一种基于非均匀采样的统计最优近场声全息方法

技术领域

本发明涉及近场声全息技术领域，具体涉及一种基于非均匀采样的统计最优近场声全息方法。

背景技术

近场声全息作为一种噪声源识别和定位技术，具有很高的空间分辨率。在实际应用中为增强分辨率，需要减小测点间距。通常，小间距意味着采样点即传声器阵元数的增多。另外，近场声全息要求测量面的尺寸必须大于被测声源的尺寸，因此测量孔径通常较大。水下环境复杂多变，水下传声器阵元过多会产生误差，导致近场声全息的声源重建精度被影响以及测量成本过高。

统计最优近场声全息作为一种局部近场声全息技术，在水下的声源识别等方面得到了广泛关注，该技术不受声源尺寸的限制，克服了传统的声全息技术带来的卷绕误差以及窗效应。统计最优近场声全息的全息面可以采用不规则的方式来设置采样点。而当对全息面非均匀采样时，统计最优近场声全息波数矢量的选取与正则化参数密切相关。非均匀的方式采样不受采样频率的限制，能抗混叠，具有很高的分辨力，因此可以通过非均匀的采样方式设置全息面采样点及波数矢量，以提高重建精度并减少水下测量的成本和时间。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种基于非均匀采样的统计最优近场声全息方法，克服了现有均匀采样的统计最优近场声全息方法误差大，成本高，精度低的问题。

本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：

一种基于非均匀采样的统计最优近场声全息方法，该方法包括如下步骤：

步骤一：对全息面非均匀采样；

步骤二：在所述步骤一采样的基础上进行波数域非均匀采样；

步骤三：在所述步骤二采样的基础上配合L曲线法选取正则化参数，实现基于非均匀采样的统计最优近场声全息方法。

优选的，所述步骤一中选取了幂函数y＝x

优选的，所述步骤一包括如下步骤：

步骤A：给定一个初始值y＝0.01，设定幂函数y＝x

步骤B：设自变量x等分为(N-1)/2个，幂函数y＝x

优选的，所述步骤二中：从最低阶波数矢量开始按幂函数y＝x

优选的，所述采样间隔包括所有的传播波和倏逝波。

优选的，所述步骤二包括如下步骤：

步骤1：对传播波和倏逝波统一采取幂函数y＝x

步骤2：将自变量取值范围进行n-1等分，再通过幂函数y＝x

本发明的有益效果是：

统计最优近场声全息的重建精度受主要参数的影响。目前，对重建精度影响最大的三个参数分别为波数矢量、测量面采样点以及正则化参数。在多数的研究中全息测量面和波数矢量都是均匀采样的。而非均匀采样可以突破采样定理的限制，避免混叠效应，因此在全息面进行非均匀采样，将全息面均匀采样与非均匀采样时的重建结果进行对比，全息面非均匀采样具有更高的重建精度。

根据近场声全息原理，声场中的能量主要集中在主分析波数的附近。所以在选取波数矢量时，需要在主分析波数附近多选取一些波数矢量，而其它区域少选一些。这样选取可以有效地获取声场中的主要能量，在保证声场重建精度的同时，有效减低声场重建矩阵的维数，从而减少声场重建时间。由于倏逝波能量随传播距离指数衰减，为了实现对倏逝波成分进行采样时采样间隔随着波数的增加而增加，在较小波数附近多选取一些波数矢量，而在其他区域少选一些。

本发明提出了基于非均匀采样的近场声全息方法。通过非均匀的采样方式设置全息面采样点及波数域的分布，与均匀采样的情况相比能够提高重建精度并减少测量的成本和时间，保证重建精度的同时有效减少测量点数目和矩阵维度，且采样方法简单易于设置，因此其更适用于实际工程的应用。

附图说明

图1为本发明全息面非均匀采样间隔点示意图；

图2为实施例1全息面非均匀采样的重建声压示意图；

图3为实施例2不同频率下均匀采样和非均匀采样的重建误差对比示意图；

图4为实施例3不同频率下两种采样情况的重建误差对比示意图；

图5为实施例4全息面非均匀采样时不同波数域采样的重建误差对比示意图；

图6为实施例5全息面均匀采样波数域均匀采样重建声压绝对误差示意图；

图7为实施例5全息面均匀采样波数域非均匀采样重建声压绝对误差示意图；

图8为实施例5全息面非均匀采样波数域均匀采样重建声压绝对误差示意图；

图9为实施例5全息面非均匀采样波数域非均匀采样重建声压绝对误差示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，全息面非均匀采样示意图。一种基于非均匀采样的统计最优近场声全息方法，该方法包括如下步骤：

步骤一：对全息面非均匀采样，在全息面非均匀采样的情况下选取了幂函数y＝x

将自变量取值范围进行N等分，再通过幂函数y＝x

步骤二：在全息面非均匀采样的基础上进行波数域非均匀采样，从最低阶波数矢量开始就按幂函数y＝x

将自变量取值范围进行2n-1等分，再通过幂函数y＝x

步骤三：通过前两步的非均匀采样配合L曲线法合理的选取正则化参数，提高重建精度和重建稳定性。采用声压重建误差来评价重建算法的优劣，重建误差计算表达式为：

式中，M为计算点总数，

实施例1：

当点源位于全息面中心位置，点声源的半径r＝0.001m，振动速度v

实施例2：

当点源位于全息面中心位置，点声源的半径r＝0.001m，振动速度v

实施例3：

根据实施例2，比较采样点为时全息面均匀采样方法与采样点为21*21时全息面非均匀采样的重建误差。保持其他条件不变，图4为两种情况各频率下的重建误差对比示意图。从图4中可以看出在各频率处，11*11采样点时全息面非均匀采样的重建误差基本上小于21*21采样点时全息面均匀采样的重建误差。利用MATLAB软件仿真计算，得到全息面为21*21采样点仿真运行时间为135.43s，而全息面为11*11采样点数仿真运行时间为6.56s，非均匀采样方法在保证重建精度的前提下能够减少测量点数，因此该方法解决了实际中测量时间与成本的问题。

实施例4：

当点源位于全息面中心位置，点声源的半径r＝0.001m，振动速度v

实施例5：

保持其他仿真条件不变，在采样点数为11*11时，频率为1500Hz时重建声压与理论声压绝对误差三维效果见图6-9。比较图6、7、8和9，利用MATLAB软件仿真计算得声压重建值与理论值的绝对误差都小于0.5Pa，此时全息面非均匀采样时的绝对误差要小于全息面均匀采样时的情况，而同种全息面采样情况下，波数域非均匀采样的绝对误差要小于波数域均匀采样的情况，尤其是在中间区域重建声压值得到了明显改善，因此非均匀采样的近场声全息重建精度更高。