宽带多波束声呐基阵指向性测试系统及方法

技术领域

本发明涉及波束成形结果测试技术领域，尤其涉及一种宽带多波束声呐基阵指向性测试系统及方法。

背景技术

多波束渔用声呐作为在海洋渔业中的重要捕捞仪器，利用声波遇到目标后反射回来的信号来探测目标的位置和大小。波束成形是多波束渔用声呐研制过程中的核心技术，多波束指向性测试是验证波束成形的重要环节。

现有对声呐基阵的指向性测试的方法主要有：1.人工测量，即换能器每转动一定度数由人工从示波器上读取此时水听器或全向换能器接收到的波形峰峰值，当回波波形不规则时，需要进行多点读取求得平均值后记录数值，如此循环至换能器旋转一周后将数据汇总绘制波束图，找出峰值最大点对应的度数即为当前实际指向角度，然后与期望指向角度进行对比从而验证两者是否一致，该方法较为耗时且由于示波器显示有波动以及外界环境的干扰，人眼测量带来的误差较大；2.大孔径基阵的指向性自动测量，相较于传统的测量方法，该方法添加了窄带滤波模块和自主匹配模块，减少了声场环境波动带来的误差，有效地降低了测试环境对指向性结果的影响，节省了更多的人力，但在测试条件不允许换能器转动的情况下，该方法和人工测量的方法均不可完成指向性测试。

传统的指向性自动测量系统主要有以下两种方式如下图所示：图1为人工测量的流程方法，图2为带有窄带自主匹配模块的换能器基阵自动测试流程。

发明内容

针对上述现有技术中的不足，本发明提供一种宽带多波束声呐基阵指向性测试系统及方法，可以节省较多的测试时间测量较多的波束，且可以根据当前的位置进行增益补偿，从而减少测试过程中带来的误差以提高测试准确性。

为了实现上述目的，本发明提供一种宽带多波束声呐基阵指向性测试系统，包括一第一小车、一第二小车和一滑轨；所述第一小车包括一第一升降机构、一激光测距仪、一FPGA和一PC，所述第一升降机构传动连接一待测换能器和所述激光测距仪，所述激光测距仪连接所述PC，所述待测换能器通过所述FPGA连接所述PC；所述第二小车包括一控制器、一第二升降机构和一全向换能器，所述控制器连接所述第二升降机构和所述滑轨，所述第二升降机构与所述全向换能器传动连接；所述滑轨与所述第二小车传动连接。

优选的，所述激光测距仪设置于所述待测换能器上方并朝向所述第二小车设置。

优选的，所述第一小车还包括一第一无线串口，所述PC连接所述第一无线串口；所述第二小车还包括一第二无线串口，所述控制器连接所述第二无线串口；所述第一无线串口和所述第二无线串口通信连接。

本发明的一种基于本发明所述的宽带多波束声呐基阵指向性测试系统的宽带多波束声呐基阵指向性测试方法，包括步骤：

S1：判断本次测试为水平或垂直指向性测试；

S2：根据判断结果校准所述待测换能器和所述全向换能器；

S3：所述激光测距仪测量所述待测换能器与所述全向换能器相距的距离h，并将测量数据传输给所述PC，保存数据；

S4：在所述PC输入所述待测换能器的当前深度、所述第二小车的有效距离或所述第二升降机构的有效量程，并将数据存入表格中，若所述数据输入不成功则返回步骤S2；

所述第二小车和所述第二升降机构根据水平或者垂直指向性测量的需求，回归相应的初始位置，若无法回归至原点，则返回所述步骤S2；

S5：将需要测量的波束序号下发至所述FPGA中，成功载入后通过所述第一无线串口发送命令使所述第二小车和所述第二升降机构按照水平或垂直的测量要求开始移动，所述待测换能器开始接收回波信号，所述回波信号经过所述FPGA处理后传送给所述PC；所述PC自动将所述FPGA处理后的数据保存为文本文档；

S6：当所述全向换能器运动停止时，打开所述文本文档，并将所述文本文档的数据换算为十进制后与发射脉宽进行匹配滤波，根据需求对所述匹配滤波后的数据进行抽取和平滑；

S7：进行距离补偿；

S8：利用所述距离补偿后的数据绘制包含主瓣峰值的波束图。

优选的，所述S2步骤中：

如所述判断结果为垂直指向性测试，校准所述待测换能器和所述全向换能器的x轴坐标相同且y轴坐标相同；

如所述判断结果为水平指向性测试，校准所述待测换能器和所述全向换能器的y轴坐标相同且z轴坐标相同。

优选的，所述S7步骤进一步包括步骤：

S71：载入所述表格中的数据并根据公式(1)～公式(4)，计算出所述待测换能器与所述全向换能器的夹角范围，作为指向性图的横标轴：

若x<0,Alpha_h_min＝-arctan(L/2h) (1)；

若x>0,Alpha_h_max＝arctan(L/2h) (2)；

若z<0,Alpha_v_min＝-arctan((L-h′)/h) (3)；

若z>0,Alpha_v_max＝arctan(h′/h) (4)；

其中，x表示第二小车在x轴移动的坐标值，当x>0时第二小车与大地坐标系水平x轴正向同向，x<0时则表示与x轴反向；当为水平指向性测试时L表示第二小车水平方向上可移动的总路程，若为垂直指向性测试时L表示第二小车在垂直方向上可移动的总路程；h表示第一小车与第二小车在y轴上的直线距离；Alpha_h_min和Alpha_h_max表示根据勾股定理计算出的第二小车与第一小车的水平夹角且二者大小相同符号相反；z表示第二小车在垂直方向移动的坐标值，当z>0时第二小车与大地坐标系垂直z轴正向同向，z<0时则表示与z轴反向；Alpha_v_min表示根据公式(3)计算出的两小车垂直方向的最小夹角，Alpha_v_max表示根据公式(4)计算出的两小车垂直方向的最大夹角；h’表示待测换能器到全向换能器在正向量程最大值所在延长线的垂直距离；

S72：结合公式(5)进行距离补偿：

其中，S表示根据公式(5)计算出的距离补偿值，若为水平指向性测试，l表示当前第二小车的水平坐标值；若为垂直指向性测试，l表示当前第二小车的垂直坐标值。

本发明由于采用了以上技术方案，使其具有以下有益效果：

第一升降机构与待测换能器相连，一般保持不变；第二升降机构与全向换能器相连并受控制器控制，当垂直指向性测量时升降机构将按照控制器指令沿z轴移动；激光测距仪用于测量第一小车与第二小车之间的距离，并通过串口线传输给PC；当发射指向性测试时，待测换能器将电信号转为声信号发出；当接收指向性测试时，带测换能器将接收到的回波声信号转化为电信号后输入FPGA中进行处理；FPGA用于进行发射或接收波束的波束成形，以及接收PC的指令并选择并下发测试波束指向角；PC用于下发相应指令以及后续的数据处理，可保存激光测距仪的数值并调用，同时可以将网口采集到的数据进行存储和处理，由于第二小车是连续运动且网口采集是连续的，每秒可以采集至少80个数据包；第二小车的航行速度约为0.25°/s，若此时两车相距5m，则第一个脉冲到达的时间为5/1500≈3ms，且该数值远小于小车移动一度需要的时间，因此网口连续测量基本不会带来角度误差；后续处理时将80个包按需从数据中段抽取一定的包数，之后可根据对应导入数据建立相应的坐标，解决了传统测量不连贯的问题。控制器连接第二无线串口，用于与PC建立联系，并用以接收相关指令后控制第二小车的水平移动或第二升降机构的升降。全向换能器可用于接收或发射信号。若待测换能器需要进行发射指向性测试，则全向换能器不接入发射信号，直接将接收到的回波信号通过板卡接收后进行匹配滤波；若待测换能器进行接收指向性测试时，则全向换能器根据需求进行窄带或宽带信号进行发射。滑轨用于连接第二小车，并根据控制器指令带动第二小车移动。

本发明的测试方法，相较于传统方法本方法可以节省较多的测试时间测量较多的波束，且可以根据当前的位置进行增益补偿，从而减少测试过程中带来的误差以提高测试准确性。添加了距离补偿步骤，使得测量更加精确，同时解决了传统测量方法的耗时较长、仅限于窄带信号、且期望指向角不可配的问题。

附图说明

图1为现有技术的传统人工测试流程图；

图2为现有技术的传统自动化测试流程图；

图3为本发明实施例的宽带多波束声呐基阵指向性测试系统的机构示意图；

图4为本发明实施例的宽带多波束声呐基阵指向性测试方法的流程图；

图5为本发明实施例的水平测试补偿距离计算原理图；

图6为本发明实施例的垂直指向性测试补偿距离计算原理图。

具体实施方式

下面根据附图图3～图6，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述，使能更好地理解本发明的功能、特点。

请参阅图3～图6，本发明实施例的一种宽带多波束声呐基阵指向性测试系统，包括一第一小车1、一第二小车2和一滑轨3；第一小车1包括一第一升降机构11、一激光测距仪12、一FPGA13和一PC14，第一升降机构11传动连接一待测换能器15和激光测距仪12，激光测距仪12连接PC14，待测换能器15通过FPGA13连接PC14；第二小车2包括一控制器21、一第二升降机构22和一全向换能器23，控制器21连接第二升降机构22和滑轨3，第二升降机构22与全向换能器23传动连接；滑轨3与第二小车2传动连接。

激光测距仪12设置于待测换能器15上方并朝向第二小车2设置。

第一小车1还包括一第一无线串口16，PC14连接第一无线串口16；第二小车2还包括一第二无线串口24，控制器21连接第二无线串口24；第一无线串口16和第二无线串口24通信连接。

(1)第一升降机构11、第二升降机构22

第一升降机构11与待测换能器15相连，一般保持不变；第二升降机构22与全向换能器23相连并受控制器21控制，当垂直指向性测量时升降机构将按照控制器21指令沿z轴移动；

(2)激光测距仪12：用于测量第一小车1与第二小车2之间的距离，并通过串口线传输给PC14；

(3)待测换能器15

当发射指向性测试时，待测换能器15将电信号转为声信号发出；当接收指向性测试时，带测换能器将接收到的回波声信号转化为电信号后输入FPGA13中进行处理。

(4)FPGA13：用于进行发射或接收波束的波束成形，以及接收PC14的指令并选择并下发测试波束指向角；

(5)PC14

用于下发相应指令以及后续的数据处理，可保存激光测距仪12的数值并调用，同时可以将网口采集到的数据进行存储和处理，由于第二小车2是连续运动且网口采集是连续的，每秒可以采集至少80个数据包；第二小车2的航行速度约为0.25°/s，若此时两车相距5m，则第一个脉冲到达的时间为5/1500≈3ms，且该数值远小于小车移动一度需要的时间，因此网口连续测量基本不会带来角度误差；后续处理时将80个包按需从数据中段抽取一定的包数，之后可根据对应导入数据建立相应的坐标，解决了传统测量不连贯的问题。

(6)控制器21

连接第二无线串口24，用于与PC14建立联系，并用以接收相关指令后控制第二小车2的水平移动或第二升降机构22的升降。

(7)全向换能器23

可用于接收或发射信号。若待测换能器15需要进行发射指向性测试，则全向换能器23不接入发射信号，直接将接收到的回波信号通过板卡接收后进行匹配滤波；若待测换能器15进行接收指向性测试时，则全向换能器23根据需求进行窄带或宽带信号进行发射。

(8)滑轨3：用于连接第二小车2，并根据控制器21指令带动第二小车2移动。

本发明的一种基于本发明的宽带多波束声呐基阵指向性测试系统的宽带多波束声呐基阵指向性测试方法，包括步骤：

S1：判断本次测试为水平或垂直指向性测试；

S2：根据判断结果校准待测换能器15和全向换能器23；

S2步骤中：

如判断结果为垂直指向性测试，校准待测换能器15和全向换能器23的x轴坐标相同且y轴坐标相同；

如判断结果为水平指向性测试，校准待测换能器15和全向换能器23的y轴坐标相同且z轴坐标相同。

S3：激光测距仪12测量待测换能器15与全向换能器23相距的距离h，并将测量数据传输给PC14，保存数据；

S4：在PC14输入待测换能器15的当前深度、第二小车2的有效距离或第二升降机构22的有效量程，并将数据存入表格中，若数据输入不成功则返回步骤S2；

第二小车2和第二升降机构22根据水平或者垂直指向性测量的需求，回归相应的初始位置，若无法回归至原点，则返回步骤S2；

S5：将需要测量的波束序号下发至FPGA13中，成功载入后通过第一无线串口16发送命令使第二小车2和第二升降机构22按照水平或垂直的测量要求开始移动，待测换能器15开始接收回波信号，回波信号经过FPGA13处理后传送给PC14；PC14自动将FPGA13处理后的数据保存为文本文档；

S6：当全向换能器23运动停止时，经过对应程序(本发明使用的为Matlab，不限于此软件)，打开文本文档，并将文本文档的数据换算为十进制后与发射脉宽进行匹配滤波，根据需求对匹配滤波后的数据进行抽取和平滑；

S7：进行距离补偿；

S7步骤进一步包括步骤：

S71：载入表格中的数据并根据公式(1)～公式(4)，计算出待测换能器15与全向换能器23的夹角范围，作为指向性图的横标轴：

若x<0,Alpha_h_min＝-arctan(L/2h) (1)；

若x>0,Alpha_h_max＝arctan(L/2h) (2)；

若z<0,Alpha_v_min＝-arctan((L-h′)/h) (3)；

若z>0,Alpha_v_max＝arctan(h′/h) (4)；

其中，x表示第二小车在x轴移动的坐标值，当x>0时第二小车与大地坐标系水平x轴正向同向(如图5所示)，x<0时则表示与x轴反向；当为水平指向性测试时L表示第二小车水平方向上可移动的总路程，若为垂直指向性测试时L表示第二小车在垂直方向上可移动的总路程；h表示第一小车与第二小车在y轴上的直线距离；Alpha_h_min和Alpha_h_max表示根据勾股定理计算出的第二小车与第一小车的水平夹角且二者大小相同符号相反；z表示第二小车在垂直方向移动的坐标值，当z>0时第二小车与大地坐标系垂直z轴正向同向(如图6所示)，z<0时则表示与z轴反向；Alpha_v_min表示根据公式(3)计算出的两小车垂直方向的最小夹角，Alpha_v_max表示根据公式(4)计算出的两小车垂直方向的最大夹角；h’表示待测换能器到全向换能器在正向量程最大值所在延长线的垂直距离(如图6所示)。

S72：结合公式(5)进行距离补偿：

其中，S表示根据公式(5)计算出的距离补偿值，若为水平指向性测试，l表示当前第二小车的水平坐标值；若为垂直指向性测试，l表示当前第二小车的垂直坐标值。

S8：利用距离补偿后的数据绘制包含主瓣峰值的波束图。

以上结合附图实施例对本发明进行了详细说明，本领域中普通技术人员可根据上述说明对本发明做出种种变化例。因而，实施例中的某些细节不应构成对本发明的限定，本发明将以所附权利要求书界定的范围作为本发明的保护范围。