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申请/专利权人：中国计量科学研究院

摘要：本发明公开了一种基于时延测量与信号建模的水听器低频校准方法，包括通过发射高频先导脉冲信号准确测量直达声波与第一路反射声波的到达时延差，建立包含直达声波和一路反射声波且到达时延已知的接收信号模型，然后根据待测频率的稳态直达声波和稳态混叠声波数据并结合上述信号模型估计直达声波信号幅度，通过比较待测水听器和标准水听器的直达声波幅度测量结果，计算给出待测水听器灵敏度。本发明实现了对水池声反射特性参数的准确测量并将其用于直达声波幅度估计和灵敏度校准，校准准确度较高，降低了待估计参数数量，简化了信号模型复杂度，避免非线性估计算法的引入，从而提高了参数估计的稳定性。

主权项：1.一种基于时延测量与信号建模的水听器低频校准方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：步骤一、将发射换能器和水听器置于水下同一深度，测量时待测水听器和标准水听器先后放置于同一点，发射换能器在信号源和功率放大器激励下在消声水池中产生某一频率的稳定声场，先后放置于声场同一点的待测水听器和标准水听器输出电压幅值分别为和，标准水听器灵敏度为，待测水听器灵敏度计算式如下： ；步骤二、水听器灵敏度校准的准确度取决于电压幅度估计准确与否，直达声波抵达时刻为，经历换能器起始瞬态响应区后进入稳态；由于试验水池池壁进行消声处理，水面为最主要反射来源，第一路反射声波占据大部分反射声波能量，其到达时间为，此时波形进入由反射声波引起的瞬态区；之后为直达声波与反射声波所叠加形成的波形稳态区；脉冲终止后则依次出现直达声波终止瞬态区、反射声波稳态区以及反射声波终止瞬态区，应根据直达声波稳态区波形估计直达声波幅度，为保证幅度估计的准确可靠，现有校准规范建议直达声波稳态周期数不低于2，当信号频率较低时，不满足该条件，由此导致较高的低频限制；步骤三、从水听器接收信号波形可以看出，除稳态直达声波外，稳态混叠声波中也包含直达声波幅度信息，提出联合两段稳态区数据开展直达声波幅度估计，涉及四个未知参数，包括直达声波幅度、反射声波幅度、反射声波与直达声波的时延差以及直达声波初始相位，这里只考虑第一路反射声波，为此需采用短脉冲信号以尽可能避免水池晚期反射声波的影响，考虑到反射声波与直达声波时延差只取决于发射换能器与水听器的几何位置和水池声反射特性，不依赖于声信号频率，由此提出发射高频先导脉冲信号，并从直达声波与反射声波完全分离的接收波形中估计反射声波与直达声波的时延差，直达声波与反射声波到达时间差可通过匹配滤波方法获取，在时延差参数已知条件下，根据前两段稳态信号波形估计直达声波幅度这一问题可建模如下： ；其中，为直达声波稳态区的采样点，为混叠声波稳态区的采样点，分别为直达声波和反射声波的幅度，分别表示信号频率和采样频率，为直达声波初始相位，为反射声波与直达声波的相位差异，由高频测量给出，代表观测噪声，该模型中待估计的未知参数为；步骤四、的求解，通过移动相位最小二乘方法，首先构建直达声信号基矢量和反射声信号基矢量，其中： ； ；信号拟合问题可表述为： ；固定，可给出最小二乘解，针对未知参数，则可在间进行移动遍历，选择使目标函数值最小的取值作为的估计值，相应地，将此时的最小二乘解作为的估计值；步骤五、开展水听器灵敏度校准时一般要求发射换能器与水听器连线中心位于水池中心，以获得较大的自由场范围，考虑到在联合两段稳态区信号进行参数估计时，直达声波与反射声波的时延差可能是影响参数估计精度的重要因素，为此通过分析该参数估计问题的克拉美劳下界，给出最佳时延参数设置，观测噪声服从独立高斯分布，则上述观测模型所对应的似然函数为： ；其中，为噪声方差；步骤六、不考虑的估计，只关注参数，其Fisher信息矩阵计算如下： ；步骤七、忽略瞬态区的影响，则矩阵的各分量可推导并化简为如下形式： ；其中，为用于参数估计的信号总时长，为反射声波与直达声波的时延差；步骤八、对矩阵求逆即为克拉美劳下界，信号总长设置为5个周期，初相位设置为0，代入步骤七中的公式计算不同时延差时直达声波幅度估计的克拉美劳下界。

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