一种使用多载频信号的声速测量方法技术

本发明专利技术提供了一种使用多载频信号的声速测量方法，利用单个发射阵元发射多载频信号，单个接收阵元采集该信号，提取不同载频上的信号分量，得到不同载频所对应的信号分量在传播相同距离后产生的不同相位延迟；利用所提取的多个载频上的频率分量构建协方差矩阵，沿着距离维和声速维设计二维加权向量；使用该加权向量沿着距离维和声速维对协方差矩阵进行二维扫描，获得距离维和声速维二维输出结果；搜索该二维输出结果的峰值，提取峰值处的声速值作为声速测量结果。本发明专利技术不需精确知道声传播距离，也不需要精确知道声传播的时间，可以获得与真实声速值接近的高精度测量结果。

Sound velocity measurement method using multi carrier frequency signal

The present invention provides a method for velocity measurement using multi carrier signals, transmitting array transmit multi carrier signal with a single, single array acquisition of the signal, extraction of signal components of different frequency, different signal components have different carrier frequencies corresponding to the same distance generated during the propagation delay; construct using covariance matrix multi carrier frequency component extracted from the distance and velocity along the dimension design of two-dimensional weighted vector; using the weighted distance and velocity vector along the dimension two-dimensional scanning of the covariance matrix obtained from 2D dimension and velocity output; the output of the two-dimensional peak search, extraction velocity peak value as the speed of sound the measurement results. The invention does not need to know the sound propagation distance accurately, and does not need to know the time of sound propagation accurately.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种声速测量方法。
技术介绍
水下声速是水声设备在工作过程中的重要参数之一，对水声设备的性能具有重要影响。由于声速会随温度、压力以及盐度等的差异而变化。因此，精确测量海水声速，是水声设备能够有效工作的前提之一。目前，对于水下声速测量的方法主要有间接测量法和直接测量法。间接测量法就是通过测量水体温度、盐度和压力等参数，并利用经验公式来换算出声速(陈健.基于信号相位差的海水声速测量方法研究.国防科技大学硕士论文,2011.)。直接测量法是直接测量与声速相关的物理量，通过一定的转换关系直接得到声速值(陈健.基于信号相位差的海水声速测量方法研究.国防科技大学硕士论文,2011.)。常用的直接测量法之一为时差法。时差法测量已知距离内声波传播的时间，并利用距离除以时间求得声速。因此，时差法需要精确知道声传播距离和声传播时间。若是所估计的距离存在误差，或者同步误差造成计时误差，会导致所测量的声速存在较大的误差。
技术实现思路
为了克服时差法因距离误差和时间同步误差而导致的声速测量误差，本专利技术提出一种利用多载频信号进行实时声速测量的方法，利用多载频信号在传播相同距离后具有不同相移的特点，构建多载频信号的协方差矩阵，同时沿着距离维和声速维设计二维加权向量并进行扫描，通过搜寻二维扫描结果上的峰值来提取出声速值。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：1)以单个接收阵元为坐标原点，单个发射阵元位于距离r0处，发射阵元发射多载频信号，所述的多载频信号由L个具有不同频率的单频信号组成，其频率为L×1维列向量f，f=f1f2...fL,]]>其中，fl为第l个载频上的频率值；接收阵元采集所述的多载频信号，提取L个载频上的离散频率分量X=x1x2...xL,]]>其中，xl为提取出的第l个载频上的离散频率分量；L个离散频率分量上的相位延迟a(r0)=exp(-j2πf1f2...fLr0c0),]]>其中，c0为声速的真实值；2)利用L个离散频率分量X构建L×L维协方差矩阵R＝XXH；设计距离维和声速维二维扫描向量a(r,c)=exp(-j2πf1f2...fLrc),]]>其中，r为变化的距离值，c为变化的声速值；利用Capon法构建二维加权向量其中，R-1为协方差矩阵R的逆矩阵；沿着距离维和声速维进行二维扫描，对应的输出结果b(r,c)＝wH(r,c)Rw(r,c)；搜索距离维和声速维上二维扫描输出的峰值，提取峰值处的声速值，得到声速测量结果。所述的步骤2)也可以利用MUSIC方法来替代Capon法进行处理，处理时先对协方差矩阵R进行特征分解，获得噪声子空间对应的特征向量所组成的矩阵uN，然后计算距离维和声速维上的二维输出搜索距离维和声速维上二维扫描输出的峰值，提取峰值处的声速值，得到声速测量结果。本专利技术的有益效果是：不需精确知道声传播距离，也不需要精确知道声传播的时间，可以获得与真实声速值接近的高精度测量结果。附图说明图1是发射阵元和接收阵元在进行声速测量时的坐标示意图；图2是本专利技术中主要步骤的流程图；图3是处理采集的信号获得声速测量结果的流程图；图4是实施实例中多载频信号的频谱图；图5是本专利技术中采用Capon法的处理结果示意图，其中，(a)是实施实例中的使用本专利技术中Capon法获得的距离维和声速维二维扫描结果，(b)是本专利技术中Capon法获得的二维扫描结果往声速维投影的结果；图6是本专利技术中采用MUSIC法的处理结果示意图，其中，(a)是实施实例中的使用本专利技术中MUSIC法获得的距离维和声速维二维扫描结果，(b)是本专利技术中MUSIC法获得的二维扫描结果往声速维投影的结果；图7是实施实例中10次重复测量中传统时差法、本方法中Capon法和本专利技术中MUSIC法的声速测量结果对比图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术进一步说明，本专利技术包括但不仅限于下述实施例。本专利技术的主要内容有：1.采用单个发射阵元和单个接收阵元。单个发射阵元发射相邻频差相等的多载频信号，单个接收阵元采集该信号。2.利用所采集的多载频信号构建协方差矩阵，沿着距离维和声速维构建二维加权向量，同时沿着距离维和声速维进行扫描，获得距离维和声速维的二维输出。搜索该二维输出的峰值，将对应的声速值作为声速测量值。3.通过计算机数值仿真给出了传统时差法和本专利技术中方法的声速测量结果，以此证明了本专利技术所提方法可以在距离误差和时间误差存在的前提下获得更高精度的声速测量结果。本专利技术采用的技术方案可分为以下2个步骤：1)利用单个发射阵元发射多载频信号，单个接收阵元采集该信号，提取不同载频上的信号分量。由于载频之间具有频差，不同载频所对应的信号分量在传播相同距离后会产生不同的相位延迟。2)利用所提取的多个载频上的频率分量构建协方差矩阵，沿着距离维和声速维设计二维加权向量。使用该加权向量沿着距离维和声速维对协方差矩阵进行二维扫描，获得距离维和声速维二维输出结果。搜索该二维输出结果的峰值，提取峰值处的声速值，并以此作为声速测量结果。下面对本专利技术的每个步骤作详细说明：步骤1)所涉及的具体内容如下：设单个接收阵元位于坐标原点，单个发射阵元位于距离r0处，其坐标示意图如图1所示，其中方框为发射阵元，圆圈为接收阵元。发射阵元发射多载频信号。该多载频信号由L个具有不同频率的单频信号组成，其频率为L×1维列向量f：f=f1f2...fL---(1)]]>其中，fl为第l(l＝1,2,…,L)个载频上的频率值。接收阵元采集该信号，并从信号中提取L个载频上的离散频率分量。设提取出的L个离散频率分量为X，可表示为：X=x1x2...xL---(2)]]>其中，xl为提取出的第l(l＝1,2,…,L)个载频上的离散频率分量。由于多载频信号的传播距离为r0，从而L个离散频率分量上的相位延迟，a(r0)，可表示为如下的复指数形式：a(r0)=exp(-j2πf1f2...fLr0c0)---(3)]]>其中，c0为声速的真实值。步骤2)所涉及的具体内容如下：利用式(2)所提取出的L个离散频率分量X来构建L×L维协方差矩阵R，即：R＝XXH(4)对照式(3)设计距离维和声速维二维扫描向量a(r,c)，即：a(r,c)=exp(-j2πf1f2...fLrc)---(5)]]>其中，r为变化的距离值，c为变化的声速值。利用Capon法构建如下二维本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种使用多载频信号的声速测量方法，其特征在于包括下述步骤：1)以单个接收阵元为坐标原点，单个发射阵元位于距离r0处，发射阵元发射多载频信号，所述的多载频信号由L个具有不同频率的单频信号组成，其频率为L×1维列向量f，f=f1f2...fL,]]>其中，fl为第l个载频上的频率值；接收阵元采集所述的多载频信号，提取L个载频上的离散频率分量X=x1x2...xL,]]>其中，xl为提取出的第l个载频上的离散频率分量；L个离散频率分量上的相位延迟a(r0)=exp(-j2πf1f2...fLr0c0),]]>其中，c0为声速的真实值；2)利用L个离散频率分量X构建L×L维协方差矩阵R＝XXH；设计距离维和声速维二维扫描向量a(r,c)=exp(-j2πf1f2...fLrc),]]>其中，r为变化的距离值，c为变化的声速值；利用Capon法构建二维加权向量其中，R‑1为协方差矩阵R的逆矩阵；沿着距离维和声速维进行二维扫描，对应的输出结果b(r,c)＝wH(r,c)Rw(r,c)；搜索距离维和声速维上二维扫描输出的峰值，提取峰值处的声速值，得到声速测量结果。

【技术特征摘要】
1.一种使用多载频信号的声速测量方法，其特征在于包括下述步骤：
1)以单个接收阵元为坐标原点，单个发射阵元位于距离r0处，发射阵元发射多
载频信号，所述的多载频信号由L个具有不同频率的单频信号组成，其频率为L×1维
列向量f，f=f1f2...fL,]]>其中，fl为第l个载频上的频率值；
接收阵元采集所述的多载频信号，提取L个载频上的离散频率分量X=x1x2...xL,]]>其
中，xl为提取出的第l个载频上的离散频率分量；
L个离散频率分量上的相位延迟a(r0)=exp(-j2πf1f2...fLr0c0),]]>其中，c0为声速的
真实值；
2)利用L个离散频率分量X构建L×L维协方差矩阵R＝XXH；
设计距离维和声速维二维扫描向量a(r,c)=exp(-j2πf1f2...fLrc),]]>其中，...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘雄厚，孙超，杨益新，卓颉，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61