一種使用多載頻信號(hào)的聲速測(cè)量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種聲速測(cè)量方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 水下聲速是水聲設(shè)備在工作過程中的重要參數(shù)之一，對(duì)水聲設(shè)備的性能具有重要 影響。由于聲速會(huì)隨溫度、壓力以及鹽度等的差異而變化。因此，精確測(cè)量海水聲速，是水聲 設(shè)備能夠有效工作的前提之一。
[0003] 目前，對(duì)于水下聲速測(cè)量的方法主要有間接測(cè)量法和直接測(cè)量法。間接測(cè)量法就 是通過測(cè)量水體溫度、鹽度和壓力等參數(shù)，并利用經(jīng)驗(yàn)公式來換算出聲速(陳健.基于信號(hào) 相位差的海水聲速測(cè)量方法研究.國防科技大學(xué)碩士論文，2011.)。直接測(cè)量法是直接測(cè)量 與聲速相關(guān)的物理量，通過一定的轉(zhuǎn)換關(guān)系直接得到聲速值(陳健.基于信號(hào)相位差的海水 聲速測(cè)量方法研究.國防科技大學(xué)碩士論文，2011.)。
[0004] 常用的直接測(cè)量法之一為時(shí)差法。時(shí)差法測(cè)量已知距離內(nèi)聲波傳播的時(shí)間，并利 用距離除以時(shí)間求得聲速。因此，時(shí)差法需要精確知道聲傳播距離和聲傳播時(shí)間。若是所估 計(jì)的距離存在誤差，或者同步誤差造成計(jì)時(shí)誤差，會(huì)導(dǎo)致所測(cè)量的聲速存在較大的誤差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為了克服時(shí)差法因距離誤差和時(shí)間同步誤差而導(dǎo)致的聲速測(cè)量誤差，本發(fā)明提出 一種利用多載頻信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)聲速測(cè)量的方法，利用多載頻信號(hào)在傳播相同距離后具有不 同相移的特點(diǎn)，構(gòu)建多載頻信號(hào)的協(xié)方差矩陣，同時(shí)沿著距離維和聲速維設(shè)計(jì)二維加權(quán)向 量并進(jìn)行掃描，通過搜尋二維掃描結(jié)果上的峰值來提取出聲速值。
[0006] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案包括以下步驟：
[0007] 1)以單個(gè)接收陣元為坐標(biāo)原點(diǎn)，單個(gè)發(fā)射陣元位于距離rQ處，發(fā)射陣元發(fā)射多載 頻信號(hào)，所述的多載頻信號(hào)由L個(gè)具有不同頻率的單頻信號(hào)組成，其頻率為LX1維列向量f，
,其中，fi為第1個(gè)載頻上的頻率值；
[0008] 接收陣元采集所述的多載頻信號(hào)，提取L個(gè)載頻上的離散頻率分量
，其 中，X1為提取出的第1個(gè)載頻上的離散頻率分量；
[0009] L個(gè)離散頻率分量上的相位延遲
，其中，co為聲速的 真實(shí)值；
[0010] 2)利用L個(gè)離散頻率分量X構(gòu)建L X L維協(xié)方差矩陣R=XXH;
[0011] 設(shè)計(jì)距離維和聲速維二維掃描向量
其中，r為變化 的距離值，c為變化的聲速值；
[0012] 利用Capon法構(gòu)建二維加權(quán)向：
其中，ΙΓ1為協(xié)方 差矩陣R的逆矩陣;沿著距離維和聲速維進(jìn)行二維掃描，對(duì)應(yīng)的輸出結(jié)果b(r，C)=WH(r， C) Rw(r，c);搜索距離維和聲速維上二維掃描輸出的峰值，提取峰值處的聲速值，得到聲速測(cè) 量結(jié)果。
[0013] 所述的步驟2)也可以利用MUSIC方法來替代Capon法進(jìn)行處理，處理時(shí)先對(duì)協(xié)方差 矩陣R進(jìn)行特征分解，獲得噪聲子空間對(duì)應(yīng)的特征向量所組成的矩陣UN，然后計(jì)算距離維和 聲速維上的二維輸出
1搜索距離維和聲速維上二維 掃描輸出的峰值，提取峰值處的聲速值，得到聲速測(cè)量結(jié)果。
[0014] 本發(fā)明的有益效果是:不需精確知道聲傳播距離，也不需要精確知道聲傳播的時(shí) 間，可以獲得與真實(shí)聲速值接近的高精度測(cè)量結(jié)果。
【附圖說明】
[0015] 圖1是發(fā)射陣元和接收陣元在進(jìn)行聲速測(cè)量時(shí)的坐標(biāo)示意圖；
[0016] 圖2是本發(fā)明中主要步驟的流程圖；
[0017]圖3是處理采集的信號(hào)獲得聲速測(cè)量結(jié)果的流程圖；
[0018] 圖4是實(shí)施實(shí)例中多載頻信號(hào)的頻譜圖；
[0019] 圖5是本發(fā)明中采用Capon法的處理結(jié)果示意圖，其中，（a)是實(shí)施實(shí)例中的使用本 發(fā)明中Capon法獲得的距離維和聲速維二維掃描結(jié)果，（b)是本發(fā)明中Capon法獲得的二維 掃描結(jié)果往聲速維投影的結(jié)果；
[0020] 圖6是本發(fā)明中采用MUSIC法的處理結(jié)果示意圖，其中，（a)是實(shí)施實(shí)例中的使用本 發(fā)明中MUSIC法獲得的距離維和聲速維二維掃描結(jié)果，（b)是本發(fā)明中MUSIC法獲得的二維 掃描結(jié)果往聲速維投影的結(jié)果；
[0021 ]圖7是實(shí)施實(shí)例中10次重復(fù)測(cè)量中傳統(tǒng)時(shí)差法、本方法中Capon法和本發(fā)明中 MUSIC法的聲速測(cè)量結(jié)果對(duì)比圖。
【具體實(shí)施方式】
[0022]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說明，本發(fā)明包括但不僅限于下述實(shí)施 例。
[0023]本發(fā)明的主要內(nèi)容有：
[0024] 1.采用單個(gè)發(fā)射陣元和單個(gè)接收陣元。單個(gè)發(fā)射陣元發(fā)射相鄰頻差相等的多載頻 信號(hào)，單個(gè)接收陣元采集該信號(hào)。
[0025] 2.利用所采集的多載頻信號(hào)構(gòu)建協(xié)方差矩陣，沿著距離維和聲速維構(gòu)建二維加權(quán) 向量，同時(shí)沿著距離維和聲速維進(jìn)行掃描，獲得距離維和聲速維的二維輸出。搜索該二維輸 出的峰值，將對(duì)應(yīng)的聲速值作為聲速測(cè)量值。
[0026] 3.通過計(jì)算機(jī)數(shù)值仿真給出了傳統(tǒng)時(shí)差法和本發(fā)明中方法的聲速測(cè)量結(jié)果，以此 證明了本發(fā)明所提方法可以在距離誤差和時(shí)間誤差存在的前提下獲得更高精度的聲速測(cè) 量結(jié)果。
[0027] 本發(fā)明采用的技術(shù)方案可分為以下2個(gè)步驟：
[0028] 1)利用單個(gè)發(fā)射陣元發(fā)射多載頻信號(hào)，單個(gè)接收陣元采集該信號(hào)，提取不同載頻 上的信號(hào)分量。由于載頻之間具有頻差，不同載頻所對(duì)應(yīng)的信號(hào)分量在傳播相同距離后會(huì) 產(chǎn)生不同的相位延遲。
[0029] 2)利用所提取的多個(gè)載頻上的頻率分量構(gòu)建協(xié)方差矩陣，沿著距離維和聲速維設(shè) 計(jì)二維加權(quán)向量。使用該加權(quán)向量沿著距離維和聲速維對(duì)協(xié)方差矩陣進(jìn)行二維掃描，獲得 距離維和聲速維二維輸出結(jié)果。搜索該二維輸出結(jié)果的峰值，提取峰值處的聲速值，并以此 作為聲速測(cè)量結(jié)果。
[0030] 下面對(duì)本發(fā)明的每個(gè)步驟作詳細(xì)說明：
[0031] 步驟1)所涉及的具體內(nèi)容如下：
[0032]設(shè)單個(gè)接收陣元位于坐標(biāo)原點(diǎn)，單個(gè)發(fā)射陣元位于距離ro處，其坐標(biāo)示意圖如圖1 所示，其中方框?yàn)榘l(fā)射陣元，圓圈為接收陣元。發(fā)射陣元發(fā)射多載頻信號(hào)。該多載頻信號(hào)由L 個(gè)具有不同頻率的單頻信號(hào)組成，其頻率為L X 1維列向量f:
[0033]
(])
[0034]其中，f 1為第1 (1 = 1，2，…，L)個(gè)載頻上的頻率值。
[0035]接收陣元采集該信號(hào)，并從信號(hào)中提取L個(gè)載頻上的離散頻率分量。設(shè)提取出的L 個(gè)尚散頻率分量為X，可表不為：
[0036]
:(2)
[0037] 其中，?為提取出的第1 (1 = 1，2，…，L)個(gè)載頻上的離散頻率分量。
[0038]由于多載頻信號(hào)的傳播距離為ro,從而L個(gè)離散頻率分量上的相位延遲，a(r〇)，可 表示為如下的復(fù)指數(shù)形式：
[0039]
(3)
[00