zhuǎn)(p+vc)中振速的合成方位,得到不同水平方位的(p+vc)組合輸出功率曲線,如圖7所示。

        圖7 試驗(yàn)數(shù)據(jù)組合指向性測(cè)試曲線

        由圖7結(jié)果可知,在3個(gè)頻點(diǎn)的(p+vc)組合輸出在水平方位上形成了心型的指向性,與(p+vc)理論上的指向性圖案一致,從而證明了矢量水聽器通道一致性校準(zhǔn)的有效性。

        4 結(jié)束語

        本文設(shè)計(jì)了一種針對(duì)外場(chǎng)環(huán)境的矢量水聽器校準(zhǔn)方法,通過湖試、海試數(shù)據(jù)證明:此方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)矢量水聽器通道靈敏度和相位差的有效補(bǔ)償,并通過聲壓振速的組合實(shí)現(xiàn)了空間指向性,由于只需一個(gè)遠(yuǎn)場(chǎng)參考聲源,并可在外場(chǎng)環(huán)境中實(shí)現(xiàn),因此簡(jiǎn)化了校準(zhǔn)流程,縮短了校準(zhǔn)時(shí)間,提高了校準(zhǔn)效率,對(duì)矢量水聽器的實(shí)際應(yīng)用具有一定的參考意義。本文提出的方法相比駐波管測(cè)量方式,在測(cè)量精度方面還有待進(jìn)一步的改進(jìn)和提高。

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