一种基于时延测量与信号建模的水听器低频校准方法与流程

本发明涉及水听器，具体涉及到一种基于时延测量与信号建模的水听器低频校准方法。

背景技术：

1、水听器作为水下声学感知单元，实现声能与电能的转换，是众多水声设备的基本组成元件。水听器所测声压量值的准确与否，关系到水声科学研究的准确性以及水声设备性能表现，对水听器灵敏度的计量校准及性能评价对提升海洋探测水平具有重要意义。在常用工作频段，水听器灵敏度采用自由场校准，包括比较法、互易法以及激光法三类校准方法。比较法通过将待测水听器测量结果与标准水听器作对比，利用标准水听器的灵敏度计算待测水听器灵敏度；互易法基于电声互易原理，通过发射换能器、互易换能器、水听器的轮换测量，结合自由场互易常数计算得到水听器灵敏度；激光法通过测量水质点振动引起的多普勒频移从而复现声压量值，将待测水听器放置于声压复现点实现校准。其中，比较法操作最便捷，而后两类方法为原级校准方法。

2、上述三类校准方法均要求提供足够开阔的自由场水域范围，以避免反射声波叠加影响校准结果。然而实验室水池空间受限，不完全消声和水面反射导致反射声波无法完全规避，开展自由场校准的时间窗口（第一路径反射声波与直达声波的到达时延差）有限。随工作频率降低，反射声波影响愈发严重，系统难以输出具有足够周期数的稳态直达声波形，从而导致直达声波幅度估计不准确，水听器灵敏度校准的不确定度增大。

3、为提升水池设施适用范围，拓展水听器校准频率下限，相关学者开展了一系列研究，提出了若干信号处理手段消除反射声波叠加对测量的影响，其中主要方法包括复数移动加权平均法和多路信号建模法。前者通过发射连续线性扫频信号，对近邻频带内多频点响应作平均，使反射声波的贡献相互抵消；后者则将水听器接收信号建模为一系列具有不同幅度和到达时延的复指数信号以及瞬态信号的叠加，通过非线性最小二乘估计各信号幅度与时延参数，进而给出直达声波幅度值。

4、在上述低频校准方法中，复数移动加权平均法采用连续信号进行测量及校准，校准效率高，但频域平均难以完全反映水池真实声反射特征，从而导致各频率点的校准准确度不高；多路信号建模法中所涉及的信号模型较为复杂，待估计参数多，非线性估计算法的收敛性和可靠性难以保证，且对信号瞬态的建模需先验获知换能器瞬态响应关键特征参数，难以在实际校准中实施。

5、针对上述问题，本发明提供了一种用于直达声波幅度估计和灵敏度校准，校准准确度较高的一种基于时延测量与信号建模的水听器低频校准方法。

技术实现思路

1、本发明提供了一种用于直达声波幅度估计和灵敏度校准，校准准确度较高的一种基于时延测量与信号建模的水听器低频校准方法。

2、本发明的目的是提供一种基于时延测量与信号建模的水听器低频校准方法，方法包括以下步骤：

3、步骤一、将发射换能器和水听器置于水下同一深度，测量时待测水听器和标准水听器先后放置于同一点，发射换能器在信号源和功率放大器激励下在消声水池中产生某一频率的稳定声场，先后放置于声场同一点的待测水听器和标准水听器输出电压幅值分别为和，标准水听器灵敏度为，待测水听器灵敏度计算式如下：

4、

5、步骤二、水听器灵敏度校准的准确度取决于电压幅度估计准确与否，直达声波抵达时刻为，经历换能器起始瞬态响应区后进入稳态；由于试验水池池壁进行消声处理，水面为最主要反射来源，第一路反射声波占据大部分反射声波能量，其到达时间为，此时波形进入由反射声波引起的瞬态区；之后为直达声波与反射声波所叠加形成的波形稳态区；脉冲终止后则依次出现直达声波终止瞬态区、反射声波稳态区以及反射声波终止瞬态区，应根据直达声波稳态区波形估计直达声波幅度，为保证幅度估计的准确可靠，现有校准规范建议直达声波稳态周期数不低于2，当信号频率较低时，不满足该条件，由此导致较高的低频限制；

6、步骤三、从水听器接收信号波形可以看出，除稳态直达声波外，稳态混叠声波中也包含直达声波幅度信息，提出联合两段稳态区数据开展直达声波幅度估计，涉及四个未知参数，包括直达声波幅度、反射声波幅度、反射声波与直达声波的时延差以及直达声波初始相位，这里只考虑第一路反射声波，为此需采用短脉冲信号以尽可能避免水池晚期反射声波的影响，考虑到反射声波与直达声波时延差只取决于发射换能器与水听器的几何位置和水池声反射特性，不依赖于声信号频率，由此提出发射高频先导脉冲信号，并从直达声波与反射声波完全分离的接收波形中估计反射声波与直达声波的时延差，直达声波与反射声波到达时间差可通过匹配滤波方法获取，在时延差参数已知条件下，根据前两段稳态信号波形估计直达声波幅度这一问题可建模如下：

7、

8、其中，为直达声波稳态区的采样点，为混叠声波稳态区的采样点，分别为直达声波和反射声波的幅度，分别表示信号频率和采样频率，为直达声波初始相位，为反射声波与直达声波的相位差异，由高频测量给出，代表观测噪声，该模型中待估计的未知参数为；

9、步骤四、的求解，通过移动相位最小二乘方法，首先构建直达声信号基矢量和反射声信号基矢量，其中：

10、

11、

12、信号拟合问题可表述为：

13、

14、固定，可给出最小二乘解，针对未知参数，则可在间进行移动遍历，选择使目标函数值最小的取值作为的估计值，相应地，将此时的最小二乘解作为的估计值；

15、步骤五、开展水听器灵敏度校准时一般要求发射换能器与水听器连线中心位于水池中心，以获得较大的自由场范围，考虑到在联合两段稳态区信号进行参数估计时，直达声波与反射声波的时延差可能是影响参数估计精度的重要因素，为此通过分析该参数估计问题的克拉美劳下界，给出最佳时延参数设置，观测噪声服从独立高斯分布，则上述观测模型所对应的似然函数为：

16、

17、其中，为噪声方差；

18、步骤六、不考虑的估计，只关注参数，其fisher信息矩阵计算如下：

19、

20、步骤七、忽略瞬态区的影响，则矩阵的各分量可推导并化简为如下形式：

21、

22、其中，为用于参数估计的信号总时长，为反射声波与直达声波的时延差；

23、步骤八、对矩阵求逆即为克拉美劳下界，信号总长设置为5个周期，初相位设置为0，代入步骤七中的公式计算不同时延差时直达声波幅度估计的克拉美劳下界。

24、本发明具有以下优势：本发明较于复数移动加权平均处理方案，通过发射单频信号进行测量，避免了频率失配问题，通过设置较短的发射脉冲避免了水池晚期反射声，将反射声波叠加对测量的影响降到最低，提升了直达声波幅值和水听器灵敏度测量的准确性；相较于现有多路径信号建模方案，不要求提供换能器瞬态响应的先验特征参数，且所建立的信号模型仅包含三个未知参数，参数估计的稳定性显著提升，可实施性较强。

25、本发明通过实际测量与详细分析水池的声反射特性，优化了针对水听器自由场灵敏度校准的实验设置，拓展了校准低频下限，提升了中小型水池设施在水声计量测试领域的应用潜力。