适用于外场环境的矢量水听器校准方法

李 晋，王晓庆

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

0 引言

声压、振速联合处理是水声信号处理的发展趋势之一。矢量水听器同点采集的声压和矢量信息不能直接应用于声压、振速联合处理，需要进行各通道灵敏度和相位差的一致性补偿(校准)，以保证其声压和矢量通道的幅相一致性。常规的校准方法为驻波管计量，通过驻波管、单频声源以及旋转机构对待测矢量水听器进行灵敏度、相位差和指向性的测量[1]。驻波管测量方式操作复杂、耗时长和费用高，在一定程度上限制了实际工程的应用。

驻波管测量结果一般作为矢量水听器出厂时的性能考核依据，而后由于矢量水听器的储存、运输和使用，将会导致其性能随时间发生一定程度的变化，即性能参数与出厂时的测试结果具有一定偏差，这部分偏差等效于引入了通道间的幅相不一致性，并使得声压、振速联合处理出现失配，影响矢量声纳的目标检测和方位估计性能。因此，在矢量水听器实际应用前，应首先对其各通道进行校准，而方便有效的校准方法成为矢量水听器工程应用领域的一个研究重点[2]。

本文提出了一种适用于外场环境的矢量水听器自校准方法。通过复声强流处理估计远场参考声源的方位，根据参考声源方位，利用振速通道的电子旋转形成指向参考声源的振速输出，在矢量水听器声压、振速通道输出数据的基础上，计算得到矢量水听器通道灵敏度和相位差的补偿值。相比文献[3-5]常规驻波管计量，只需要一个远场参考声源，并可以在多数外场环境中使用，校准过程不需要单独拆解水声系统搭载的矢量水听器，降低了校准对环境和测试仪器的限制[6]；利用数据拟合和野值剔除方法，降低了校准数据的测量误差。

1 声压振速联合处理

矢量水听器可以共点采集声场的声压、振速信息。以二维矢量水听器为例，有声压和振速的2个水平正交分量，分别表示为p，vx，vy。在理想情况下，矢量水听器接收远场平面波有如下输出[7]：

(1)

式中，ρc为传播介质的平面波波阻抗；θ为声源水平方位。在常规的矢量信号处理中，一般将波阻抗值视为1，形式简化为：

(2)

振速的电子旋转可参考Givens旋转[8]，设引导方位为φ，有合成振速输出为：

vc(t)=vx(t)cosφ+vy(t)sinφ=

p(t)cosθcosφ+p(t)sinθsinφ=

p(t)cos(θ-φ)。

(3)

由上式可知，在声源方位θ与引导方位φ一致时，合成振速有与声压通道一致输出。

声压、振速联合处理通过对矢量水听器声压和振速输出的组合处理，引入组合指向性增益，提高输出信噪比。以组合方式(p+vc)为例，其归一化指向性函数为[9]：

(4)

指向性函数的形态为心型，在θ=φ时具有极大值。上述联合处理产生组合指向性增益的基础为矢量水听器声压输出p(t)和振速输出vx(t)，vy(t)具有完全的幅相一致性，振速通道输出为声压在水平正交坐标上的投影。然而在实际情况中，考虑到各通道在传播介质、放大电路和接收机理上的差异，通道的电压输出不能完全满足上述条件，因此在工程应用之前，对矢量水听器各通道进行灵敏度和相位差的校准以实现声压、振速联合处理显得尤为必要[10]。

2 矢量水听器校准方法

在实际工程应用中，从水下声场到数字信号输出，一般经过了矢量水听器、前置放大器和AD等，各通道输出数据之间的灵敏度和相位差综合了上述各模块的共同作用[11]。因此，如果出厂时只利用驻波管进行矢量水听器灵敏度和相位差的计量，还需要知道前置放大器、AD等模块的参数，通道最终补偿系数的计算也较复杂[12]。利用外场参考声源进行通道灵敏度和相位差的校准，是在系统层面上的通道校准，因此不需要知道系统内每个模块的具体参数。

以浮标平台为例，矢量水听器自校准方法的基本场景如图1所示。

图1 矢量水听器校准应用场景示意

在图1中，声源船搭载的参考声源发射指定频段的信号，由水声系统(浮标平台)的矢量水听器接收，通过系统的校准模式，处理接收信号完成各通道灵敏度与相位差的补偿，整个处理过程在水声系统中独立完成。

在水声系统中使用的矢量水听器校准算法流程如图2所示。

图2 矢量水听器校准算法流程

图2的算法流程包含参考声源方位估计、灵敏度和相位差补偿值计算以及数据优化操作，最终输出灵敏度和相位差补偿数据。

2.1 参考声源方位估计

利用复声强流估计参考声源目标的方位，通过输出目标方位的合成振速，提高振速通道输出信噪比，复声强流处理的基本流程如图3所示。

图3 复声强流处理原理

以加速度型矢量水听器为例，其振速通道输出振速加速度，则参考声源方位估计可通过下式实现：

(5)

式中，p(ω)，v(ω)为矢量水听器声压、振速输出的傅里叶变换；〈·〉为时间平均。相应参考声源方位的合成振速为：

vc(ω，θ)=jω[vx(ω)cosθ+vy(ω)sinθ]，

(6)

式中，θ为利用复声强流估计的参考声源方位。

2.2 灵敏度、相位差补偿值计算

矢量水听器振速通道数多于声压通道，以声压通道作为参考通道，对振速通道进行校准，可节省校准运算量，通过式计算，可得到针对振速通道的灵敏度和相位差补偿值。

(7)

(8)

式中，p(ω)，v(ω)为矢量水听器声压、振速输出的傅里叶变换[13]。

2.3 数据优化

由于外场环境中各种随机噪声的影响，将导致利用上述步骤计算得到的灵敏度和相位差补偿值曲线存在随机的起伏，利用此曲线进行灵敏度和相位差的校准将引入一定的误差。在本文的方法中，采用多次测量取平均和低通滤波消除补偿值曲线中的随机起伏。低通滤波的方法原理上与功率谱白化的方法相同，均是对补偿值曲线的低通滤波处理[14]。

3 试验验证

试验验证采用某次湖试试验数据。此次试验中，参考声源为渔船航行时的宽带噪声，渔船与矢量水听器的水平距离约200 m，湖深约10 m。

利用本文提出的方法对矢量水听器的通道灵敏度和相位差进行估计，并与出厂时的驻波管计量结果进行对比，如图4所示。

图4 灵敏度、相位差数据对比示意

可见根据自校准得到的灵敏度和相位差随频率变化曲线与矢量水听器出厂时通过驻波管测量得到的灵敏度和相位差曲线基本一致，但在某些频段仍有差异，通过理论和仿真分析，得出导致此差异的原因可有以下几方面：波导边界的反射；矢量水听器随时间的状态变化；参考声源与接收水听器距离较近；振速x-y通道不一致性。

不难发现，自校准方法在实际应用中引入了一个重要的前提：假定振速x、y通道的特性基本相同，灵敏度和相位差可忽略。通过对驻波管测量记录的观察也可以表明这种假设的合理性。因此，可基本排除上述第4个原因。

使用另一组数据，通过自校准得到的通道灵敏度和相位差补偿值对振速通道进行补偿，可以得到通道一致性校准后的复声强流方位估计结果，如图5所示。

图5 校准前后方位估计性能对比示意

由复声强流估计结果的对比可知，通过对矢量水听器通道一致性的校准，使得矢量水听器对50°方位处的目标能够形成更加尖锐的谱峰，使得估计精度进一步提高。

在目标方位(50°)和相反方向(-130°)分别形成(p+vc)波束，得到输出功率谱如6图所示。

图6 目标方位及其相反方向波束输出对比示意

由(p+vc)输出功率谱对比可知，在目标方位及其相反方向，(p+vc)输出功率谱在为局部峰值的线谱处可相差约20 dB，表明了声压、振速合成的有效性。以上述功率谱中典型的线谱频率154.6，180.7，526.5 Hz为例，旋转(p+vc)中振速的合成方位，得到不同水平方位的(p+vc)组合输出功率曲线，如图7所示。

图7 试验数据组合指向性测试曲线

由图7结果可知，在3个频点的(p+vc)组合输出在水平方位上形成了心型的指向性，与(p+vc)理论上的指向性图案一致，从而证明了矢量水听器通道一致性校准的有效性。

4 结束语

本文设计了一种针对外场环境的矢量水听器校准方法，通过湖试、海试数据证明：此方法实现了对矢量水听器通道灵敏度和相位差的有效补偿，并通过声压振速的组合实现了空间指向性，由于只需一个远场参考声源，并可在外场环境中实现，因此简化了校准流程，缩短了校准时间，提高了校准效率，对矢量水听器的实际应用具有一定的参考意义。本文提出的方法相比驻波管测量方式，在测量精度方面还有待进一步的改进和提高。