专利摘要

本发明提供了一种使用多载频信号的声速测量方法，利用单个发射阵元发射多载频信号，单个接收阵元采集该信号，提取不同载频上的信号分量，得到不同载频所对应的信号分量在传播相同距离后产生的不同相位延迟；利用所提取的多个载频上的频率分量构建协方差矩阵，沿着距离维和声速维设计二维加权向量；使用该加权向量沿着距离维和声速维对协方差矩阵进行二维扫描，获得距离维和声速维二维输出结果；搜索该二维输出结果的峰值，提取峰值处的声速值作为声速测量结果。本发明不需精确知道声传播距离，也不需要精确知道声传播的时间，可以获得与真实声速值接近的高精度测量结果。

权利要求

1.一种使用多载频信号的声速测量方法，其特征在于包括下述步骤：

1)以单个接收阵元为坐标原点，单个发射阵元位于距离r0处，发射阵元发射多载频信号，所述的多载频信号由L个具有不同频率的单频信号组成，其频率为L×1维列向量f，其中，fl为第l个载频上的频率值；

接收阵元采集所述的多载频信号，提取L个载频上的离散频率分量其中，xl为提取出的第l个载频上的离散频率分量；

L个离散频率分量上的相位延迟其中，c0为声速的真实值；

2)利用L个离散频率分量X构建L×L维协方差矩阵R＝XXH；

设计距离维和声速维二维扫描向量其中，r为变化的距离值，c为变化的声速值；

利用Capon法构建二维加权向量其中，R-1为协方差矩阵R的逆矩阵；沿着距离维和声速维进行二维扫描，对应的输出结果b(r,c)＝wH(r,c)Rw(r,c)；搜索距离维和声速维上二维扫描输出的峰值，提取峰值处的声速值，得到声速测量结果。

2.根据权利要求1所述的使用多载频信号的声速测量方法，其特征在于：所述的步骤2)中，利用MUSIC方法来替代Capon法进行处理，处理时先对协方差矩阵R进行特征分解，获得噪声子空间对应的特征向量所组成的矩阵uN，然后计算距离维和声速维上的二维输出搜索距离维和声速维上二维扫描输出的峰值，提取峰值处的声速值，得到声速测量结果。

说明书

技术领域

本发明涉及一种声速测量方法。

背景技术

水下声速是水声设备在工作过程中的重要参数之一，对水声设备的性能具有重要影响。由于声速会随温度、压力以及盐度等的差异而变化。因此，精确测量海水声速，是水声设备能够有效工作的前提之一。

目前，对于水下声速测量的方法主要有间接测量法和直接测量法。间接测量法就是通过测量水体温度、盐度和压力等参数，并利用经验公式来换算出声速(陈健.基于信号相位差的海水声速测量方法研究.国防科技大学硕士论文,2011.)。直接测量法是直接测量与声速相关的物理量，通过一定的转换关系直接得到声速值(陈健.基于信号相位差的海水声速测量方法研究.国防科技大学硕士论文,2011.)。

常用的直接测量法之一为时差法。时差法测量已知距离内声波传播的时间，并利用距离除以时间求得声速。因此，时差法需要精确知道声传播距离和声传播时间。若是所估计的距离存在误差，或者同步误差造成计时误差，会导致所测量的声速存在较大的误差。

发明内容

为了克服时差法因距离误差和时间同步误差而导致的声速测量误差，本发明提出一种利用多载频信号进行实时声速测量的方法，利用多载频信号在传播相同距离后具有不同相移的特点，构建多载频信号的协方差矩阵，同时沿着距离维和声速维设计二维加权向量并进行扫描，通过搜寻二维扫描结果上的峰值来提取出声速值。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：

2)利用L个离散频率分量X构建L×L维协方差矩阵R＝XXH；

利用Capon法构建二维加权向量 其中，R-1为协方差矩阵R的逆矩阵；沿着距离维和声速维进行二维扫描，对应的输出结果b(r,c)＝wH(r,c)Rw(r,c)；搜索距离维和声速维上二维扫描输出的峰值，提取峰值处的声速值，得到声速测量结果。

所述的步骤2)也可以利用MUSIC方法来替代Capon法进行处理，处理时先对协方差矩阵R进行特征分解，获得噪声子空间对应的特征向量所组成的矩阵uN，然后计算距离维和声速维上的二维输出 搜索距离维和声速维上二维扫描输出的峰值，提取峰值处的声速值，得到声速测量结果。

本发明的有益效果是：不需精确知道声传播距离，也不需要精确知道声传播的时间，可以获得与真实声速值接近的高精度测量结果。

附图说明

图1是发射阵元和接收阵元在进行声速测量时的坐标示意图；

图2是本发明中主要步骤的流程图；

图3是处理采集的信号获得声速测量结果的流程图；

图4是实施实例中多载频信号的频谱图；

图5是本发明中采用Capon法的处理结果示意图，其中，(a)是实施实例中的使用本发明中Capon法获得的距离维和声速维二维扫描结果，(b)是本发明中Capon法获得的二维扫描结果往声速维投影的结果；

图6是本发明中采用MUSIC法的处理结果示意图，其中，(a)是实施实例中的使用本发明中MUSIC法获得的距离维和声速维二维扫描结果，(b)是本发明中MUSIC法获得的二维扫描结果往声速维投影的结果；

图7是实施实例中10次重复测量中传统时差法、本方法中Capon法和本发明中MUSIC法的声速测量结果对比图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。

本发明的主要内容有：

1.采用单个发射阵元和单个接收阵元。单个发射阵元发射相邻频差相等的多载频信号，单个接收阵元采集该信号。

2.利用所采集的多载频信号构建协方差矩阵，沿着距离维和声速维构建二维加权向量，同时沿着距离维和声速维进行扫描，获得距离维和声速维的二维输出。搜索该二维输出的峰值，将对应的声速值作为声速测量值。

3.通过计算机数值仿真给出了传统时差法和本发明中方法的声速测量结果，以此证明了本发明所提方法可以在距离误差和时间误差存在的前提下获得更高精度的声速测量结果。

本发明采用的技术方案可分为以下2个步骤：

1)利用单个发射阵元发射多载频信号，单个接收阵元采集该信号，提取不同载频上的信号分量。由于载频之间具有频差，不同载频所对应的信号分量在传播相同距离后会产生不同的相位延迟。

2)利用所提取的多个载频上的频率分量构建协方差矩阵，沿着距离维和声速维设计二维加权向量。使用该加权向量沿着距离维和声速维对协方差矩阵进行二维扫描，获得距离维和声速维二维输出结果。搜索该二维输出结果的峰值，提取峰值处的声速值，并以此作为声速测量结果。

下面对本发明的每个步骤作详细说明：

步骤1)所涉及的具体内容如下：

设单个接收阵元位于坐标原点，单个发射阵元位于距离r0处，其坐标示意图如图1所示，其中方框为发射阵元，圆圈为接收阵元。发射阵元发射多载频信号。该多载频信号由L个具有不同频率的单频信号组成，其频率为L×1维列向量f：

其中，fl为第l(l＝1,2,…,L)个载频上的频率值。

接收阵元采集该信号，并从信号中提取L个载频上的离散频率分量。设提取出的L个离散频率分量为X，可表示为：

其中，xl为提取出的第l(l＝1,2,…,L)个载频上的离散频率分量。

由于多载频信号的传播距离为r0，从而L个离散频率分量上的相位延迟，a(r0)，可表示为如下的复指数形式：

其中，c0为声速的真实值。

步骤2)所涉及的具体内容如下：

利用式(2)所提取出的L个离散频率分量X来构建L×L维协方差矩阵R，即：

R＝XXH(4)

对照式(3)设计距离维和声速维二维扫描向量a(r,c)，即：

其中，r为变化的距离值，c为变化的声速值。

利用Capon法构建如下二维加权向量：

其中，R-1为协方差矩阵R的逆矩阵，[]H表示共轭转置。利用式(6)沿着距离维和声速维进行二维扫描，对应的输出结果可以表示为：

b(r,c)＝wH(r,c)Rw(r,c)(7)

此外，也可以利用MUSIC方法进行处理。先对协方差矩阵R进行特征分解，获得噪声子空间对应的特征向量所组成的矩阵uN，同时计算如下距离维和声速维上的二维输出：

式(7)和式(8)均表示沿着距离维和声速维进行二维扫描的结果。在扫描过程中，当扫描向量中的参数(r,c)与真实的参数(r0,c0)对应上时，会得到最强的输出。因此，通过搜索距离维和声速维上二维扫描输出的峰值，并提取峰值处的声速值，便可得到本发明中所提方法的声速测量结果。

本发明的主要流程如图2所示，本发明中利用多载频信号进行声速测量的具体流程如图3所示。

以典型的水下声速测量为例，给出本发明的实施实例。实施实例利用计算机进行数值仿真，来检验本发明所提方法的效果。

设声波在水下传播的真实速度为1490米/秒。接收阵元位于坐标原点，发射阵元与接收阵元的距离为10米。发射阵元发射具有L＝8个载频的信号，其中8个载频分别为74.65kHz、74.75kHz、74.85kHz、74.95kHz、75.05kHz、75.15kHz、75.25kHz和75.35kHz，信号脉宽为200毫秒，对应的频谱如图4所示。接收端采样频率设为225kHz，接收功率信噪比设为20dB，所加噪声为高斯白噪声，采用频带级定义噪声级。由于不精确知道距离的真实值，只知道距离大概是10米左右，因此将距离扫描范围设为8米到12米。同时，发射端和接收端的时间同步误差设为0.1毫秒。此外，将声速扫描范围设为从1480米/秒到1500米/秒。

根据图3的流程对采样信号进行处理，获得本发明中方法的处理结果，分别如图5和图6所示。其中，图5为采用本发明方法中Capon法的处理结果，图6为采用本发明方法中MUSIC法的处理结果。从图5(a)和图6(a)可知，本发明中的Capon法和MUSIC法可以在真实的距离和声速处形成峰值。图5(b)和图6(b)为将二维扫描结果往声速维进行投影的结果，从中可知本发明中的Capon法和MUSIC法均在真实声速的位置上形成了峰值。

为了进行对比，给出了传统时差法的声速测量结果。时差法所测量的声速值等于声传播的距离除以所用时间(陈健.基于信号相位差的海水声速测量方法研究.国防科技大学硕士论文,2011.)。时差法需要已知声传播距离和声传播时间，但是距离和时间的准确值均是估计的，因此，时差法中距离和时间的估计值存在误差。为了体现这一效果，在仿真中设传统时差法中的距离值满足均值为10、方差为2.5×10-5的高斯分布；设传统时差法中的时间值满足均值为6.7114×10-3、方差为8.359070939180712×10-37的高斯分布。声速测量仿真实验重复了10次，每次均使用传统时差法、本发明中的Capon法和本发明中的MUSIC法进行处理。10次测量的结果如图7所示。图7中，本发明方法中的Capon法和MUSIC法的声速测量结果在真实值(1490米/秒)附近，其10次测量的平均值均为1490.02米/秒；传统时差法由于受到距离和时间误差的影响，10次测量值扰动较大，其10次测量的平均值为1490.212米/秒。从图7的结果可知，本发明方法中的Capon法和MUSIC法不受距离误差和时间误差的影响，获得比传统时差法更精确的声速测量结果。

根据实施实例，可以认为本发明中所提出的利用多载频信号进行声速测量的方法是可行的。

一种使用多载频信号的声速测量方法专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。