线阵光纤水听器的相位一致性原位测量方法与流程

：本发明属于光纤传感，具体涉及一种线阵光纤水听器的相位一致性原位测量方法。

背景技术

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背景技术：

1、光纤水听器是一种基于光纤传感和声学原理的水声信号传感器。通过放置在水体中的光纤传感装置，首先将捕捉到的声波动转化为光信号，然后传输至信号接收装置进行光电转换，最终基于数字信号处理手段提取原始水声信号的特征。将多个光纤水听器按一定的空间排布方式放置即构成光纤水听器阵列，其中排布成直线型的线阵列是较为常见的基本方式。

2、对线阵光纤水听器各阵元的输出结果进行波束形成处理，即可形成空间指向性，进而可以更加准确地获取声源的强度与位置。波束形成要求光纤水听器各阵元具有较高的相位一致性，因此在阵元的生产过程中通常已完成相位一致性检验。但由于成阵之后的安装、运输、布放等过程的影响，在水听器阵列实际工作的水体条件中，其相位一致性可能产生变化。因此有必要在其工作的原位开展相位一致性测量，从而使测量结果全面涵盖阵元自身相位差、阵元安装相位差、成阵后阵形改变引起的相位差等诸多因素。

3、现有水听器的相位一致性测量方法，如公告号为cn 108415004 b，cn 101762322b，cn 105973447a的中国专利，多需要特殊的机械结构辅助，或者对阵列及声源空间位置有较严格的要求，难以适用于原位测量需求。此外，包括gb/t 16165标准在内的多数测量方法，多针对压电水听器开展设计，并且当阵元数量较多时测量效率低下；而光纤水听器与压电水听器原理不同，其规模通常较大，因此需要更为高效的测量方法。公告号为cn115015894 a的中国专利虽然可适用于快速、原位测量，但其测量对象为曲面声基阵，难以解决线阵光纤水听器的阵列长而带来的更为复杂的时延补偿问题。

4、因此，针对线阵光纤水听器，需要一种快速、原位的相位一致性测量方法。

技术实现思路

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技术实现要素：

1、本发明所要解决的技术问题是，提供一种线阵光纤水听器的相位一致性原位测量方法，该方法可以在线阵光纤水听器的工作原位快速获得各阵元间的相位一致性。

2、本发明的技术解决方案是，提供一种线阵光纤水听器的相位一致性原位测量方法,包括以下步骤，

3、步骤1，声源放置：将具有n个阵元的线阵光纤水听器处于原位状态；在线阵光纤水听器所处的直线上且靠近第一阵元的附近位置，放置单频脉冲声源，脉冲频率为f0赫兹，脉冲长度为t_pulse秒；

4、步骤2，信号采集：各阵元同时进行声源信号的采集，获得各阵元时域信号xi，其采样率为fs；

5、步骤3，时延计算：计算各阵元待处理时域信号的长度x_length，各阵元时延点数xi_delay，以及各阵元残余时延点数xi_residue；

6、步骤4，残余时延点数累积量判定与升采样：根据各阵元残余时延点数的累积量

7、判定标准，若不满足，则对步骤2中各阵元的时域信号xi进行q倍的升采样处理，q为正整数，升采样后的采样率为fs＝fs×q，并重复步骤3～步骤4；

8、步骤5，在时域进行时延补偿：在第一阵元接收到的时域信号x1中，选择单频脉冲f0稳定出现的起始时序点，作为第一阵元待处理时域信号的起始点x1_start；第i阵元待处理时域信号的起始点为：xi_start＝xi-1_start+xi_delay,(i≥2)；然后按照各阵元待处理时域信号的起始点xi_start和长度x_length，截取各阵元待处理时域信号xi'；

9、步骤6，傅里叶变换：对各阵元待处理时域信号xi'分别进行傅里叶变换，计算各阵元在频率f0处的相位谱pi_org；

10、步骤7，在频域进行残余时延补偿：对各阵元的残余时延进行补偿，获得补偿后的相位谱：pi_comp＝pi_org-(xi_residue×f0/fs×360)；

11、步骤8，相对相位差计算：以第一阵元的相位谱为标准，计算各阵元相对于第一阵元的相位差pi_rela＝pi_comp-p1_comp；

12、步骤9，多次平均：重复步骤2～步骤8，取多次pi_rela的计算结果并取平均，即阵元间相位一致性计算结果。

13、作为优选，步骤3中，各阵元待处理时域信号的长度x_length，各阵元时延点数xi_delay，以及各阵元残余时延点数xi_residue的具体计算步骤为：

14、3-1)各阵元待处理时域信号的长度计算：

15、x_length＝k×fs/f0，       (1)

16、其中x_length需为正整数，k需为正整数；

17、3-2)各阵元时延点数计算：

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19、其中表示向上取整数的运算符，di表示第i阵元与第i-1阵元之间的理论距离，c表示水体中的声速，di/c表示声信号由第i-1阵元传播至第i阵元的时延，di/c×fs表示在fs的采样频率下对应的时延点数；

20、3-3)各阵元残余时延点数计算：

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22、其中表示向上取整数的运算符。

23、作为优选，步骤4中，各阵元残余时延点数的累积量判定标准为：

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25、与现有技术相比，本发明具有以下优点：

26、1、通过在时域和频域分别进行时延补偿和残余时延补偿，有效补偿阵元间距离差异而导致的相位一致性差异；

27、2、针对较大规模的线阵光纤水听器，残余时延累积量的判定和升采样处理，可有效避免大量残余时延累积而导致的测量结果异常；

28、3、无需特殊的机械结构和严格的实验条件，在工作原位即可开展测量，一次测量即可快速获得所有阵元的相位一致性测量结果，操作简单且效率高。

技术特征：

1.一种线阵光纤水听器的相位一致性原位测量方法,其特征在于：包括以下步骤，

2.根据权利要求1所述的线阵光纤水听器的相位一致性原位测量方法，其特征在于：步骤1中，在线阵光纤水听器所处的直线上且靠近第一阵元的附近位置，放置单频脉冲声源。

3.根据权利要求1所述的基于能量通过特性的水声目标警戒方法，其特征在于：步骤3中，各阵元待处理时域信号的长度x_length，各阵元时延点数xi_delay，以及各阵元残余时延点数xi_residue的具体计算步骤为：

4.根据权利要求1所述的线阵光纤水听器的相位一致性原位测量方法，其特征在于：步骤4中，各阵元残余时延点数的累积量判定标准为：

技术总结
本发明涉及一种线阵光纤水听器的相位一致性原位测量方法，在水听器的工作原位附近布放声源，各阵元对脉冲声信号采集后，计算各阵元时延点数和残余时延点数，依据残余时延点数累积量的判定标准，进行信号的升采样处理；分别在时域和频域开展时延补偿和残余时延补偿，计算各阵元相对相位差，多次平均后最终获得阵元相位一致性结果。本发明操作步骤简单，无需特殊的机械结构或严格的实验条件，在工作原位即可快速获得所有阵元的相位信息，实现线阵光纤水听器的相位一致性快速、原位测量。

技术研发人员：孙焕宇,徐汉锋,宫榕杉,王力求,白定文,孙佳宾,娄辛灿
受保护的技术使用者：中国船舶集团有限公司第七一五研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/22