专利名称：一种应用于水声换能器指向性响应的自动分析方法
技术领域：
本发明涉及水声计量与测试技术，尤其涉及一种应用于水声换能器指向性响应的自动化分析方法，属于水声信号处理技术领域。
背景技术：
水声换能器的指向性响应是水声计量与测试的重要内容之一，也是水声换能器的重要参数。测量水声换能器指向性响应时，需要将待测的水声换能器固定在机械回转装置的旋转轴上，使其有效声中心位于旋转轴上，在回转装置旋转的同时测量接收声压的大小， 得到换能器指向性响应曲线。为了得到主瓣下降3分贝波束宽度、旁瓣位置和旁瓣级、指向性响应起伏等换能器指向性响应参数，现有的测量方法是先将待测换能器旋转一周，找到指向性响应的最大值点，将该位置设置为回转系统的零度位置，然后将待测换能器再旋转一周测出完整的换能器指向性响应曲线，通过人工读取记录在χ-y坐标记录器坐标纸上的指向性响应数据来获得主瓣下降3分贝波束宽度、旁瓣位置和旁瓣级等参数。考虑到x-y 坐标记录器的滞后效应，无论工作在自动方式还是手动方式，机械回转装置的旋转速度都比较慢，以保证测量的精度。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术之缺点，提出了一种应用于水声换能器指向性响应的自动分析方法，该方法完全由计算机自动对测量得到的水声换能器指向性响应数据进行分析，得到主瓣位置、旁瓣位置和旁瓣级、下降3分贝波束宽度、指向性起伏等水声换能器指向性响应参数，不需要任何人工计算，分析速度快，分析结果精度高，提高了水声换能器指向性响应测量的效率。本发明的上述目的是这样实现的一种应用于水声换能器指向性响应的自动分析方法，其特征在于水声换能器指向性响应的分析不需要人工计算和干预，完全由计算机自动对指向性响应测量数据进行合理性检查和平滑，搜索指向性响应测量数据中极大值和极小值的位置，当极大值中的最大值和极小值中的最小值的差值小于门限时，则将最大值和最小值的差值作为指向性起伏；当最大值和最小值的差值大于门限时，则搜索主瓣位置、旁瓣位置和旁瓣级，然后利用迭代方法计算下降3分贝波束宽度，当水声换能器指向性响应测量数据点较少时，上述迭代算法可获得高精度的下降3分贝波束宽度数值。可按以下步骤1)对水声换能器指向性响应测量数据进行合理性检查。设水声换能器指向性响应测量数据有Ntl点，用序列^1Om, aJ表示，其中θ 角度，为对应于θ m角度处的信号幅度，m = 0，1，…，Ntl-I,由于水声换能器指向性响应测量所使用的回转系统回送的角度精度有限(通常最小为0.1度)，当回转系统旋转速度较慢时，测量数据中可能出现θω为同一个角度的多组数值，这样的数据定义为不合理的数据。首先要对原始测量数据的合理性进行检查当一个角度在测量数据中重复出现时，以该角度第一次出现时测量得到的那组数据为准，其余角度与之重复的数据全部舍弃。经过数据合理性检查后，指向性测量数据剩余N点，并且有50<N<N0;2)对第1)步处理后的水声换能器指向性响应测量数据进行平滑；2a)将N点的测量数据扩展为2N点的新序列yn( θ n，an)，yn与pn的关系为
权利要求
1.一种应用于水声换能器指向性响应的自动分析方法，其特征在于首先对水声换能器指向性响应测量数据进行合理性检查；再对水声换能器指向性响应测量数据进行平滑；然后搜索指向性响应测量数据中极大值和极小值的位置当极大值中的最大值和极小值中的最小值的差值小于门限时，则输出换能器指向性响应起伏参数；当极大值中的最大值和极小值中的最小值的差值大于门限时，则输出主瓣位置、旁瓣位置和旁瓣级；再利用迭代方法计算换能器下降3分贝波束宽度。
2.根据权利要求1所述的应用于水声换能器指向性响应的自动分析方法，其特征是对水声换能器指向性响应测量数据进行合理性检查的步骤包括设水声换能器指向性响应测量数据有Ntl点，用序列^⑶^^)表示，其中θω为角度，^ 为对应于θ m角度处的信号幅度，m = 0，1，…，Ntl-I ；由于水声换能器指向性响应测量所使用的回转系统回送的角度精度有限，当回转系统旋转速度较慢时，测量数据中可能出现θω 为同一个角度的多组数值，这样的数据定义为不合理的数据，具体来说当一个角度在测量数据中重复出现时，以该角度第一次出现时测量得到的那组数据为准，其余角度与之重复的数据全部舍弃；经过数据合理性检查后，指向性测量数据剩余N 点，并且有50 < Ν0。
3.根据权利要求2所述的应用于水声换能器指向性响应的自动分析方法，其特征是对合理的水声换能器指向性响应测量数据进行平滑，步骤包括a)将N点的测量数据扩展为2N点的新序列yn( θ n，an)，yn与pn的关系为 b)计算序列yn中信号幅度数据％的离散傅里叶变换Ak ； 其中Wn = 一WN，j为虚数单位； c)令序列Xk为 d)保留&的主要分量，去除&的次要分量，得到X’ k，即令 e)重构序列Ak为A'2X =i4nx\k=Q42NW^2X\\<k<N-\0Ji = N、(^W2-“2N-k-mX\N—k—\ )* N + l<k<2N-l f)计算序列A’ k的逆离散傅里叶变换，得到经过平滑的信号幅度序列Smι N-ISm= ^wNkm ^ = 0,1,2-,^-1丄 N k=og)对数据进行归一化并取对数，即令Sn,^=201og-to = 0’1’2".’#-1max其中max、为序列的最大值。
4.根据权利要求3所述的应用于水声换能器指向性响应的自动分析方法，其特征是搜索指向性响应测量数据中极大值和极小值的位置的步骤包括由^11和θ m构成新的序列( θ m，sffl)，搜索序列的极大值和极小值分别构成序列Pi 和序列V1 若Si满足如下条件1，则Si为一个极大值，极大值对应的角度为α i ；若&满足如下条件2，则&为一个极小值，极小值对应的角度为β ！；条件 1N-4, Si^3 ( Si^2 ( Sh ^ Si ^ si+1 ( si+2 ( si+3条件 2 3^1^ N-4, S^3 彡 S1^ 彡 Sh ^ S1, S1 ^ s1+1 ( s1+2 ( s1+3。
5.根据权利要求4所述的应用于水声换能器指向性响应的自动分析方法，其特征是判断当极大值中的最大值和极小值中的最小值的差值与门限的大小，门限值选取-3 在极大值序列Pi中搜索最大值Pmax，对应的角度为α _ ；在极小值序列V1中搜索最小值Vmin，对应的角度为β min，令指向性响应起伏 Oj = V--Pαmm max若σ d > -3，则判定换能器为全向换能器，结束指向性响应分析； 若-3，则继续指向性响应分析。
6.根据权利要求5所述的应用于水声换能器指向性响应的自动分析方法，其特征是确定主瓣位置、旁瓣位置和旁瓣级令主瓣位置为amax，搜索α _附近的两个极大值位置条件1)若α SL1为序列α i中所有小于α _的角度中的最大值；满足条件1)则令左旁瓣位置为α su，对应的旁瓣级为Psu ；条件2)若α SR1为序列α i中所有大于α _的角度中的最小值；满足条件2)则令右旁瓣位置为α SK1，对应的旁瓣级为Pski ；若找不到满足上述条件1)或2)的Cisu和CIski，则认为换能器指向性响应无旁瓣。
7.根据权利要求5所述的应用于水声换能器指向性响应的自动分析方法，其特征是 A、计算主瓣左下降3分贝点Pua)以角度θ为横坐标，信号幅度s为纵坐标，建立平面直角坐标系，则序列^(θω，8ω) 可以表示为θ-S平面上N个离散的点；b)令βu表示序列β ！中所有小于α max的角度中的最大值，β E1表示序列β ！中所有大于α_的角度中的最小值；c)从主瓣位置开始，在序列中搜索满足条件3且角度值最大的点(θ L1, s L1) 条件 3 知 < -3 且 β L1 < θ m < α maxd)计算zu及其右邻点、1+1之间的连线与平行于横轴的直线s= "3的交点、3( θ L3, sL3)；e)如果与zu的距离小于与、1+1的距离，则取kw^mkn三个点为插值节点； 如果与zu的距离大于h与、1+1的距离，则取、ζ Ll+1、ZLl+2 — 个点为插值节点；f)利用上述插值节点，使用Lagrange插值法，计算横坐标为θL3的点对应的幅度值
全文摘要
本发明公开了一种应用于水声换能器指向性响应的自动分析方法，该方法完全由计算机自动对测量得到的水声换能器指向性响应数据进行合理性检查、数据平滑以及参数分析，得到主瓣位置、旁瓣位置和旁瓣级、下降3分贝波束宽度、指向性响应起伏等水声换能器指向性响应参数，不需要任何人工计算，分析速度快，分析结果精度高，进而提高了水声换能器指向性参数测量校准的效率。
文档编号H04R29/00GK102176767SQ201110009999
公开日2011年9月7日 申请日期2011年1月18日 优先权日2011年1月18日
发明者安良, 陈励军 申请人:东南大学