一種二元換能器頻帶交疊處噪聲信號功率譜強(qiáng)度控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及水聲工程技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種二元換能器頻帶交疊處噪聲信號功率譜強(qiáng)度控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在水聲探測、通訊、對抗和水下安防等水聲工程技術(shù)領(lǐng)域，需要聲源級大、功率譜平坦的限帶白噪聲信號作為主動探測信號，水下聲信號主要由水下聲源產(chǎn)生。水下聲源由信號源、發(fā)射機(jī)和換能器三部分組成，信號源產(chǎn)生的小幅度電壓信號經(jīng)過發(fā)射機(jī)的功率放大和寬大匹配后，被換能器轉(zhuǎn)換成聲信號并輻射到水介質(zhì)中去。受材料電聲性能的限制，制作阻抗特性好、發(fā)射響應(yīng)高、聲源級大的單個(gè)寬帶換能器非常困難，通常采用由工作在不同頻帶的多個(gè)換能器組陣的方法來實(shí)現(xiàn)寬帶水下聲基陣，并配備多臺大功率發(fā)射機(jī)及多通道信號源來共同組成一套水下寬帶聲源。
[0003]在水下寬帶聲源的應(yīng)用中，由于換能器響應(yīng)特性、阻抗特性和指向性的不一致，發(fā)射機(jī)驅(qū)動能力、頻率響應(yīng)特性的不一致，多通道信號源產(chǎn)生的寬帶白噪聲信號在水下被變換為一個(gè)噪聲功率譜起伏很大的限帶白噪聲信號，雖然可以通過均衡的手段對單個(gè)換能器諧振頻率附近的功率譜強(qiáng)度進(jìn)行修正，但是在兩個(gè)換能器工作頻帶的交疊處，噪聲的功率譜強(qiáng)度不易控制，通常表現(xiàn)為功率譜的劇烈起伏。本發(fā)明針對這個(gè)問題給出相應(yīng)的技術(shù)解決方案。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的旨在解決工作頻帶內(nèi)噪聲功率譜起伏較大的問題，特別是兩個(gè)換能器工作頻帶交疊處噪聲信號功率譜起伏較大的難題，從而提供一種二元換能器頻帶交疊處噪聲信號功率譜強(qiáng)度控制方法。
[0005]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種二元換能器頻帶交疊處噪聲信號功率譜強(qiáng)度控制方法。該方法包括:
[0006]確定可編程多通道信號源初始數(shù)據(jù)，所述初始數(shù)據(jù)是使各個(gè)換能器基元諧振頻率附近的噪聲功率譜起伏特性滿足要求的數(shù)據(jù)；
[0007]根據(jù)可編程多通道信號源初始數(shù)據(jù)，對一組相鄰的兩個(gè)換能器基元頻帶交疊處的噪聲信號進(jìn)行功率譜分析；
[0008]根據(jù)譜分析結(jié)果進(jìn)行移位參數(shù)計(jì)算，以對所述一組相鄰的兩個(gè)換能器基元中的一個(gè)換能器基元對應(yīng)通道信號源的噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)點(diǎn)數(shù)的循環(huán)移位，直至所述一組相鄰的兩個(gè)換能器基元頻帶交疊處噪聲功率譜矢量疊加效果為同相疊加；
[0009]然后調(diào)整所述一組相鄰的兩個(gè)換能器基元頻帶交疊處的增益，直至根據(jù)調(diào)整后的增益所確定的新的可編程多通道信號源數(shù)據(jù)使所述一組相鄰的兩個(gè)換能器基元頻帶交疊處的噪聲信號功率起伏特性滿足要求。
[0010]優(yōu)選地，所述確定的新的可編程多通道信號源數(shù)據(jù)，還作為下一組相鄰的兩個(gè)換能器基元的基本噪聲信號數(shù)據(jù)。
[0011]本發(fā)明通過在頻域?qū)Σ煌l率噪聲信號的增益進(jìn)行控制和在時(shí)域?qū)υ肼曅盘栠M(jìn)行循環(huán)移位的方法實(shí)現(xiàn)對兩個(gè)換能器工作頻帶交疊處噪聲信號相位和增益的聯(lián)合控制，可使二元換能器頻帶交疊處的噪聲信號功率譜起伏特性滿足要求。通過本發(fā)明在水下產(chǎn)生的限帶白噪聲信號，在整個(gè)工作頻帶內(nèi)的功率譜起伏小于等于±2dB。
【附圖說明】
[0012]圖1是本發(fā)明一實(shí)施例的換能器基元交疊頻帶噪聲功率譜控制方法流程圖；
[0013]圖2是圖1中的確定可編程多通道信號源初始數(shù)據(jù)的方法流程圖；
[0014]圖3是本發(fā)明另一實(shí)施例的換能器基元交疊頻帶噪聲功率譜控制方法流程圖；
[0015]圖4是換能器基元頻響特性測試設(shè)備連接關(guān)系圖；
[0016]圖5是換能器基元指向性測試設(shè)備連接關(guān)系圖；
[0017]圖6是換能器基陣聲性能測試設(shè)備連接關(guān)系圖；
[0018]圖7為未經(jīng)過本發(fā)明處理的譜級測試數(shù)據(jù)圖；
[0019]圖8為經(jīng)過本發(fā)明處理的譜級測試數(shù)據(jù)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0020]為了使本技術(shù)領(lǐng)域的人員更好的理解本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案，并使本發(fā)明實(shí)施例的上述目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能夠更加明顯易懂，下面通過附圖和實(shí)施例，對本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。基于本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其它實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0021]圖1是本發(fā)明一實(shí)施例的換能器基元交疊頻帶噪聲功率譜控制方法流程圖。
[0022]在步驟101，確定可編程多通道信號源初始數(shù)據(jù)，所述初始數(shù)據(jù)是使各個(gè)換能器基元諧振頻率附近的噪聲功率譜起伏特性滿足要求的數(shù)據(jù)，可編程多通道信號源初始數(shù)據(jù)的確定可參見圖2。
[0023]在步驟102，根據(jù)步驟101中的可編程多通道信號源初始數(shù)據(jù)，對一組相鄰的兩個(gè)換能器基元頻帶交疊處的噪聲信號進(jìn)行功率譜分析。
[0024]在步驟103，根據(jù)步驟102的譜分析結(jié)果進(jìn)行移位參數(shù)計(jì)算，以對所述一組相鄰的兩個(gè)換能器基元中的一個(gè)換能器基元對應(yīng)通道信號源的噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)點(diǎn)數(shù)的循環(huán)移位，直至所述一組相鄰的兩個(gè)換能器基元頻帶交疊處噪聲功率譜矢量疊加效果為同相疊加。
[0025]在步驟104，完成步驟103的操作后，再調(diào)整所述一組相鄰的兩個(gè)換能器基元頻帶交疊處的增益，直至根據(jù)調(diào)整后的增益所確定的新的可編程多通道信號源數(shù)據(jù)使所述一組相鄰的兩個(gè)換能器基元頻帶交疊處的噪聲信號功率起伏特性滿足要求。
[0026]圖2是圖1中的確定多通道信號源初始數(shù)據(jù)的方法流程圖。
[0027]如圖2所示，本發(fā)明實(shí)施例的確定多通道信號源初始數(shù)據(jù)包括如下步驟:
[0028]在步驟201中，利用標(biāo)準(zhǔn)水聽器、示波器測量換能器基元的頻率響應(yīng)特性，設(shè)備連接關(guān)系如圖4所示。標(biāo)準(zhǔn)信號源產(chǎn)生不同頻率的脈沖信號激勵(lì)發(fā)射機(jī)，發(fā)射機(jī)驅(qū)動換能器基元在水下產(chǎn)生大源級脈沖聲信號。標(biāo)準(zhǔn)水聽器將接收到的電壓信號送給示波器并測量接收信號的幅度。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)水聽器的靈敏度、發(fā)射換能器與接收標(biāo)準(zhǔn)水聽器之間的水平距離、接收信號的電壓幅度計(jì)算脈沖聲信號的聲源級。整合聲源級數(shù)據(jù)與激勵(lì)電壓信號的數(shù)據(jù)得到單個(gè)換能器基元的頻率響應(yīng)曲線，重復(fù)操作獲取各個(gè)換能器基元的頻率響應(yīng)曲線。
[0029]在步驟202中，測量換能器基元的指向性。設(shè)備連接關(guān)系如圖5所示意。將被測換能器裝夾在旋轉(zhuǎn)軸上，并使其等效聲中心位于旋轉(zhuǎn)軸上。由換能器指向性標(biāo)準(zhǔn)測量系統(tǒng)控制機(jī)械旋轉(zhuǎn)裝置旋轉(zhuǎn)換能器，每旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度后，換能器指向性標(biāo)準(zhǔn)測量系統(tǒng)內(nèi)的發(fā)射機(jī)驅(qū)動換能器產(chǎn)生某個(gè)頻率的脈沖聲信號，標(biāo)準(zhǔn)水聽器實(shí)時(shí)采集該角度的脈沖聲信號，并送入換能器指向性標(biāo)準(zhǔn)測量系統(tǒng)做數(shù)據(jù)處理，重復(fù)此操作直到換能器旋轉(zhuǎn)360°，得到換能器在某個(gè)頻率點(diǎn)的指向性曲線圖。改變頻率重復(fù)此操作獲取單個(gè)換能器基元在其工作頻帶內(nèi)不同頻點(diǎn)上的指向性曲線。重復(fù)此操作對換能器基陣上的所有基元的指向性進(jìn)行測試。
[0030]在步驟203中，在MATLAB中，根據(jù)換能器響應(yīng)曲線中不同頻點(diǎn)對應(yīng)的響應(yīng)值和指向性曲線中不同角度對應(yīng)的響應(yīng)值，計(jì)算得到各個(gè)換能器基元工作頻帶的增益，并以該增益和其對應(yīng)的頻點(diǎn)作為fir2函數(shù)的頻域參數(shù)，最終得到FIR濾波器在時(shí)域的沖擊響應(yīng)hi (η) ο
[0031]在步驟204中，在MATLAB中，利用RANDN函數(shù)得到寬帶白噪聲信號，并根據(jù)水下聲源的上下限工作頻率和采樣頻率對寬帶白噪聲信號進(jìn)行低通濾波得到限帶白噪聲信號noise;利用FILTER函數(shù)對限帶白噪聲信號進(jìn)行濾波(noise和hi (η)在時(shí)域做卷積)，得到每組發(fā)射機(jī)對應(yīng)的均衡后的噪聲信號數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)作為第一可編程多通道信號源數(shù)據(jù)。
[0032]在步驟205中，將步驟204的第一可編程多通道信號源數(shù)據(jù)作為圖6的多通道信號源，激勵(lì)發(fā)射機(jī)1，發(fā)射機(jī)2、發(fā)射機(jī)3，由發(fā)射機(jī)1，發(fā)射機(jī)2、發(fā)射機(jī)3驅(qū)動對應(yīng)的換能器1、換能器2、換能器3在水下產(chǎn)生寬帶白噪聲信號。在水平方向上調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)水聽器的位置，以使其正對換能器I聲中心，標(biāo)準(zhǔn)水聽器將接收到的噪聲電壓信號送給譜分析儀做功率譜分析，由于步驟203中的增益是在理想情況下計(jì)算出的，所以譜分析儀上顯示的換能器I的噪聲功率譜可能不是很平坦，所以需要不斷微調(diào)濾波器的參數(shù)(調(diào)整換能器I在工作頻帶內(nèi)的頻點(diǎn)所對應(yīng)的增益)，直至根據(jù)調(diào)整后的增益重新代入fir2函數(shù)求取的h2(n)以確定的第二可編程多通道信號源數(shù)據(jù)，使換能器I諧振頻率附近的噪聲功率譜的起伏特性滿足應(yīng)用要求。需要說明的是，由于調(diào)整增益的次數(shù)不定，所以此處的h2 (η)和第二可編程多通道信號源數(shù)據(jù)僅是代表最后一次調(diào)整換能器I的增益所對應(yīng)的數(shù)據(jù)，最后一次調(diào)整的增益是使換能器I諧振頻率附近的噪聲功率譜的起伏特性滿足應(yīng)用要求的增益。
[0033]在步驟206中，步驟205中的第二可編程多通道信號源數(shù)據(jù)同時(shí)激勵(lì)發(fā)射機(jī)1，發(fā)射機(jī)2、發(fā)射機(jī)3，由發(fā)射機(jī)1，發(fā)射機(jī)2、發(fā)射機(jī)3驅(qū)動對應(yīng)的換能器1、換能器2、換能器3在水下產(chǎn)生寬帶白噪聲信號。由于換能器I諧振頻率附近的噪聲功率譜的起伏特性已滿足應(yīng)用要求。所以在水平方向上調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)水聽器的位置，使其正對換能器2聲中心。由于步驟203中的增益是在理想情況下計(jì)算出的，所以譜分析儀上顯示的換能器2的噪聲功率譜可能不是很平坦，所以需要不斷微調(diào)濾波器的參數(shù)(調(diào)整換能器2在工作頻帶內(nèi)的頻點(diǎn)所對應(yīng)的增益)，直至根據(jù)調(diào)整后的增益重新代入fir2函數(shù)求取的h3(n)以確定的第三可編程多通道信號源數(shù)據(jù)，能使換能器2諧振頻率附近的噪聲功率譜的起伏特性滿足應(yīng)用要求。需要說明的是，由于調(diào)整增益的次數(shù)不定，所以此處的h3(n)和第三可編程多通道信號源數(shù)據(jù)僅是代表最后一次調(diào)整換能器2的增益所對應(yīng)的數(shù)據(jù)，最后一次調(diào)整的增益是使換能器2諧振頻率附近的噪聲功率譜的起伏特性滿足應(yīng)用要求的增益。
[0034]在步驟207中，步驟206中的第三可編程多通道信號源數(shù)據(jù)同時(shí)激勵(lì)發(fā)射機(jī)1，發(fā)射機(jī)2、發(fā)射機(jī)3，由發(fā)射機(jī)1，發(fā)射機(jī)2、發(fā)射機(jī)3驅(qū)動對應(yīng)的換能器1、換能器2、換能器3在水下產(chǎn)生寬帶白噪聲信號。由于換能器I和換能器2諧振頻率附近的噪聲功率譜的起伏特性均已滿足應(yīng)用要求。所以在水平