摘 要：本文针对水声测量中的宽频技术应用开展研究，设计了新的水声测量系统——运用现代信号处理技术实现了宽频噪声水声测量系统。该技术大大缩短了测量时间，提高了水声测量的定位精度。
关键词：高精度定位；水声测量系统
1.概述
水声测量技术在海洋观测和水下目标定位中占有很重要的地位，是实现水下目标定位的主要手段。随着技术的进步，新型声纳设备纷纷涌现、层出不穷，新型声纳技术的发展不断对水声测量技术提出适应现代新技术发展的更高要求。水声测量技术是水声技术发展的重要支柱与保障，它不但是校准测试或鉴定水声换能器所必需的，而且是人们间接的用水声换能器来产生和测量一个水下声信号所必需的。为了更好地适应目前水声设备类型的增多、频率范围的扩展、性能的提高与功能集成化的发展需求，水声测量技术也需要顺应时代的发展不断应用现代电子、数字及其它科学技术实现自身的进步。因此利用现代信号处理手段，研究水声测量技术对解决传统测试条件下面临的技术问题和测量精度的提高具有重要意义。
2．宽频噪声水声测量系统的原理及实验分析
2.1 系统组成
宽频噪声法测量系统包括信号产生和信号接收处理两个部分。信号产生部分由计算机、信号发生卡、功率放大器和球形发射换能器F组成。信号接收处理部分由计算机、数据采集卡、双通道滤波器、多通道示波器和两个水听器（待测X、标准S）组成。多通道示波器用来观察信号波形，确保测量过程中各通道有足够的信号幅度且波形正常，系统组成框图见图1。
图1. 宽频噪声比较法测量系统组成示意图
2.2 信号产生
宽频噪声法选择宽频带噪声信号，本文选择具有一定带宽的其功率谱密度不随频率变化的白噪声。实验在消声水池中进行，为了避免水池界面由于消声不彻底可能存在某些频率成分的反射波以及电串漏等因素造成的影响，实验中设计脉冲噪声信号。
计算机通过软件控制信号发生卡以100kHz的刷新频率产生出包含0kHz—50kHz的噪声信号，经过功率放大器施加到球形发射换能器F上。信号发生卡产生的噪声信号脉冲宽度为0.01s，脉冲周期为0.1s,幅度范围-1V—1V,如图2所示。
图2.信号发生卡产生的噪声信号
2.3 信号采集处理
如图1所示，两个水听器X和S把接收到球形换能器F发射直达声波产生的信号输入双通道滤波器,经滤波和一定增益的放大后，由数据采集卡A/D变换和发送到计算机进行处理。在这里，产生的原始信号为0kHz—50kHz，所以数据采集卡采样频率必须大于100kHz，以100kHz为例进行描述。由于计算机同时进行信号产生和信号采集及处理，如果采集完信号进行实时处理会影响测量过程进行，所以选择采集信号后存盘，然后再进行处理运算。
首先，存盘文件中包含有两个通道的信号，必须进行分离，分离后某个通道的信号如图3所示：
图3.数据采集卡接收到的噪声信号脉冲序列
由于信号发生卡产生的脉冲噪声信号周期是0.1s,而数据采集卡采样频率为100kHz,所以采集到的信号周期为10k个采样点。
两通道信号分离后，分别将其中的脉冲噪声信号进行提取。对于任意一个通道的每个脉冲噪声信号分别进行FFT运算。由于采样频率100kHz，脉冲宽度0.01s，所以脉冲中包含的采样点数为1k个，FFT运算后的频率对应幅度的间隔为100kHz,即频率分辨率df=100kHz。之后把双边FFT转换为单边FFT，零频率幅度不变，正频率幅度加倍，但是此时并不影响分辨率df。
对于两个水听器（待测X、标准S）接收到的每个噪声脉冲都做提取,并且两个水听器接收到的发射换能器F发出的同一个噪声脉冲一一对应,即可计算出Mx曲线。由于对噪声脉冲的整个处理过程中具有随机性，为了消除误差，将两两对应脉冲求得的Mx曲线累加取平均，才能得出最终的结果。如图4所示：
图4.宽频噪声比较法与脉冲比较法测量结果比较
此时，信号发生卡和数据采集卡的刷新频率和采样频率均为100kHz，宽频噪声比较法和脉冲比较法测出的灵敏度偏差在4kHz—50kHz，频率范围内最大不超过1dB。
2.4 处理结果分析
由以上实验的过程和结果可以看出，宽频噪声比较法的灵敏度值在4kHz—50kHz频率范围内偏差在1dB以内，证明宽频噪声法是一种可靠稳定的测量方法，而且还具有快速高效的特点。
以上实验数据是在信号发生卡刷新频率为100kHz和数据采集卡采样频率为100kHz的情况下完成的。当分别或者同时提高两者的刷新频率或采样频率时，在其它条件不变的情况下，可一定程度上提高测量准确度。
3.结论及展望
从以上实验结果可以看出，宽频噪声水声测量是可行的，测量精度有较大提高，采用脉冲序列内多个脉冲处理结果累加取平均的方法，可以降低对采样频率的要求，或者在设备最高采样频率一定条件下可以实现更高频率范围的测试。
宽频噪声水声测量从频域分析的角度，实现宽频范围内测量工作一次完成， 利用现代信号处理技术和数字化硬件系统实现快速测量，是对脉冲比较法扫频测量技术的一个重要补充。对于高Q值水声换能器的测量，避免信号暂态效应的影响和提高精度定位，采用宽频噪声技术更有优势。
参考文献：
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