適用于外場環(huán)境的矢量水聽器校準方法

李 晉，王曉慶

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0 引言

聲壓、振速聯(lián)合處理是水聲信號處理的發(fā)展趨勢之一。矢量水聽器同點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，需要進行各通道靈敏度和相位差的一致性補償(校準)，以保證其聲壓和矢量通道的幅相一致性。常規(guī)的校準方法為駐波管計量，通過駐波管、單頻聲源以及旋轉(zhuǎn)機構(gòu)對待測矢量水聽器進行靈敏度、相位差和指向性的測量[1]。駐波管測量方式操作復(fù)雜、耗時長和費用高，在一定程度上限制了實際工程的應(yīng)用。

駐波管測量結(jié)果一般作為矢量水聽器出廠時的性能考核依據(jù)，而后由于矢量水聽器的儲存、運輸和使用，將會導(dǎo)致其性能隨時間發(fā)生一定程度的變化，即性能參數(shù)與出廠時的測試結(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檢測和方位估計性能。因此，在矢量水聽器實際應(yīng)用前，應(yīng)首先對其各通道進行校準，而方便有效的校準方法成為矢量水聽器工程應(yīng)用領(lǐng)域的一個研究重點[2]。

本文提出了一種適用于外場環(huán)境的矢量水聽器自校準方法。通過復(fù)聲強流處理估計遠場參考聲源的方位，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，計算得到矢量水聽器通道靈敏度和相位差的補償值。相比文獻[3-5]常規(guī)駐波管計量，只需要一個遠場參考聲源，并可以在多數(shù)外場環(huán)境中使用，校準過程不需要單獨拆解水聲系統(tǒng)搭載的矢量水聽器，降低了校準對環(huán)境和測試儀器的限制[6]；利用數(shù)據(jù)擬合和野值剔除方法，降低了校準數(shù)據(jù)的測量誤差。

1 聲壓振速聯(lián)合處理

矢量水聽器可以共點采集聲場的聲壓、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，矢量水聽器接收遠場平面波有如下輸出[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)的矢量信號處理中，一般將波阻抗值視為1，形式簡化為：

(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，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上的投影。然而在實際情況中，考慮到各通道在傳播介質(zhì)、放大電路和接收機理上的差異，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，對矢量水聽器各通道進行靈敏度和相位差的校準以實現(xiàn)聲壓、振速聯(lián)合處理顯得尤為必要[10]。

2 矢量水聽器校準方法

在實際工程應(yīng)用中，從水下聲場到數(shù)字信號輸出，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，如果出廠時只利用駐波管進行矢量水聽器靈敏度和相位差的計量，還需要知道前置放大器、AD等模塊的參數(shù)，通道最終補償系數(shù)的計算也較復(fù)雜[12]。利用外場參考聲源進行通道靈敏度和相位差的校準，是在系統(tǒng)層面上的通道校準，因此不需要知道系統(tǒng)內(nèi)每個模塊的具體參數(shù)。

以浮標平臺為例，矢量水聽器自校準方法的基本場景如圖1所示。

圖1 矢量水聽器校準應(yīng)用場景示意

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

在水聲系統(tǒng)中使用的矢量水聽器校準算法流程如圖2所示。

圖2 矢量水聽器校準算法流程

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

2.1 參考聲源方位估計

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

圖3 復(fù)聲強流處理原理

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可通過下式實現(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)聲強流估計的參考聲源方位。

2.2 靈敏度、相位差補償值計算

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，對振速通道進行校準，可節(jié)省校準運算量，通過式計算，可得到針對振速通道的靈敏度和相位差補償值。

(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

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

3 試驗驗證

試驗驗證采用某次湖試試驗數(shù)據(jù)。此次試驗中，參考聲源為漁船航行時的寬帶噪聲，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矢量水聽器的通道靈敏度和相位差進行估計，并與出廠時的駐波管計量結(jié)果進行對比，如圖4所示。

圖4 靈敏度、相位差數(shù)據(jù)對比示意

可見根據(jù)自校準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通過駐波管測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)，自校準方法在實際應(yīng)用中引入了一個重要的前提：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。通過對駐波管測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個原因。

使用另一組數(shù)據(jù)，通過自校準得到的通道靈敏度和相位差補償值對振速通道進行補償，可以得到通道一致性校準后的復(fù)聲強流方位估計結(jié)果，如圖5所示。

圖5 校準前后方位估計性能對比示意

由復(fù)聲強流估計結(jié)果的對比可知，通過對矢量水聽器通道一致性的校準，使得矢量水聽器對50°方位處的目標能夠形成更加尖銳的譜峰，使得估計精度進一步提高。

在目標方位(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 目標方位及其相反方向波束輸出對比示意

由(p+vc)輸出功率譜對比可知，在目標方位及其相反方向，(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 試驗數(shù)據(jù)組合指向性測試曲線

由圖7結(jié)果可知，在3個頻點的(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的有效性。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種針對外場環(huán)境的矢量水聽器校準方法，通過湖試、海試數(shù)據(jù)證明：此方法實現(xiàn)了對矢量水聽器通道靈敏度和相位差的有效補償，并通過聲壓振速的組合實現(xiàn)了空間指向性，由于只需一個遠場參考聲源，并可在外場環(huán)境中實現(xiàn)，因此簡化了校準流程，縮短了校準時間，提高了校準效率，對矢量水聽器的實際應(yīng)用具有一定的參考意義。本文提出的方法相比駐波管測量方式，在測量精度方面還有待進一步的改進和提高。