阅读说明：本技术 水池近场的双水听器相位差校准测量系统及其相位差校准测量方法 (Bi-hydrophone phase difference calibration and measurement system and method for near field of pool ) 是由 孙大军 兰华林 吕云飞 梅继丹 师俊杰 滕婷婷 靳建嘉 于 2019-10-22 设计创作，主要内容包括：水池近场的双水听器相位差校准测量系统及其相位差校准测量方法,属于水声测量技术领域,为解决现有低频近场条件下位置误差对双水听器相位差校准影响大的问题。低频发射换能器刚性安装在支架的中部,两个水听器分别刚性安装在支架的两端,信号源发射的信号经过功率放大器提供给低频发射换能器,采用双通道数据采集器对两路数据进行同步采集；采集到的两路数据经过数据处理获得每个频点的相位；经过多次测量后求取平均值,获得两个水听器所在两个通道信号的相位差；将两个水听器的位置互换,获得两个水听器换位置后所在两个通道信号的相位差,求取两个相位差的平均值,获得测量系统所需测量的相位差。本发明用于对低频近场条件下的相位差测量。(A phase difference calibration and measurement system and a phase difference calibration and measurement method for a hydrophone of a pool near field belong to the technical field of underwater sound measurement and aim to solve the problem that position errors have large influence on phase difference calibration of the hydrophone under the existing low-frequency near field condition. The low-frequency transmitting transducer is rigidly arranged in the middle of the bracket, the two hydrophones are rigidly arranged at two ends of the bracket respectively, signals transmitted by the signal source are provided to the low-frequency transmitting transducer through the power amplifier, and two paths of data are synchronously acquired by adopting the two-channel data acquisition unit; the two collected paths of data are subjected to data processing to obtain the phase of each frequency point; after multiple measurements, an average value is obtained to obtain the phase difference of signals of two channels where the two hydrophones are located; and interchanging the positions of the two hydrophones to obtain the phase difference of the signals of the two channels where the two hydrophones are positioned after the positions of the two hydrophones are interchanged, and solving the average value of the two phase differences to obtain the phase difference required to be measured by the measuring system. The method is used for measuring the phase difference under the condition of the low-frequency near field.)

水池近场的双水听器相位差校准测量系统及其相位差校准测 量方法

技术领域

本发明涉及一种水池近场的双水听器相位差校准测量系统及其相位差校准测量方法，属于水声测量技术领域。

背景技术

通道间的相位误差是影响阵列信号处理的重要因素。相位误差由两部分组成，一是通道间电路系统引起的相位差，二是由水听器自身引起的相位差。针对通道间电路系统引起的相位差，可以利用电信号测得。而水听器之间的相位差需要通过借助与声源进行测量校准。

对于低频信号而言，在有限尺寸的水池内难以满足远场条件，主要表现为水听器声中心的位置误差或者声源的位置误差对相位误差的影响较大。

发明内容

本发明目的是为了解决现有低频近场条件下位置误差对双水听器相位差校准影响大的问题，提供了一种水池近场的双水听器相位差校准测量系统及其相位差校准测量方法。

本发明所述水池近场的双水听器相位差校准测量系统，该测量系统包括低频声源发射系统、双水听器接收系统和支架；

低频声源发射系统包括低频发射换能器、功率放大器和信号源；

双水听器接收系统包括两个水听器、两个信号调理电路和双通道数据采集器；

低频发射换能器刚性安装在支架的中部，两个水听器分别刚性安装在支架的两端，

信号源发射的信号经过功率放大器提供给低频发射换能器，低频发射换能器发射线性调频信号，

两个水听器接收线性调频信号并将其转换为电信号，经过信号调理电路进行滤波放大，采用双通道数据采集器对两路数据进行同步采集；

采集到的两路数据经过数据处理获得每个频点的相位；

经过多次测量后求取平均值，获得两个水听器所在两个通道信号的相位差；

将两个水听器的位置互换，获得两个水听器换位置后所在两个通道信号的相位差，

求取两个相位差的平均值，获得测量系统所需测量的相位差。

优选的，低频发射换能器发射的线性调频信号设置为：

调频带宽根据相位差校准要求设置；

脉宽为30s；

幅度通过信号源的输出幅度和功率放大器的增益进行调节，使得两个水听器接收的信号的信噪比大于20dB。

本发明所述基于水池近场的双水听器相位差校准测量系统的相位差校准测量方法，该测量方法的具体过程为：

S1、将低频发射换能器和两个水听器安装在支架上；

S2、两个水听器接收低频发射换能器发射的线性调频信号，并将其转换为电信号；

S3、信号调理电路对S2获取的电信号进行滤波放大，双通道数据采集器对两路数据进行同步采集；

S4、采集到的两路数据采用周期图法求取互功率谱；

S5、根据互功率谱获得辐角，辐角即为每个频点对应互功率谱的相位；

S6、经过N次测量后求取平均值；

S7、S6获得的平均值为两个水听器所在两个通道信号的相位差

其中：

表示每个频点对应互功率谱的相位，i表示第i个频点，i＝1,2,…,N；

S8、将两个水听器的位置互换，重复执行S2-S6，获得两个水听器换位置后所在两个通道信号的相位差

其中：表示两个水听器换位置后每个频点对应互功率谱的相位；

S9、求取S7和S8的两个相位差的平均值，即为测量系统所需测量的相位差：

优选的，S4所述采用周期图法求取互功率谱的具体过程为：

对采集到的两路数据采用相同的分段方式进行分段，每段数据分别进行离散傅里叶变换，两路数据对应的数据段的傅里叶变换结果进行共轭相乘，获得每个数据段的互谱结果，将所有数据段的互谱结果求取平均值，获得两路数据的互功率谱。

优选的，S5所述根据互功率谱获得辐角的具体方法为：

两路数据的互功率谱为复数，复数对应的向量与实轴正方向的夹角即为辐角。

本发明的优点：本发明提出的水池近场的双水听器相位差校准测量系统及其相位差校准测量方法，能够在低频近场条件下，消除由于位置误差和声中心不准带来相位差测量误差大的影响，获得低频条件下的双水听器相位差。

附图说明

图1是本发明所述低频发射换能器和两个水听器在水池下的布置示意图；

图2是本发明所述水池近场的双水听器相位差校准测量系统的原理框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

具体实施方式一：下面结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述水池近场的双水听器相位差校准测量系统，该测量系统包括低频声源发射系统1、双水听器接收系统2和支架3；

低频声源发射系统1包括低频发射换能器11、功率放大器12和信号源13；

双水听器接收系统2包括两个水听器21、两个信号调理电路22和双通道数据采集器23；

低频发射换能器11刚性安装在支架3的中部，两个水听器21分别刚性安装在支架3的两端，

信号源13发射的信号经过功率放大器12提供给低频发射换能器11，低频发射换能器11发射线性调频信号，

两个水听器21接收线性调频信号并将其转换为电信号，经过信号调理电路22进行滤波放大，采用双通道数据采集器23对两路数据进行同步采集；

采集到的两路数据经过数据处理获得每个频点的相位；

经过多次测量后求取平均值，获得两个水听器21所在两个通道信号的相位差；

将两个水听器21的位置互换，获得两个水听器21换位置后所在两个通道信号的相位差，

求取两个相位差的平均值，获得测量系统所需测量的相位差。

本实施方式中，水池或水域的尺寸需要满足：长度、宽度和深度均大于10米。

本实施方式中，对低频发射换能器和水听器的相对位置精度要求不高，但是要求测量时水听器有较高的重复安装精度。

进一步的，低频发射换能器11和两个水听器21的间距相等，均为1米。

进一步的，低频发射换能器11和两个水听器21距离水面的深度相等，均为水深的一半。

进一步的，低频发射换能器11发射的线性调频信号设置为：

调频带宽根据相位差校准要求设置；

脉宽为30s；

幅度通过信号源13的输出幅度和功率放大器12的增益进行调节，使得两个水听器21接收的信号的信噪比大于20dB。

具体实施方式二：本实施方式所述基于水池近场的双水听器相位差校准测量系统的相位差校准测量方法，该测量方法的具体过程为：

S1、将低频发射换能器11和两个水听器21安装在支架3上；

S2、两个水听器21接收低频发射换能器11发射的线性调频信号，并将其转换为电信号；

S3、信号调理电路22对S2获取的电信号进行滤波放大，双通道数据采集器23对两路数据进行同步采集；

S4、采集到的两路数据采用周期图法求取互功率谱；

S5、根据互功率谱获得辐角，辐角即为每个频点对应互功率谱的相位；

S6、经过N次测量后求取平均值；

S7、S6获得的平均值为两个水听器21所在两个通道信号的相位差

其中：

表示每个频点对应互功率谱的相位，i表示第i个频点，i＝1,2,…,N；

S8、将两个水听器21的位置互换，重复执行S2-S6，获得两个水听器21换位置后所在两个通道信号的相位差

其中：

表示两个水听器21换位置后每个频点对应互功率谱的相位；

S9、求取S7和S8的两个相位差的平均值，即为测量系统所需测量的相位差：

进一步的，S4所述采用周期图法求取互功率谱的具体过程为：

对采集到的两路数据采用相同的分段方式进行分段，每段数据分别进行离散傅里叶变换，两路数据对应的数据段的傅里叶变换结果进行共轭相乘，获得每个数据段的互谱结果，将所有数据段的互谱结果求取平均值，获得两路数据的互功率谱。

再进一步的，S5所述根据互功率谱获得辐角的具体方法为：

两路数据的互功率谱为复数，复数对应的向量与实轴正方向的夹角即为辐角。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。