一种补偿宽带声呐系统发射信号幅度的方法 |
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申请号 | CN201510306227.3 | 申请日 | 2015-06-08 | 公开(公告)号 | CN104931955A | 公开(公告)日 | 2015-09-23 |
申请人 | 哈尔滨工程大学; | 发明人 | 孙大军; 王永恒; 刘璐; 勇俊; 张殿伦; 张友文; | ||||
摘要 | 本 发明 公开了一种补偿宽带声呐系统发射 信号 幅度的方法。包括以下步骤:声呐发射系统发射理想线性调频信号x0[n],在消声 水 池中,利用理想声呐接收系统采集换能器发射的失真线性调频信号y[n];构造得到误差函数e[n],寻找满足min{Ε[e2[n]]}条件的宽带匹配网络和换能器的传递函数的估计值得到幅度补偿器的传递函数w[n];将理想线性调频信号经过幅度补偿器进行幅度调整;调整的线性调频信号进行功率放大;将功率放大后的线性调频信号经过宽带匹配网络输出给换能器;换能器将 电信号 转化为声信号 辐射 到水中;在消声水池中,利用理想声呐接收系统采集换能器发射的声信号。本发明能够减少发射信号幅度失真,具有 精度 高的优点。 | ||||||
权利要求 | 1.一种补偿宽带声呐系统发射信号幅度的方法,其特征在于:包括以下几个步骤,步骤一:声呐发射系统发射理想线性调频信号x0[n],在消声水池中,利用理想声呐接收系统采集换能器发射的失真线性调频信号y[n];其中,声呐发射系统包括理想信号源、功率放大器、宽带匹配网络和换能器,所述的理想线性调频信号其带宽为声呐发射系统的工作带宽; |
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说明书全文 | 一种补偿宽带声呐系统发射信号幅度的方法技术领域[0001] 本发明属于声呐信号发射领域,尤其涉及一种补偿宽带声呐系统发射信号幅度的方法。 背景技术[0002] 在宽带声呐系统设计中,宽带换能器是发射系统的重要组成部分。通常换能器在带宽内的发送电压响应起伏在3dB之内,但在一些宽带换能器中发送电压响应起伏在5~10dB,当换能器发射宽带信号时,发射出的声信号将产生幅度失真。在相应的接收声呐系统中,处理器对失真信号进行处理时,得到的信号特征参数无法满足检测器的设定值,信号特征参数可以包括:信号的幅度、频率、信号相关幅度等,因此失真信号会导致接收的声呐系统检测性能的降低,造成系统漏检。对于传统的补偿方法,一般是通过合理地设计匹配电路对换能器的发送电压响应进行补偿,减少发射信号的幅度失真。但实际补偿后的信号与理想信号依然存在较大的差异,若想达到理想信号的补偿效果,设计的匹配电路的阶数将变得很高。由于实际换能器的传递函数很难用解析函数表示且构成匹配电路的元件并非理想元件,因此实现所需的高阶匹配电路是很困难的,增大了整个发射系统的设计难度。 发明内容[0003] 本发明的目的是提供一种能够减少发射信号幅度失真的,补偿宽带声呐系统发射信号幅度的方法。 [0004] 本发明是通过以下技术方案实现的: [0005] 一种补偿宽带声呐系统发射信号幅度的方法,包括以下几个步骤,[0006] 步骤一:声呐发射系统发射理想线性调频信号x0[n],在消声水池中,利用理想声呐接收系统采集换能器发射的失真线性调频信号y[n];其中,声呐发射系统包括理想信号源、功率放大器、宽带匹配网络和换能器,所述的理想线性调频信号其带宽为声呐发射系统的工作带宽; [0007] 步骤二:将失真线性调频信号y[n]与理想线性调频信号x0[n]构造得到误差函数2 e[n],寻找满足min{Ε[e[n]]}条件的宽带匹配网络和换能器的传递函数的估计值根据宽带匹配网络和换能器的传递函数的估计值 得到幅度补偿器的传递函数w[n]; [0008] 步骤三:将步骤一中声呐发射系统发射的理想线性调频信号经过幅度补偿器进行幅度调整后,输出调整的线性调频信号; [0009] 步骤四:利用功率放大器将幅度补偿器输出调整的线性调频信号进行功率放大; [0010] 步骤五:将功率放大后的线性调频信号经过宽带匹配网络输出给换能器; [0012] 步骤七:在消声水池中,利用理想声呐接收系统采集换能器发射的声信号。 [0013] 本发明一种补偿宽带声呐系统发射信号幅度的方法,还可以包括: [0014] 1、步骤一中声呐发射系统发射理想线性调频信号x0[n],在消声水池中,利用理想声呐接收系统采集换能器发射的失真线性调频信号y[n]的过程为: [0015] (1)将理想线性调频信号经过功率放大器进行功率放大; [0016] (2)将放大后的理想线性调频信号经过宽带匹配网络输出给换能器; [0017] (3)换能器将电信号转化为声信号辐射到水中; [0018] (4)理想声呐接收系统在水中利用采集器采集换能器发射的失真线性调频信号。 [0019] 2、宽带匹配网络设计过程具体为: [0020] (1)利用阻抗分析仪测试换能器的输入阻抗数据Zl(s); [0021] (2)利用阻抗数据Zl(s)计算出宽带匹配网络的输出阻抗函数Zq(s); [0022] (3)根据Zq(s)计算得到的宽带匹配网络的实现结构和参数。 [0023] 3、利用阻抗分析仪测试换能器的输入阻抗数据Zl(s),计算出宽带匹配网络的输出阻抗函数Zq(s)具体过程为: [0024] (1)利用阻抗分析仪测试换能器的输入阻抗数据Zl(s); [0025] (2)设宽带匹配网络的输出阻抗为Zq(s),目标功率传输增益为T0,设定未知系数A0、cj和T0,求得功率传输增益的误差函数ε: [0026] [0027] 其中: [0028] [0029] [0030] hq(s)hq(-s)=ΕV{Zq(s)} [0031] Zq(s)=Rq(s)+jXq(s)=Rq(s)+j·Hilbert{Rq(s)} [0032] [0033]n (n-1) [0034] c(ω)=c1ω+c2ω +...+cnω+1 [0035] SG,Sin为归一化反射系数; [0036] Zl(s):换能器的输入阻抗阻抗数据; [0037] Zq(s):宽带匹配网络的策动点导抗函数; [0038] Zq(-s):宽带匹配网络的策动点导抗函数Zq(s)的共轭函数; [0039] ΕV{Zq(s)}:宽带匹配网络的策动点函数的偶部; [0040] hq(s):为ΕV{Zq(s)}的分子多项式右半平面的根构成的Hurwitz多项式与分子多项式左半平面的根构成的Hurwitz多项式的比; [0041] hq(-s):为ΕV{Zq(s)}的分子多项式左半平面的根构成的Hurwitz多项式与分子多项式右半平面的根构成的Hurwitz多项式的比; [0042] Rq(s):宽带匹配网络的策动点导抗函数Zq(s)的实部; [0043] Xq(s):宽带匹配网络的策动点导抗函数Zq(s)的虚部; [0044] Hilbert{Rq(s)}:Rq(s)的希尔伯特变换; [0045] Rq(ω):为Rq(s)在s=jω时的函数; [0046] Bn:为恒正的偶次多项式的各项系数B1,B2…,Bn; [0047] A0:未知系数; [0048] ω:为角频率; [0049] ndc:为正实数,其大小决定了Rq(ω2)函数零点的个数; [0050] c(ω):由n个未知实系数cj(j=1,2,...,n)组成的n阶多项式; [0051] c(-ω):为c(ω)的共轭函数; [0053] (4)根据优化后的A0′和cj′计算出宽带匹配网络的输出阻抗函数Zq(s)。 [0054] 4、得到幅度补偿器的传递函数w[n]具体过程为: [0055] (1)根据采集失真线性调频信号y[n]和理想线性调频信号x0[n]构造得到误差函数e[n]: [0056] [0057] 其中: 为宽带匹配网络和换能器的传递函数的估计值, 等于理想的线性调频信号x0[n]与匹配网络和换能器的传递函数的估计值 的线性卷积; [0058] (2)寻找满足min{Ε[e2[n]]}的宽带匹配网络和换能器的传递函数的估计值计算时采用最速下降法,则计算 的迭代公式为: [0059] [0060] 其中: 为传递函数估计值 的第N次迭代结果; [0061] 为传递函数估计值 的第N+1次迭代的结果; [0062] μ:为迭代步长,即控制参数, [0063] eN[n]:为误差函数e[n]的第N次迭代结果; [0065] trace[Rxx]:代表输入信号的自相关矩阵的迹; [0066] (3)幅度补偿器的传递函数w[n]与宽带匹配网络和换能器的传递函数 关系为共轭取反,因此得到幅度补偿器的传递函数w[n]: [0067] [0068] 有益效果: [0069] 本发明提出一种声呐发射系统的幅度补偿方法,该方法能有效解决由于换能器指向性和发送电压响应起伏引起的声呐发射系统信号幅度失真的问题,最终优化得到的幅度补偿器的传递函数。该声呐发射系统的幅度补偿方法的具体效果包括: [0070] 理想声呐接收系统为使用的标准水听器和测量放大器,在使用的工作带宽内,标准水听器和测量放大器的幅频响应平坦,两者的相位响应为线性,采集器的采样频率高于采集信号最高频率的20倍,此时接收系统不会对采集的信号造成失真,即采集得到的信号可以正确反映发射信号的幅度和相位信息。 [0071] 最终设计的幅度补偿器其传递函数与估计出的匹配网络和换能器的整体的传递函数关系为共轭取反。 [0072] 最终使用时,理想信号首先经过幅度补偿器,再依次经过功率放大器、宽带匹配网络和换能器,此时换能器发射的信号波形,如图6(a),接近于理想信号波形如图5(a),补偿后发射信号的幅度起伏小于0.5dB。 [0073] 以上所述的幅度补偿方法还可以扩展为不同类型的换能器,不同的工作频率和不同的发射信号。 [0074] 本发明的特点是采用幅度补偿器的软件方法,对声呐发射系统的输出信号幅度进行补偿。幅度补偿器的思想为利用发射的线性调频信号对发射系统的宽带匹配网络和换能器的整体传递函数进行估计,并构造与其传递函数互为共轭取反的软件幅度补偿器。令发射信号首先经过幅度补偿器后再进行发射,以此达到发射信号幅度精确补偿的目的。整个方法实现过程简单易行,最终的幅度补偿器由软件实现,不会增加系统硬件开销,并有效改善发射系统的信号幅度失真问题,特别适合应用于声呐系统要求发射信号质量高的场合。附图说明 [0075] 图1为具体实施方式一提出的一种补偿宽带声呐系统发射信号幅度的方法流程图; [0076] 图2为具体实施方式一提出的声呐系统发射接收组成框图; [0077] 图3(a)为具体实施方式一提出的发射的理想线性调频信号x0[n]示意图; [0078] 图3(b)为具体实施方式一提出的发射的理想线性调频信号的频谱图; [0079] 图4为具体实施方式一提出的宽带匹配电路和换能器的幅频响应曲线图; [0080] 图5(a)为具体实施方式一提出的换能器发射的失真信号示意图; [0081] 图5(b)为具体实施方式一提出的换能器发射的失真信号频谱图; [0082] 图6(a)为具体实施方式一提出的补偿后的信号示意图; [0083] 图6(b)为具体实施方式一提出的补偿后的信号频谱图; [0084] 图7为具体实施方式一提出的幅度补偿器的幅频响应曲线图; [0085] 图8(a)为具体实施方式一提出的幅度补偿器输出的信号示意图; [0086] 图8(b)为具体实施方式一提出的幅度补偿器输出的信号频谱图; [0087] 图9为实施例提出的幅度补偿器连接方式示意图。 具体实施方式[0088] 下面将结合附图对本发明做进一步详细说明。 [0089] 具体实施方式一:本实施方式的一种补偿宽带声呐系统发射信号幅度的方法,具体是按照以下步骤制备的: [0090] 步骤一、声呐发射系统发射理想线性调频信号x0[n]如图3(a)和图3(b),在消声水池中,利用理想声呐接收系统采集换能器发射的失真线性调频信号y[n]如图5(a)和图5(b);其中,声呐发射系统由理想信号源、功率放大器、宽带匹配电路和换能器组成,所述的理想线性调频信号其带宽为声呐发射系统的工作带宽,具体的组成连接方式如图2所示,宽带匹配电路和换能器的幅频响应如图4所示; [0091] 步骤二、将失真线性调频信号y[n]与理想线性调频信号x0[n]构造得到误差函数2 e[n],寻找满足min{Ε[e[n]]}的匹配网络和换能器的传递函数的估计值 根据匹配网络和换能器的传递函数的估计值 得到幅度补偿器的传递函数w[n],幅度补偿器的幅频响应如图7所示,幅度补偿器连接方式如图9所示; [0092] 步骤三、将步骤一中声呐发射系统发射理想线性调频信号经过幅度补偿器进行幅度调整后,输出调整的线性调频信号如图8(a)和图8(b); [0093] 步骤四、利用功率放大器将幅度补偿器输出的调整的线性调频信号进行功率放大; [0094] 步骤五、将功率放大后的线性调频信号经过宽带匹配电路输出给换能器; [0095] 步骤六、换能器将电信号转化为声信号辐射到水中; [0096] 步骤七、在消声水池中,利用理想声呐接收系统采集换能器发射的声信号;其中,换能器发射出的信号接近理想的宽带信号如图6(a)和图6(b);即完成了一种补偿宽带声呐系统发射信号幅度的方法如图1。 [0097] 具体实施方式二:本实施方式与具体实施方式一不同的是:步骤一中声呐发射系统发射理想线性调频信号x0[n]如图3(a)和图3(b),在消声水池中,利用理想声呐接收系统采集换能器发射的失真线性调频信号y[n]具体过程: [0098] (1)将理想线性调频信号经过功率放大器进行功率放大; [0099] (2)将放大后的理想线性调频信号经过宽带匹配电路输出给换能器; [0100] (3)换能器将电信号转化为声信号(失真线性调频信号)辐射到水中; [0101] (4)理想声呐系统在水中利用采集器采集换能器发射的失真线性调频信号如图5(a)和图5(b); [0102] 所述的理想声呐接收系统为使用标准水听器和测量放大器对接收声信号进行处理,标准水听器和测量放大器在采集声信号(失真线性调频信号)的带宽内标准水听器幅频响应和测量放大器幅频响应均平坦,带宽内标准水听器相位响应和测量放大器相位响应均为线性,即不会造成信号失真;采集器的采样频率高于采集信号频率的20倍以上,以保证采集的信号不失真。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。 [0103] 具体实施方式三:本实施方式其他步骤与具体实施方式一或二相同,不同的是:步骤一中宽带匹配网络设计过程具体为: [0104] (1)利用阻抗分析仪测试换能器的输入阻抗数据Zl(s); [0105] (2)利用阻抗数据Zl(s)计算出匹配网络的输出阻抗函数Zq(s); [0106] (3)根据Zq(s)计算得到的宽带匹配网络的实现结构和参数。其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。 [0107] 具体实施方式四:本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是:利用阻抗分析仪测试换能器的输入阻抗数据Zl(s),利用阻抗数据Zl(s)计算出匹配网络的输出阻抗函数Zq(s)具体过程为: [0108] (1)利用阻抗分析仪测试换能器的输入阻抗数据Zl(s); [0109] (2)设匹配网络的输出阻抗为Zq(s),目标功率传输增益为T0,则构造的功率传输增益的误差函数ε如下所示: [0110] [0111] 其中: [0112] [0113] [0114] hq(s)hq(-s)=ΕV{Zq(s)} (4) [0115] Zq(s)=Rq(s)+jXq(s)=Rq(s)+j·Hilbert{Rq(s)} (5) [0116] [0117]n (n-1) [0118] c(ω)=c1ω+c2ω +...+cnω+1 (8) [0119] 式中, [0120] SG,Sin为归一化反射系数; [0121] Zl(s):换能器的输入阻抗阻抗数据; [0122] Zq(s):匹配网络的策动点导抗函数; [0123] Zq(-s):匹配网络的策动点导抗函数Zq(s)的共轭函数; [0124] ΕV{Zq(s)}:匹配网络的策动点函数的偶部; [0125] hq(s):为ΕV{Zq(s)}的分子多项式右半平面的根构成的Hurwitz多项式与分子多项式左半平面的根构成的Hurwitz多项式的比; [0126] hq(-s):为ΕV{Zq(s)}的分子多项式左半平面的根构成的Hurwitz多项式与分子多项式右半平面的根构成的Hurwitz多项式的比; [0127] Rq(s):匹配网络的策动点导抗函数Zq(s)的实部; [0128] Xq(s):匹配网络的策动点导抗函数Zq(s)的虚部; [0129] Hilbert{Rq(s)}:Rq(s)的希尔伯特变换; [0130] Rq(ω):为Rq(s)在s=jω时的函数; [0131] Bn:为恒正的偶次多项式的各项系数B1,B2…,Bn; [0132] A0:未知系数; [0133] ω:为角频率; [0134] ndc:为正实数,其大小决定了Rq(ω2)函数零点的个数; [0135] c(ω):由n个未知实系数cj(j=1,2,...,n)组成的n阶多项式; [0136] c(-ω):为c(ω)的共轭函数; [0137] (3)设定未知实系数A0、cj和T0,按照公式(1)计算得到误差函数ε的表达式; [0138] (4)根据非线性最小二乘算法对误差函数ε进行优化; [0139] 具体过程为采用Gauss-Newton方法迭代出一组A0,c数值,使得误差函数ε满足均方值最小,即:满足 此时的A0′和cj′为优化后的数值; [0140] (5)得到优化后的A0′和cj′,根据A0′和cj′计算出匹配网络的输出阻抗函数Zq(s); [0141] 5)根据计算得到的匹配网络的输出阻抗函数Zq(s),采用连分式法,即辗转相除法,把Zq(s)化为连分式,从而得出梯形匹配电路和电路元件参数。其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。 [0142] 具体实施方式五:本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是:步骤二中将失真线性调频信号y[n]与理想线性调频信号x0[n]构造得到误差函数e[n],寻找满足min{Ε[e2[n]]}的匹配网络和换能器的传递函数的估计值 根据匹配网络和换能器的传递函数的估计值 得到幅度补偿器的传递函数w[n]具体过程为: [0143] (1)根据采集失真线性调频信号y[n]和理想线性调频信号x0[n]构造得到误差函数e[n]: [0144] [0145] 其中: 为匹配网络和换能器的传递函数的估计值; [0146] 为得到换能器匹配网络和换能器的输出信号的估计值, 等于理想的线性调频信号x0[n]与匹配网络和换能器的传递函数的估计值 的线性卷积; [0147] (2)寻找满足min{Ε[e2[n]]}的匹配网络和换能器的传递函数的估计值 计算时采用最速下降法,则计算 的迭代公式如下所示: [0148] [0149] 其中: 为传递函数估计值 的第N次迭代结果; [0150] 为传递函数估计值 的第N+1次迭代的结果; [0151] μ:为迭代步长; [0152] eN[n]:为误差函数e[n]的第N次迭代结果; [0153] μ作为唯一的控制参数,其典型的取值为输入信号自相关矩阵的迹的十分之一量级,具体为: [0154] [0155] Rxx:为输入信号x0[n]的自相关矩阵; [0156] trace[Rxx]:代表输入信号的自相关矩阵的迹; [0157] (3)幅度补偿器的传递函数w[n]与匹配网络和换能器的传递函数 关系为共轭取反,因此得到幅度补偿器的传递函数w[n]: [0158] [0159] 其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。 [0160] 在消声水池中,利用理想声呐接收系统采集换能器发射的声信号;其中,换能器发射出的信号接近理想的宽带信号如图6(a)和图6(b)。根据图6(a)中信号波形可知,整个信号的幅度平整,精确计算为0.1dB起伏。没有补偿的信号如图5(a)所示,整个信号的幅度起伏较大,精确计算为6dB。因此说明幅度补偿器可以对发射信号起到很好的幅度补偿效果。 |