基于多通道空时逆滤波技术的声学覆盖层回声降低测量方法

摘要

一种基于多通道空时逆滤波技术的声学覆盖层回声降低测量方法，包括以下步骤：1)单通道空时逆滤波发射信号的生成；2)多通道空时逆滤波发射信号的生成；3)试样回波信号及入射信号的采集；4)回声降低测量值的计算。本发明通过电路信道和水声信道的求逆以及多路求逆信号的同步发射，可实现测量信号的空间聚焦及时域脉冲压缩，达到抑制混响、分离直达波和多层试样多次回波的目的。

说明书

技术领域

水下声学覆盖层是水声工程中使用广泛且至关重要的水下部件，为评估声学覆盖层试样的回声降低性能，实验室条件下大件样品的回声降低测量是一种重要的手段，本发明涉及一种水下声学覆盖层大样回声降低的测量方法。

背景技术

声学覆盖层概念于2010年提出，指敷设在水下部件上的专用功能声学材料与结构，主要由消声瓦、隔声瓦、抑振瓦、去耦瓦、阵列消音器等具有不同声学功能的系列产品综合组成的声学防护体系。声学覆盖层一方面可吸收主动探测声波，降低水下结构的声目标强度，另一方面可作为抑制结构自身辐射噪声的材料。

回声信号的强弱与目标的反射特性密切相关，它是衡量水下声学覆盖层吸声性能的重要指标，工程上用“目标强度”来描述目标声反射本领的大小。有限空间近场条件下，无法直接测量试样的目标强度，但可在相同的入射声波条件下，通过测量敷设声学覆盖层前/后模型回声的变化量(即回声降低)来衡量声学覆盖层对模型目标强度的抑制效果。现有的声学覆盖层回声降低的测量方法主要用于自由场环境下单壳体模型回声降低的测量。在低频情况下，由于测量环境四周的吸声材料无法完全吸收声波，因此无法形成自由场环境，测量信号受混响干扰严重，导致测量误差增大。此外，对于双壳体模型，通常需分别评估每一层试样的回声性能及综合吸声性能，因此不但须对直达波和回波进行分离，还须对各层回波进行分离，对回波信号窄脉宽具有很高的要求。

发明内容

本发明要克服现有技术的上述缺点，为实现低频、有限空间条件下，声学覆盖层大样回声降低测量中试样回波之间的分离、回波与直达波的分离及回波与混响的分离，本发明提出一种基于多通道空时逆滤波技术的声学覆盖层大样回声降低测量方法，通过多通道空时逆滤波，实现发射信号在试样处的空间聚焦和时域脉冲聚焦，从而达到聚焦入射及回波分离的目的。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案如下。

一种基于多通道空时逆滤波技术的声学覆盖层回声降低测量方法，所述测量方法包括如下步骤：

1)生成单通道空时逆滤波发射信号：无试样情况下，换能器阵的每一换能器依次发射初始信号，水听器依次接收信号，利用最小二乘方法求逆计算及最小相位系统的转化，获得单通道逆滤波发射信号；

2)生成多通道空时逆滤波发射信号：按照步骤1)，利用每一通道对应的水听器接收信号，依次求得每一通道对应的逆滤波发射信号，根据换能器发射信号的时延间隔，对每一通道对应的逆滤波发射信号进行时延取齐，生成多通道空时逆滤波发射信号；

3)试样回波信号及入射信号的采集：将敷设声学覆盖层的试样放入测试环境，换能器发射多通道空时逆滤波信号，则根据空时逆滤波原理，发射信号在水听器处产生空间聚焦且时域为尖脉冲波形，水听器记录试样的入射信号p_i及经附近试样反射的回波信号p_r；

4)回声降低测量值的计算：利用回声降低的计算公式可得

$E_r=-20\lg \left|\frac{p_r}{p_i}\right|$

其中E_r表示回声降低值。

本发明的技术构思为：通过初始导引信号发射及水听器接收，得到包含电路信道和水声信道信息的接收信号，通过空间逆滤波技术，获得换能器阵每一阵元的发射信号，经阵发射，获得接收水听器处空间聚焦且时域为脉冲形式的信号，从而实现空间聚焦及时域脉冲压缩，达到抑制混响、分离直达波和多层试样多次回波的目的。

与现有的回声降低测量方法相比，本发明的技术优势主要表现在：

1)利用逆滤波技术对包括电路信道和水声信道的整个信号传递信道进行求逆计算获取发射信号，实现入射信号的时域脉冲压缩，有利于多径信号的分离以及低频区域回声降低的测量。

2)利用多通道信号的同步发射，提高入射波主瓣分辨率，减少试样边界回波对测量结果的影响，同时亦可增加测量参数的空间分辨率，降低对试样尺寸及测试空间的要求。

3)由于空时逆滤波技术在非均匀介质环境下同样成立，因此，可消除测试环境水体内部机构对测量信号的影响。

附图说明

图1是本发明方法的测量系统整体示意图。

图2是内部为空气的封闭试样回声降低理论值(全反射)与实验值对比图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图2，一种基于多通道空时逆滤波技术的声学覆盖层回声降低测量方法，用于有限空间声学覆盖层大样回声降低的测量。整套测量方法的技术方案如下：

1)生成单通道空时逆滤波发射信号

11)首先，利用最小二乘算法估计信道响应。水声信道时域传输函数可以用下式表示

$g\left(t\right)=\underset{i=0}{\overset{M-1}{\Sigma }}{a}_i{e}^{j\left(2{\mathrm{\pi f}}_{i}t\right)}\delta (t-{\tau }_i)$

其中δ(·)表示狄拉克函数，该函数在除了零以外的点取值都等于零，t表示时间序列,M表示多径总数，a_i、f_i、τ_i分别是第i条路径信号的衰落因子、多普勒频率和多径时延；

根据最小二乘原理,定义代价函数

P(g)＝(y-XFg)^H(y-XFg)

其中g表示信道响应g(t)离散幅度组成的向量，上标H表示共轭转置，y是离散输出信号组成的向量

y＝[y₀,y₁,…,y_N-1]^T

其中y_n表示第n个输出信号离散值，n＝0,1,…,N-1，N表示信号离散值的数量，上标T表示向量转置；代价函数P(g)中的F是傅里叶变换矩阵，

$F=\left(\begin{array}{ccc}{W}_N^{00}& ...& W_N^{0(N-1)}\\ ...& ...& ...\\ W_N^{(N-1)0}& ...& W_N^{(N-1)(N-1)}\end{array}\right)$

其中k＝0,1,…,N-1，j表示虚数单位；代价函数P(g)中的X是由离散输入信号组成的对角矩阵，即

X＝diag[x₀,x₁,…,x_N-1]

其中x_n表示第n个输入信号离散值；

为求P(g)的最小值，令其对g的偏导数等于零，即

$\frac{\partial P\left(g\right)}{\partial g}=-2F^H{X}^{H}y+2F^H{X}^{H}XFg=0$

得到信道响应

g＝(X^TX)^-1X^Ty

12)得到信道响应后，下一步为通过求解逆滤波器获得空时逆滤波发射信号；设逆滤波器为I(t)，换能器发射信号为δ(t)，则水听器接收信号可表示为

$\left(\begin{array}{c}y\left(t\right)=\delta \left(t\right)*I\left(t\right)*g\left(t\right)\\ =\underset{\tau =-l_0}{\overset{-l_0+L}{\Sigma }}I\left(\tau \right)g(t-\tau )\end{array}\right)$

其中表示第-l₀+L时刻的逆滤波系数，τ表示逆滤波系数的离散时间指数，滤波器系数的总数为L+1个。令误差能量最小，可得其一阶导数为零，即

$\frac{\partial E}{\partial I_n}=2\underset{t=-\infty }{\overset{+\infty }{\Sigma }}[y\left(t\right)-\delta \left(t\right)]g(t-n)=0$

其中n＝-l₀,-l₀+1,...,-l₀+L。将y(t)代入上式，展开并移项得

$\underset{\tau =-l_0}{\overset{-l_0+L}{\Sigma }}I\left(\tau \right)\underset{t=-\infty }{\overset{+\infty }{\Sigma }}g(t-\tau )g(t-n)=\underset{t=-\infty }{\overset{+\infty }{\Sigma }}\delta \left(t\right)g(t-n)$

记为信道响应的自相关函数，r_δg(n)为发射信号与信道响应的互相关函数，则上式变为

$\underset{\tau =-l_0}{\overset{-l_0+L}{\Sigma }}I\left(\tau \right)r_{gg}(n-\tau )=r_{\delta g}\left(n\right)$

将上式展开为矩阵形式有

求解逆滤波器的必要条件为该逆滤波器存在，而一个最小相位系统的逆系统响应函数必然存在且是稳定和因果的，因此把逆滤波器转换为最小相位系统；考虑到逆滤波器I须为物理可实现信号，其主要能量集中在[0,L]，故取l₀＝0，记h(n)为g(n)的最小相位信号，r_hh(n)为h(n)的自相关函数，代入上式得

求解上式方程可得逆滤波器系数I(0),I(1),…,I(L)，将逆滤波器归一化处理后得到对应通道空时逆滤波发射信号。

2)生成多通道空时逆滤波发射信号

重复步骤1)得到不同通道空时逆滤波发射信号，并利用每一发射换能器的信号发射时间间隔对逆滤波信号进行时延取齐，所得信号记为s_k(l)，其中l＝1,2,…,L，k＝1,2,…,K，K表示总通道数。

3)试样回波信号及入射信号的采集

将敷设声学覆盖层的试样放入测试环境，如图1所示，通过计算机系统控制多通道独立控制信号输出仪，经多通道功率放大器，利用水中换能器阵同步发射由2)生成的空时逆滤波信号，同时，计算机系统控制聚焦位置处的水听器记录试样入射波信号p_i及经附近试样反射的回波信号p_r。

4)回声降低测量值的计算：利用3)采集的试样入射信号p_i及回波信号p_r，计算可得回声降低测量值为

$E_r=-20\lg \left|\frac{p_r}{p_i}\right|$

实例说明：为验证本发明在声学覆盖层回声降低测量中的有效性，开展了压力罐环境试验验证。实验中发射换能器距离试样约3m，水听器阵距离试样0.6m。试样为耐压空气腔模型，反射面尺寸为1.2m×0.6m，杨氏模量为200GPa，泊松比0.3，密度7800kg/m³。该模型内部为可承压空气腔，其反射系数理论值为1，即全反射，相应的回声降低理论值为0dB。由图2可知，测量结果与理论值基本一致，误差小于1dB，可知本发明在声学覆盖层回声降低测量中具有有效性。此外，图中显示低频处回声降低的测量误差略大，部分原因是测量系统的发射换能器低频响应性能下降较明显，若改进该硬件系统在低频区域的性能响应指标，则可进一步减小低频测量误差。