非线性声纳最小可检测信噪比测试方法及系统
阅读说明：本技术 非线性声纳最小可检测信噪比测试方法及系统 (Method and system for testing minimum detectable signal-to-noise ratio of nonlinear sonar ) 是由 姚新 胡健辉 董浩 郜扬文 赵海旭 于 2021-08-11 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种非线性声纳最小可检测信噪比测试方法及系统,包括：基于差频信号等效声源级测量实验设备,实测差频等效声源级SL-(差)；采集并记录0°波束差频信号时域波形S-(差)(t)；基于最小可检测信噪比测试实验设备,记录经滤波后的差频信号电压有效值V-(rms)；计算传播损失TL；发射基阵停止发射,标准信号源输出差频信号时域波形S-(差)(t),经功率放大器、标准声源后发射,发射周期为T2,以大于预设声纳作用距离指标且离预设的声纳作用距离指标最近的目标为参考对象,由大到小调整标准信号源输出的差频信号S-(差)(t)的电压有效值,当声纳图像上参考对象消失时,记录标准信号源输出的差频信号电压有效值V2-(rms)；记录背景噪声带内噪声谱级NL；计算最小可检测信噪比。(The invention provides a method and a system for testing the minimum detectable signal-to-noise ratio of nonlinear sonar, comprising the following steps: based on difference frequency signal equivalent sound source level measurement experimental equipment, difference frequency equivalent sound source level SL is actually measured Difference (D) (ii) a Acquiring and recording 0-degree wave beam difference frequency signal time domain waveform S Difference (D) (t); based on the test experiment equipment of the minimum detectable signal-to-noise ratio, the effective value V of the voltage of the filtered difference frequency signal is recorded rms (ii) a Calculating propagation loss TL; the transmitting array stops transmitting, and the standard signal source outputs the time domain waveform S of the difference frequency signal Difference (D) (T) transmitting the signal after passing through a power amplifier and a standard sound source, wherein the transmission period is T2, and adjusting the difference frequency signal S output by the standard signal source from large to small by taking a target which is larger than the preset sonar working distance index and is closest to the preset sonar working distance index as a reference object Difference (D) (t) recording the effective voltage value V2 of the difference frequency signal output by the standard signal source when the reference object disappears on the sonar image rms (ii) a Recording the noise spectrum level NL in the background noise band; calculating a minimum detectable signal-to-noise ratio。)
技术领域
本发明涉及非线性声纳性能测试方法领域，具体地，涉及非线性声纳最小可检测信噪比测试方法及系统。
背景技术
非线性声纳(此处特指使用参量发射技术的声纳，非参量接收)具有低频窄波束、无旁瓣的特性，作用距离远、适合混浊水域使用、适合浅海复杂海域使用的特点，已在水下小目标探测、海底浅地层探测、水下自导领域得到有效应用。
专利文献CN105891805B(申请号：201610327756.6)公开了一种不同环境噪声条件下评估声纳探测性能的方法。在良好水文环境下测试海域在测试深度下各个频率的传播损失和本底随距离变化所构建的良好水文条件低噪声环境下的标准传播损失数据库，获得传播损失与探测距离的关系。如果还未建立该海域的标准传播损失数据库则需首先建立该数据库以便比对时查表使用。本发明通过本发明可以解决对声纳探测性能评估对环境噪声环境过于依赖的问题，改变只有在良好水文环境下才能对声纳探测性能指标进行评估的弊端，可以节约大量的时间和资源并提高工作效率。使声纳探测性能评估结果有统一的测评结果可以进行对比分析，为判断声纳性能的优劣提供可靠依据。
在声纳性能测试领域，为了降低对试验场地、环境、设备的要求，提高试验效率，通常使用声纳最小可检测信噪比来反映声纳作用距离。常规体制声纳的实际工作信号较理想，与标准信号差异基本可以忽略，通过实测传播损失，调整标准声源发射标准信号大小的方法就可以较为准确的测量最小可检测信噪比，从而判断声纳作用距离指标的满足性，如图1所示(间距D大于远场距离)。但非线性声纳的发射系统非常复杂，其实际工作信号与标准信号之间存在较大差异，这些差异形成的能量损失在最小可检测信噪比测量过程中会引起较大误差，导致最小可检测信噪比的测量值要优于声纳真实能力，从而降低了对声纳作用距离的要求。这些差异形成的能量损失主要包括发射系统带内非一致性引起的发射损失En1、非线性效应等效端射阵长度不足引起的转换区损失En2、非线性效应不同频率下移比引起的转换率损失En3，还包括一些次要的其他损失En其他。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种非线性声纳最小可检测信噪比测试方法及系统。
根据本发明提供的一种非线性声纳最小可检测信噪比测试方法，包括：
步骤S1：基于差频信号等效声源级测量实验设备，在非线性声纳正常工作时，实测差频等效声源级SL差；
步骤S2：在非线性声纳正常工作时，采集并记录0°波束差频信号时域波形S差(t)；
步骤S3：基于最小可检测信噪比测试实验设备，发射基阵发射原频信号，发射周期为T1，标准水听器接收差频信号，记录经滤波后的差频信号电压有效值Vrms；
步骤S4：根据滤波后的差频信号电压有效值Vrms、实测差频等效声级SL差以及标准水听器灵敏度M，计算传播损失TL；
步骤S5：发射基阵停止发射，标准信号源输出差频信号时域波形S差(t)，经功率放大器、标准声源后发射，发射周期为T2，且发射周期T2小于T1满足预设条件，在声纳图像0°波束方向出现等间距目标，以大于预设声纳作用距离指标且离预设的声纳作用距离指标最近的目标为参考对象，由大到小调整标准信号源输出的差频信号S差(t)的电压有效值，当声纳图像上参考对象消失时，记录标准信号源输出的差频信号电压有效值V2rms，当前标准声源发射的差频信号声源级为最小可检测声源级SL1；
步骤S6：标准声源停止发射，分析接收基阵的背景噪声，记录背景噪声带内噪声谱级NL；
步骤S7：根据最小可检测生源级SL1、背景噪声带内噪声谱级NL以及传播损失计算最小可检测信噪比；
所述差频信号等效声源级测量实验设备包括用于发射原频信号的发射机和发射基阵，用于接收差频信号的标准水听器、标准滤波器、标准示波器；
所述最小可检测信噪比测试实验设备包括：利用用于发射原频信号的发射机、发射基阵，用于接收差频信号的标准水听器、标准滤波器以及标准示波器计算传播损失；利用用于发射差频信号的可编程信号源、标准功率放大器和标准声源，用于接收差频信号的接收基阵、接收电子舱，用于差频信号目标检测的信号处理机，用于目标显示的显控台计算最小可检测信噪比。
优选地，所述差频信号等效声源级测量实验设备采用：辅助船正下方且距离水下深度H处设置标准水听器，标准水听器与发射基阵水平距离为D1，且发射基阵在水下深度H处；其中，间距D1大于原频远场距离，原频远场距离大于差频远场距离，且不小于非线性声纳非线性效应的等效端射阵长度；深度H大于发射基阵发射信号空化的深度，发射基阵雨标准水听器同深度且0°波束中心对准。
优选地，所述实测差频等效生源级SL差采用：
SL差＝20lg(V1rms)+20lg(D1)-M (1)
其中，M表示标准水听器灵敏度；V1rms表示差频声信号经标准水听器、滤波器接收后的信号电压有效值，D1表示发射基阵雨标准水听器水平间距。
优选地，所述最小可检测信噪比测试实验设备采用：将差频信号等效声源级测量实验设备中标准水听器与发射基阵水平距离调整为间距D2，且在标准水听器的正下方设置标准声源；在发射基阵的正下方设置接收基阵；所述间距D2大于差频远场距离，且大于非线性声纳非线性效应的等效端射阵长度；所述深度H大于发射基阵发射信号空化的深度，发射基阵与标准水听器同深度且0°波束中心对准，接收基阵与标准声源同深度且0°波束中心对准。
优选地，所述传播损失TL采用：
TL＝SL差-20lg(Vrms)+M (2)。
优选地，所述步骤S5采用：
SL1＝SL差+20lg(V2rms/V1rms) (3)。
优选地，所述最小可检测信噪比采用：
SE＝SL1-NL-TL (4)。
根据本发明提供的一种非线性声纳最小可检测信噪比测试系统，包括：
模块M1：基于差频信号等效声源级测量实验设备，在非线性声纳正常工作时，实测差频等效声源级SL差；
模块M2：在非线性声纳正常工作时，采集并记录0°波束差频信号时域波形S差(t)；
模块M3：基于最小可检测信噪比测试实验设备，发射基阵发射原频信号，发射周期为T1，标准水听器接收差频信号，记录经滤波后的差频信号电压有效值Vrms；
模块M4：根据滤波后的差频信号电压有效值Vrms、实测差频等效声级SL差以及标准水听器灵敏度M，计算传播损失TL；
模块M5：发射基阵停止发射，标准信号源输出差频信号时域波形S差(t)，经功率放大器、标准声源后发射，发射周期为T2，且发射周期T2小于T1满足预设条件，在声纳图像0°波束方向出现等间距目标，以大于预设声纳作用距离指标且离预设的声纳作用距离指标最近的目标为参考对象，由大到小调整标准信号源输出的差频信号S差(t)的电压有效值，当声纳图像上参考对象消失时，记录标准信号源输出的差频信号电压有效值V2rms，当前标准声源发射的差频信号声源级为最小可检测声源级SL1；
模块M6：标准声源停止发射，分析接收基阵的背景噪声，记录背景噪声带内噪声谱级NL；
模块M7：根据最小可检测生源级SL1、背景噪声带内噪声谱级NL以及传播损失计算最小可检测信噪比；
所述差频信号等效声源级测量实验设备包括用于发射原频信号的发射机和发射基阵，用于接收差频信号的标准水听器、标准滤波器、标准示波器；
所述最小可检测信噪比测试实验设备包括：利用用于发射原频信号的发射机、发射基阵，用于接收差频信号的标准水听器、标准滤波器以及标准示波器计算传播损失；利用用于发射差频信号的可编程信号源、标准功率放大器和标准声源，用于接收差频信号的接收基阵、接收电子舱，用于差频信号目标检测的信号处理机，用于目标显示的显控台计算最小可检测信噪比。
优选地，所述差频信号等效声源级测量实验设备采用：辅助船正下方且距离水下深度H处设置标准水听器，标准水听器与发射基阵水平距离为D1，且发射基阵在水下深度H处；其中，间距D1大于原频远场距离，原频远场距离大于差频远场距离，且不小于非线性声纳非线性效应的等效端射阵长度；深度H大于发射基阵发射信号空化的深度，发射基阵雨标准水听器同深度且0°波束中心对准；
所述实测差频等效生源级SL差采用：
SL差＝20lg(V1rms)+20lg(D1)-M (1)
其中，M表示标准水听器灵敏度；V1rms表示差频声信号经标准水听器、滤波器接收后的信号电压有效值，D1表示发射基阵雨标准水听器水平间距。
优选地，所述最小可检测信噪比测试实验设备采用：将差频信号等效声源级测量实验设备中标准水听器与发射基阵水平距离调整为间距D2，且在标准水听器的正下方设置标准声源；在发射基阵的正下方设置接收基阵；所述间距D2大于差频远场距离，且大于非线性声纳非线性效应的等效端射阵长度；所述深度H大于发射基阵发射信号空化的深度，发射基阵与标准水听器同深度且0°波束中心对准，接收基阵与标准声源同深度且0°波束中心对准；
所述传播损失TL采用：
TL＝SL差-20lg(Vrms)+M (2)
所述模块M5采用：
SL1＝SL差+20lg(V2rms/V1rms) (3)
所述最小可检测信噪比采用：
SE＝SL1-NL-TL (4)。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明与常规体制声纳最小可检测信噪比测试方法相比，考虑了实际工作信号与标准信号之间的较大差异引起的误差，测试结果更加准确；
2、本发明与作用距离测试方法相比，不需要考虑混响、水文、目标等因素，极大的简化了声纳作用距离指标验证方法；
3、本发明试验设备简单，试验方法可操作性强，提高了试验效率，降低了试验成本。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为常规体制声纳最小可检测信噪比测量示意图。
图2为本发明的非线性声纳差频信号等效声源级测量示意图。
图3为本发明的非线性声纳最小可检测信噪比测量示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
本发明解决的问题是克服现有方法难以准确测量非线性声纳最小可检测信噪比的问题；提供一种非线性声纳最小可检测信噪比测试方法。
根据本发明提供的一种非线性声纳最小可检测信噪比测试方法，包括：
步骤S1：基于差频信号等效声源级测量实验设备，在非线性声纳正常工作时，实测差频等效声源级SL差；
步骤S2：在非线性声纳正常工作时，采集并记录0°波束差频信号时域波形S差(t)；
步骤S3：基于最小可检测信噪比测试实验设备，发射基阵发射原频信号，发射周期为T1，标准水听器接收差频信号，记录经滤波后的差频信号电压有效值Vrms；
步骤S4：根据滤波后的差频信号电压有效值Vrms、实测差频等效声级SL差以及标准水听器灵敏度M，计算传播损失TL；
步骤S5：发射基阵停止发射，标准信号源输出差频信号时域波形S差(t)(此处不适用标准信号，避免En1、En2、En3、En其他)，经功率放大器、标准声源后发射，发射周期为T2，且发射周期T2远小于T1，在声纳图像0°波束方向出现等间距目标亮点，以大于预设声纳作用距离指标且离预设的声纳作用距离指标最近的目标为参考对象AA，由大到小调整标准信号源输出的差频信号S差(t)的电压有效值，当声纳图像上目标亮点AA消失时，记录标准信号源输出的差频信号电压有效值V2rms，当前标准声源发射的差频信号声源级为最小可检测声源级SL1；
步骤S6：标准声源停止发射，分析接收基阵的背景噪声，记录背景噪声带内噪声谱级NL；
步骤S7：根据最小可检测生源级SL1、背景噪声带内噪声谱级NL以及传播损失计算最小可检测信噪比；
所述差频信号等效声源级测量实验设备包括用于发射原频信号的发射机和发射基阵，用于接收差频信号的标准水听器、标准滤波器、标准示波器；
所述最小可检测信噪比测试实验设备包括：利用用于发射原频信号的发射机、发射基阵，用于接收差频信号的标准水听器、标准滤波器以及标准示波器计算传播损失；利用用于发射差频信号的可编程信号源、标准功率放大器和标准声源，用于接收差频信号的接收基阵、接收电子舱，用于差频信号目标检测的信号处理机，用于目标显示的显控台计算最小可检测信噪比。
具体地，所述差频信号等效声源级测量实验设备采用：如图2所示，辅助船正下方且距离水下深度H处设置标准水听器，标准水听器与发射基阵水平距离为D1，且发射基阵在水下深度H处；其中，间距D1大于原频远场距离，原频远场距离大于差频远场距离，且不小于非线性声纳非线性效应的等效端射阵长度；深度H大于发射基阵发射信号空化的深度，发射基阵雨标准水听器同深度且0°波束中心对准。
具体地，所述实测差频等效生源级SL差采用：
SL差＝20lg(V1rms)+20lg(D1)-M (1)
其中，M表示标准水听器灵敏度；V1rms表示差频声信号经标准水听器、滤波器接收后的信号电压有效值，D1表示发射基阵雨标准水听器水平间距。
具体地，所述最小可检测信噪比测试实验设备采用：如图3所示，将差频信号等效声源级测量实验设备中标准水听器与发射基阵水平距离调整为间距D2，且在标准水听器的正下方设置标准声源；在发射基阵的正下方设置接收基阵；所述间距D2大于差频远场距离，且大于非线性声纳非线性效应的等效端射阵长度；所述深度H大于发射基阵发射信号空化的深度，发射基阵与标准水听器同深度且0°波束中心对准，接收基阵与标准声源同深度且0°波束中心对准。
具体地，所述传播损失TL采用：
TL＝SL差-20lg(Vrms)+M (2)。
具体地，所述步骤S5采用：
SL1＝SL差+20lg(V2rms/V1rms) (3)。
具体地，所述最小可检测信噪比采用：
SE＝SL1-NL-TL (4)。
根据本发明提供的一种非线性声纳最小可检测信噪比测试系统，包括：
模块M1：基于差频信号等效声源级测量实验设备，在非线性声纳正常工作时，实测差频等效声源级SL差；
模块M2：在非线性声纳正常工作时，采集并记录0°波束差频信号时域波形S差(t)；
模块M3：基于最小可检测信噪比测试实验设备，发射基阵发射原频信号，发射周期为T1，标准水听器接收差频信号，记录经滤波后的差频信号电压有效值Vrms；
模块M4：根据滤波后的差频信号电压有效值Vrms、实测差频等效声级SL差以及标准水听器灵敏度M，计算传播损失TL；
模块M5：发射基阵停止发射，标准信号源输出差频信号时域波形S差(t)(此处不适用标准信号，避免En1、En2、En3、En其他)，经功率放大器、标准声源后发射，发射周期为T2，且发射周期T2远小于T1，在声纳图像0°波束方向出现等间距目标亮点，以大于预设声纳作用距离指标且离预设的声纳作用距离指标最近的目标为参考对象AA，由大到小调整标准信号源输出的差频信号S差(t)的电压有效值，当声纳图像上目标亮点AA消失时，记录标准信号源输出的差频信号电压有效值V2rms，当前标准声源发射的差频信号声源级为最小可检测声源级SL1；
模块M6：标准声源停止发射，分析接收基阵的背景噪声，记录背景噪声带内噪声谱级NL；
模块M7：根据最小可检测生源级SL1、背景噪声带内噪声谱级NL以及传播损失计算最小可检测信噪比；
所述差频信号等效声源级测量实验设备包括用于发射原频信号的发射机和发射基阵，用于接收差频信号的标准水听器、标准滤波器、标准示波器；
所述最小可检测信噪比测试实验设备包括：利用用于发射原频信号的发射机、发射基阵，用于接收差频信号的标准水听器、标准滤波器以及标准示波器计算传播损失；利用用于发射差频信号的可编程信号源、标准功率放大器和标准声源，用于接收差频信号的接收基阵、接收电子舱，用于差频信号目标检测的信号处理机，用于目标显示的显控台计算最小可检测信噪比。
具体地，所述差频信号等效声源级测量实验设备采用：如图2所示，辅助船正下方且距离水下深度H处设置标准水听器，标准水听器与发射基阵水平距离为D1，且发射基阵在水下深度H处；其中，间距D1大于原频远场距离，原频远场距离大于差频远场距离，且不小于非线性声纳非线性效应的等效端射阵长度；深度H大于发射基阵发射信号空化的深度，发射基阵雨标准水听器同深度且0°波束中心对准。
具体地，所述实测差频等效生源级SL差采用：
SL差＝20lg(V1rms)+20lg(D1)-M (1)
其中，M表示标准水听器灵敏度；V1rms表示差频声信号经标准水听器、滤波器接收后的信号电压有效值，D1表示发射基阵雨标准水听器水平间距。
具体地，所述最小可检测信噪比测试实验设备采用：如图3所示，将差频信号等效声源级测量实验设备中标准水听器与发射基阵水平距离调整为间距D2，且在标准水听器的正下方设置标准声源；在发射基阵的正下方设置接收基阵；所述间距D2大于差频远场距离，且大于非线性声纳非线性效应的等效端射阵长度；所述深度H大于发射基阵发射信号空化的深度，发射基阵与标准水听器同深度且0°波束中心对准，接收基阵与标准声源同深度且0°波束中心对准。
具体地，所述传播损失TL采用：
TL＝SL差-20lg(Vrms)+M (2)。
具体地，所述模块M5采用：
SL1＝SL差+20lg(V2rms/V1rms) (3)。
具体地，所述最小可检测信噪比采用：
SE＝SL1-NL-TL (4)。
实施例2
实施例2是实施例1的优选例
按照非线性声纳最小可检测信噪比测试方法进行测试，在本实施例中非线性声纳原频远场距离约为47m，差频远场距离约为12m，等效端射阵长度约为100m，空化深度约为8m。
步骤1、差频信号等效声源级测量，试验设备部署如图2所示，间距D1为100m，深度H为10m，发射基阵与标准水听器同深度且0°波束中心对准，在非线性声纳正常工作时，实测差频信号等效声源级SL差，SL差＝203.66dB；
步骤2、差频信号波形记录，在非线性声纳正常工作时，采集并记录0°波束差频信号波形S差(t)；
步骤3、最小可检测信噪比测量，设备部署如图3所示，间距D2为25m，深度H为10m；
步骤4、发射基阵发射原频信号，发射周期T1为1s，标准水听器接收差频信号，记录经滤波后的差频信号电压有效值Vrms，Vrms＝9e-6V；
步骤5、标准水听器灵敏度M＝-214.2dB，计算传播损失TL＝30.37dB；
步骤6、发射基阵停止发射，标准声源发射差频信号S差(t)，发射周期T2为0.1s，观察声纳界面，以大于作用距离指标且离作用距离指标最近的目标为参考对象，由大至小调整S差(t)声源级，当目标消失时，记录此时S差(t)声源级为最小可检测声源级SL1，SL1＝88.98(dB)；
步骤7、标准声源停止发射，分析接收基阵的背景噪声，并记录背景噪声带内噪声谱级NL＝88.25(dB)；
步骤8、计算最小可检测信噪比SE＝-29.64dB。
在本实施例中，最小可检测信噪比指标要求为-26dB，实测值满足指标要求。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
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