一种小尺寸矢量阵低频散射校正方法技术

本发明专利技术属于20‑1000Hz低频范围内任意对称结构小尺寸声呐基阵的校正领域，具体涉及一种小尺寸矢量阵低频散射校正方法。该方法包含以下步骤：(1)布放基阵与发射器；(2)调节信号发射设备形成测试声场；(3)在水平面等间隔旋转基阵一周，采集与存储所有角度接收信号；(4)利用离散傅里叶变换求取总声场傅里叶展开项系数估计值；(5)将期望指向性输出与基阵实际输出分别展开；(6)利用最小二乘法拟合期望指向性输出与实际输出，求取加权矢量矩阵。本发明专利技术直接将基阵输出作为校准依据，避免了基元不一致性、安装误差等因素对声散射校正的影响，使基阵系统声散射校正问题更直接，可操作证性强，避免了误差传递的影响，为声呐基阵后续应用提供保障。

【技术实现步骤摘要】
一种小尺寸矢量阵低频散射校正方法
本专利技术属于20-1000Hz低频范围内任意对称结构小尺寸声呐基阵的校正领域，具体涉及一种小尺寸矢量阵低频散射校正方法。
技术介绍
在低频甚低频工作段，传统声呐设计的瑞利限严重制约了水下声呐基阵的探测性能。而布阵间隔远小于半波长的小尺寸基阵研究工作的突破为本问题提供了解决思路。近几年，基于小尺寸声呐基阵的超指向性波束形成方法成为研究热点，大量的设计分析及计算机仿真表明了本类型基阵的优势，但目前只有有限的成品系统被应用于实际工作中，其主要原因之一便是基阵周围声散射的影响。虽然小尺寸基阵可以灵活安装在小平台上，但工作平台或基阵载体等结构体，都是声散射体，其散射效应会导致接收声信号畸变。加之这些结构体大多都是复合而成，其材料与形状的参数复杂，使得其影响程度难以精确估计。水声领域中的目标声散射特性研究工作，重点集中在对远场情况的讨论上。而在近场声散射问题中，大多也只考虑水声换能器自身散射对测量结果的影响，直到近些年才开始关注周围障板散射体的作用，但绝大多数解决方法只考虑了具有解析解的球体、长圆柱体等规则结构体周围的声场，对于复合结构引起的声散射，则难以精确计算。同时，要解决声障板影响下矢量传感器阵的应用，不仅要研究障板散射特性的计算方法，更是要研究相应的声信号畸变规律及解决办法。但到目前为止，特别是对于小尺寸矢量阵阵列而言，仍缺少一种灵活的、且考虑更广泛形状散射体情况的校正方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对基阵载体声散射的影响，专利技术一种操作简单、方便实用的小尺寸基阵校正方法，尤其是20-1000Hz低频范围内小尺寸矢量阵的校正。本专利技术的目的是这样实现的，该方法包括以下步骤：(1)布放基阵与发射器；(2)根据所布放的基阵与发射器，调节信号发射设备形成测试声场；(3)根据形成的测试声场，在水平面等间隔旋转基阵一周，采集与存储所有角度接收信号；(4)根据采集与存储的所有角度接收信号，利用离散傅里叶变换求取总声场傅里叶展开项系数估计值；(5)根据总声场傅里叶展开项系数估计值，将期望指向性输出与基阵实际输出分别展开；(6)根据期望指向性输出与基阵实际输出的展开式，利用最小二乘法拟合期望指向性输出与实际输出，求取加权矢量矩阵。所述步骤(1)布放基阵与发射器时以阵元间距d与波数k之间满足kd<<1设计小尺寸矢量阵，将小尺寸矢量阵固定在薄圆板上，并在圆板下方设计短圆柱腔以放置调理电路等电子设备。所述步骤(2)调节信号发射设备形成测试声场时布放声源与小尺寸矢量阵，二者之间距离满足声学远场条件，声源的主轴方向对准小尺寸矢量阵的正横方向；调节信号发生器产生CW脉冲信号，经功率放大器加载到声源上形成测试声场。在0-360°范围内旋转超指向性多极子矢量阵，采集与存储各基元的接收信号，每个阵元包括一路声压信号和两路振速通道信号，共获得Q个不同方向实测导向矢量的集合：式中，为入射方位的集合，表示i方向的入射方位。基于结构的对称性，将基阵接收声场矢量进行傅里叶展开：其中上标T表示转置，m为展开项的阶数，N为总通道数，Dm_n为第一参数，为第n个通道相对参考通道的相位差，步骤(4)所述的总声场傅里叶展开项系数Cm_n的估计值由下式计算获得：式中，m为展开项的阶数，表示Q个不同的方向，表示第n个通道Q个不同方向实测导向矢量，为第n个通道相对参考通道的相位差，Q表示不同方向的总数。将小尺寸矢量阵看作一个高阶传感器，将其输出的高阶指向性作为依据进行校正，为此，需要分别将期望指向性输出和基阵实际输出展开，其中，将中心频率ω时各基元加权系数表示为下式：式中，表示第i个基元加权系数；将信号表达式限定到前M阶，得到基阵输出表达式为下式：式中，表示第i个基元加权系数，m为展开项的阶数，为入射方位的集合，Dm_n为第一参数，并按下式进行计算：其中，Cm_n为总声场傅里叶展开项系数，为第n个通道相对参考通道的相位差；将基阵输出表达式写成矩阵形式为下式：式中，为N个基元加权系数的集合，表示第i个基元加权系数，Dm_n为第一参数，且Cm_n为总声场傅里叶展开项系数，为第n个通道相对参考通道的相位差，为N个通道的第一参数的集合；将步骤(5)所述期望指向性输出展开为下式：式中，θ为导向角，M称为波束图的阶数，为入射方位的集合，各系数第二参数am项决定了波束图的形状，将上式写为如下形式：式中，γ(θ)＝diag[e-iMθ,...,1,eiMθ]b＝[b-M,...,b0,...,bM]T建立小尺寸矢量阵散射校正的加权最小二乘算法，令基阵实际输出与期望指向性输出相等，得下式：式中，为第一参数的集合，θ为导向角，且γ(θ)＝diag[e-iMθ,...,1,eiMθ]，为N个基元加权系数的集合，对上式求取广义逆来获取步骤(6)所述加权系数矩阵的估计值：式中，上标H表示共轭转置。利用此系数矩阵对小尺寸矢量阵进行加权处理，即可修正低频声散射的影响，解决小尺寸矢量阵的低频校正问题。本专利技术考虑了安装平台或基阵载体的低频散射问题与小尺寸矢量阵波束形成实现之间的主要矛盾，对于低频散射的影响进行测量并去除。本专利技术的有益效果在于：将小尺寸矢量阵看作一个高阶传感器，因此可以忽略单基元的校准，直接将高阶指向性输出作为校准依据，解决了载体低频散射问题的同时，可操作性强、方便实用。本专利技术可以应用于低频水声计量与声散射修正的各个领域。附图说明图1小尺寸矢量阵示意图。图2
技术实现思路
程序流程图。图3(a)0号基元X通道实测指向性图。图3(b)0号基元Y通道实测指向性图。图3(c)0号基元P通道实测指向性图。图3(d)1号基元X通道实测指向性图。图3(e)1号基元Y通道实测指向性图。图3(f)1号基元P通道实测指向性图。图3(g)2号基元X通道实测指向性图。图3(h)2号基元Y通道实测指向性图。图3(i)2号基元P通道实测指向性图。图4(a)二阶实测波束校正前后基阵输出对比图。图4(b)三阶实测波束校正前后基阵输出对比图。具体实施方式下面结合附图对专利技术做更详细地描述：本专利技术是一种针对20-1000Hz范围内小尺寸矢量阵的结构声散射校正方法，它适用于任何对称结构矢量阵系统的声散射校正工作。本专利技术中以五元小尺寸矢量阵系统为例，它包括五个阵元，它们构成一个十字型，阵元间距d与波数k之间满足kd<<1；载体结构由薄圆板和短圆柱腔组成；声源与小尺寸矢量接收阵之间距离满足声学远场条件。调节信号发生器产生CW脉冲信号，经功率放大器加载到声源上形成测量声场；采集与存储各阵元的接收信号。利用傅里叶求和表示总接收声场，并对实测声场进行离散傅里叶变换以求取展开项系数。忽略多项误差来源影响，不严格区分基元的校准与基阵的校准，而将小尺寸基阵看作一个高阶传感器，将其总体输出的高阶指向性作为校准依据。最后将基阵输出与期望指向性图间拟合，提出利用加权最小二乘算法的校正方法。本专利技术所提校正方法为水声领域小尺度基阵的声散射校正提供了一种新思路，直接将基阵输出作为校准依据，避免了基元不一致性、安装误差等因素对声散射校正的影响，使基阵系统声散射校正问题更直接，可操作证性强，避免了误差传递的影响，为声呐基阵后续应用提供保障。(1)以图1所示小尺寸矢量基阵为例。所研究小尺寸矢量本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种小尺寸矢量阵低频散射校正方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：(1)布放基阵与发射器；(2)根据所布放的基阵与发射器，调节信号发射设备形成测试声场；(3)根据形成的测试声场，在水平面等间隔旋转基阵一周，采集与存储所有角度接收信号；(4)根据采集与存储的所有角度接收信号，利用离散傅里叶变换求取总声场傅里叶展开项系数估计值；(5)根据总声场傅里叶展开项系数估计值，将期望指向性输出与基阵实际输出分别展开；(6)根据期望指向性输出与基阵实际输出的展开式，利用最小二乘法拟合期望指向性输出与实际输出，求取加权矢量矩阵。

【技术特征摘要】
1.一种小尺寸矢量阵低频散射校正方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：(1)布放基阵与发射器；(2)根据所布放的基阵与发射器，调节信号发射设备形成测试声场；(3)根据形成的测试声场，在水平面等间隔旋转基阵一周，采集与存储所有角度接收信号；(4)根据采集与存储的所有角度接收信号，利用离散傅里叶变换求取总声场傅里叶展开项系数估计值；(5)根据总声场傅里叶展开项系数估计值，将期望指向性输出与基阵实际输出分别展开；(6)根据期望指向性输出与基阵实际输出的展开式，利用最小二乘法拟合期望指向性输出与实际输出，求取加权矢量矩阵。2.根据权利要求1所述的一种小尺寸矢量阵低频散射校正方法，其特征在于：所述步骤(1)布放基阵与发射器时以阵元间距d与波数k之间满足kd<<1设计小尺寸矢量阵，将小尺寸矢量阵固定在薄圆板上，并在圆板下方设计短圆柱腔以放置调理电路等电子设备。3.根据权利要求2所述的一种小尺寸矢量阵低频散射校正方法，其特征在于：所述步骤(2)调节信号发射设备形成测试声场时布放声源与小尺寸矢量阵，二者之间距离满足声学远场条件，声源的主轴方向对准小尺寸矢量阵的正横方向；调节信号发生器产生CW脉冲信号，经功率放大器加载到声源上形成测试声场。4.根据权利要求3所述的一种小尺寸矢量阵低频散射校正方法，其特征在于：在0-360°范围内旋转超指向性多极子矢量阵，采集与存储各基元的接收信号，每个阵元包括一路声压信号和两路振速通道信号，共获得Q个不同方向实测导向矢量的集合：式中，为入射方位的集合，表示i方向的入射方位。5.根据权利要求4所述的一种小尺寸矢量阵低频散射校正方法，其特征在于：基于结构的对称性，将基阵接收声场矢量进行傅里叶展开：其中上标T表示转置，m为展开项的阶数，N为总通道数，Dm_n为第一参数，为第n个通道相对参考通道的相位...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭俊媛，杨士莪，朴胜春，陈洪娟，李智，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23