本發(fā)明涉及水聽(tīng)器，具體涉及到一種基于時(shí)延測(cè)量與信號(hào)建模的水聽(tīng)器低頻校準(zhǔn)方法。

背景技術(shù)：

1、水聽(tīng)器作為水下聲學(xué)感知單元，實(shí)現(xiàn)聲能與電能的轉(zhuǎn)換，是眾多水聲設(shè)備的基本組成元件。水聽(tīng)器所測(cè)聲壓量值的準(zhǔn)確與否，關(guān)系到水聲科學(xué)研究的準(zhǔn)確性以及水聲設(shè)備性能表現(xiàn)，對(duì)水聽(tīng)器靈敏度的計(jì)量校準(zhǔn)及性能評(píng)價(jià)對(duì)提升海洋探測(cè)水平具有重要意義。在常用工作頻段，水聽(tīng)器靈敏度采用自由場(chǎng)校準(zhǔn)，包括比較法、互易法以及激光法三類校準(zhǔn)方法。比較法通過(guò)將待測(cè)水聽(tīng)器測(cè)量結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器作對(duì)比，利用標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器的靈敏度計(jì)算待測(cè)水聽(tīng)器靈敏度；互易法基于電聲互易原理，通過(guò)發(fā)射換能器、互易換能器、水聽(tīng)器的輪換測(cè)量，結(jié)合自由場(chǎng)互易常數(shù)計(jì)算得到水聽(tīng)器靈敏度；激光法通過(guò)測(cè)量水質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)引起的多普勒頻移從而復(fù)現(xiàn)聲壓量值，將待測(cè)水聽(tīng)器放置于聲壓復(fù)現(xiàn)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)。其中，比較法操作最便捷，而后兩類方法為原級(jí)校準(zhǔn)方法。

2、上述三類校準(zhǔn)方法均要求提供足夠開(kāi)闊的自由場(chǎng)水域范圍，以避免反射聲波疊加影響校準(zhǔn)結(jié)果。然而實(shí)驗(yàn)室水池空間受限，不完全消聲和水面反射導(dǎo)致反射聲波無(wú)法完全規(guī)避，開(kāi)展自由場(chǎng)校準(zhǔn)的時(shí)間窗口（第一路徑反射聲波與直達(dá)聲波的到達(dá)時(shí)延差）有限。隨工作頻率降低，反射聲波影響愈發(fā)嚴(yán)重，系統(tǒng)難以輸出具有足夠周期數(shù)的穩(wěn)態(tài)直達(dá)聲波形，從而導(dǎo)致直達(dá)聲波幅度估計(jì)不準(zhǔn)確，水聽(tīng)器靈敏度校準(zhǔn)的不確定度增大。

3、為提升水池設(shè)施適用范圍，拓展水聽(tīng)器校準(zhǔn)頻率下限，相關(guān)學(xué)者開(kāi)展了一系列研究，提出了若干信號(hào)處理手段消除反射聲波疊加對(duì)測(cè)量的影響，其中主要方法包括復(fù)數(shù)移動(dòng)加權(quán)平均法和多路信號(hào)建模法。前者通過(guò)發(fā)射連續(xù)線性掃頻信號(hào)，對(duì)近鄰頻帶內(nèi)多頻點(diǎn)響應(yīng)作平均，使反射聲波的貢獻(xiàn)相互抵消；后者則將水聽(tīng)器接收信號(hào)建模為一系列具有不同幅度和到達(dá)時(shí)延的復(fù)指數(shù)信號(hào)以及瞬態(tài)信號(hào)的疊加，通過(guò)非線性最小二乘估計(jì)各信號(hào)幅度與時(shí)延參數(shù)，進(jìn)而給出直達(dá)聲波幅度值。

4、在上述低頻校準(zhǔn)方法中，復(fù)數(shù)移動(dòng)加權(quán)平均法采用連續(xù)信號(hào)進(jìn)行測(cè)量及校準(zhǔn)，校準(zhǔn)效率高，但頻域平均難以完全反映水池真實(shí)聲反射特征，從而導(dǎo)致各頻率點(diǎn)的校準(zhǔn)準(zhǔn)確度不高；多路信號(hào)建模法中所涉及的信號(hào)模型較為復(fù)雜，待估計(jì)參數(shù)多，非線性估計(jì)算法的收斂性和可靠性難以保證，且對(duì)信號(hào)瞬態(tài)的建模需先驗(yàn)獲知換能器瞬態(tài)響應(yīng)關(guān)鍵特征參數(shù)，難以在實(shí)際校準(zhǔn)中實(shí)施。

5、針對(duì)上述問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種用于直達(dá)聲波幅度估計(jì)和靈敏度校準(zhǔn)，校準(zhǔn)準(zhǔn)確度較高的一種基于時(shí)延測(cè)量與信號(hào)建模的水聽(tīng)器低頻校準(zhǔn)方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提供了一種用于直達(dá)聲波幅度估計(jì)和靈敏度校準(zhǔn)，校準(zhǔn)準(zhǔn)確度較高的一種基于時(shí)延測(cè)量與信號(hào)建模的水聽(tīng)器低頻校準(zhǔn)方法。

2、本發(fā)明的目的是提供一種基于時(shí)延測(cè)量與信號(hào)建模的水聽(tīng)器低頻校準(zhǔn)方法，方法包括以下步驟：

3、步驟一、將發(fā)射換能器和水聽(tīng)器置于水下同一深度，測(cè)量時(shí)待測(cè)水聽(tīng)器和標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器先后放置于同一點(diǎn)，發(fā)射換能器在信號(hào)源和功率放大器激勵(lì)下在消聲水池中產(chǎn)生某一頻率的穩(wěn)定聲場(chǎng)，先后放置于聲場(chǎng)同一點(diǎn)的待測(cè)水聽(tīng)器和標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器輸出電壓幅值分別為和，標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器靈敏度為，待測(cè)水聽(tīng)器靈敏度計(jì)算式如下：

4、

5、步驟二、水聽(tīng)器靈敏度校準(zhǔn)的準(zhǔn)確度取決于電壓幅度估計(jì)準(zhǔn)確與否，直達(dá)聲波抵達(dá)時(shí)刻為，經(jīng)歷換能器起始瞬態(tài)響應(yīng)區(qū)后進(jìn)入穩(wěn)態(tài)；由于試驗(yàn)水池池壁進(jìn)行消聲處理，水面為最主要反射來(lái)源，第一路反射聲波占據(jù)大部分反射聲波能量，其到達(dá)時(shí)間為，此時(shí)波形進(jìn)入由反射聲波引起的瞬態(tài)區(qū)；之后為直達(dá)聲波與反射聲波所疊加形成的波形穩(wěn)態(tài)區(qū)；脈沖終止后則依次出現(xiàn)直達(dá)聲波終止瞬態(tài)區(qū)、反射聲波穩(wěn)態(tài)區(qū)以及反射聲波終止瞬態(tài)區(qū)，應(yīng)根據(jù)直達(dá)聲波穩(wěn)態(tài)區(qū)波形估計(jì)直達(dá)聲波幅度，為保證幅度估計(jì)的準(zhǔn)確可靠，現(xiàn)有校準(zhǔn)規(guī)范建議直達(dá)聲波穩(wěn)態(tài)周期數(shù)不低于2，當(dāng)信號(hào)頻率較低時(shí)，不滿足該條件，由此導(dǎo)致較高的低頻限制；

6、步驟三、從水聽(tīng)器接收信號(hào)波形可以看出，除穩(wěn)態(tài)直達(dá)聲波外，穩(wěn)態(tài)混疊聲波中也包含直達(dá)聲波幅度信息，提出聯(lián)合兩段穩(wěn)態(tài)區(qū)數(shù)據(jù)開(kāi)展直達(dá)聲波幅度估計(jì)，涉及四個(gè)未知參數(shù)，包括直達(dá)聲波幅度、反射聲波幅度、反射聲波與直達(dá)聲波的時(shí)延差以及直達(dá)聲波初始相位，這里只考慮第一路反射聲波，為此需采用短脈沖信號(hào)以盡可能避免水池晚期反射聲波的影響，考慮到反射聲波與直達(dá)聲波時(shí)延差只取決于發(fā)射換能器與水聽(tīng)器的幾何位置和水池聲反射特性，不依賴于聲信號(hào)頻率，由此提出發(fā)射高頻先導(dǎo)脈沖信號(hào)，并從直達(dá)聲波與反射聲波完全分離的接收波形中估計(jì)反射聲波與直達(dá)聲波的時(shí)延差，直達(dá)聲波與反射聲波到達(dá)時(shí)間差可通過(guò)匹配濾波方法獲取，在時(shí)延差參數(shù)已知條件下，根據(jù)前兩段穩(wěn)態(tài)信號(hào)波形估計(jì)直達(dá)聲波幅度這一問(wèn)題可建模如下：

7、

8、其中，為直達(dá)聲波穩(wěn)態(tài)區(qū)的采樣點(diǎn)，為混疊聲波穩(wěn)態(tài)區(qū)的采樣點(diǎn)，分別為直達(dá)聲波和反射聲波的幅度，分別表示信號(hào)頻率和采樣頻率，為直達(dá)聲波初始相位，為反射聲波與直達(dá)聲波的相位差異，由高頻測(cè)量給出，代表觀測(cè)噪聲，該模型中待估計(jì)的未知參數(shù)為；

9、步驟四、的求解，通過(guò)移動(dòng)相位最小二乘方法，首先構(gòu)建直達(dá)聲信號(hào)基矢量和反射聲信號(hào)基矢量，其中：

10、

11、

12、信號(hào)擬合問(wèn)題可表述為：

13、

14、固定，可給出最小二乘解，針對(duì)未知參數(shù)，則可在間進(jìn)行移動(dòng)遍歷，選擇使目標(biāo)函數(shù)值最小的取值作為的估計(jì)值，相應(yīng)地，將此時(shí)的最小二乘解作為的估計(jì)值；

15、步驟五、開(kāi)展水聽(tīng)器靈敏度校準(zhǔn)時(shí)一般要求發(fā)射換能器與水聽(tīng)器連線中心位于水池中心，以獲得較大的自由場(chǎng)范圍，考慮到在聯(lián)合兩段穩(wěn)態(tài)區(qū)信號(hào)進(jìn)行參數(shù)估計(jì)時(shí)，直達(dá)聲波與反射聲波的時(shí)延差可能是影響參數(shù)估計(jì)精度的重要因素，為此通過(guò)分析該參數(shù)估計(jì)問(wèn)題的克拉美勞下界，給出最佳時(shí)延參數(shù)設(shè)置，觀測(cè)噪聲服從獨(dú)立高斯分布，則上述觀測(cè)模型所對(duì)應(yīng)的似然函數(shù)為：

16、

17、其中，為噪聲方差；

18、步驟六、不考慮的估計(jì)，只關(guān)注參數(shù)，其fisher信息矩陣計(jì)算如下：

19、

20、步驟七、忽略瞬態(tài)區(qū)的影響，則矩陣的各分量可推導(dǎo)并化簡(jiǎn)為如下形式：

21、

22、其中，為用于參數(shù)估計(jì)的信號(hào)總時(shí)長(zhǎng)，為反射聲波與直達(dá)聲波的時(shí)延差；

23、步驟八、對(duì)矩陣求逆即為克拉美勞下界，信號(hào)總長(zhǎng)設(shè)置為5個(gè)周期，初相位設(shè)置為0，代入步驟七中的公式計(jì)算不同時(shí)延差時(shí)直達(dá)聲波幅度估計(jì)的克拉美勞下界。

24、本發(fā)明具有以下優(yōu)勢(shì)：本發(fā)明較于復(fù)數(shù)移動(dòng)加權(quán)平均處理方案，通過(guò)發(fā)射單頻信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，避免了頻率失配問(wèn)題，通過(guò)設(shè)置較短的發(fā)射脈沖避免了水池晚期反射聲，將反射聲波疊加對(duì)測(cè)量的影響降到最低，提升了直達(dá)聲波幅值和水聽(tīng)器靈敏度測(cè)量的準(zhǔn)確性；相較于現(xiàn)有多路徑信號(hào)建模方案，不要求提供換能器瞬態(tài)響應(yīng)的先驗(yàn)特征參數(shù)，且所建立的信號(hào)模型僅包含三個(gè)未知參數(shù)，參數(shù)估計(jì)的穩(wěn)定性顯著提升，可實(shí)施性較強(qiáng)。

25、本發(fā)明通過(guò)實(shí)際測(cè)量與詳細(xì)分析水池的聲反射特性，優(yōu)化了針對(duì)水聽(tīng)器自由場(chǎng)靈敏度校準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)設(shè)置，拓展了校準(zhǔn)低頻下限，提升了中小型水池設(shè)施在水聲計(jì)量測(cè)試領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。