西工大声纳原理实验报告.doc

声纳原理实验报告姓名:*班级:03051001学号:2010300092一、 实验目的与要求1. 了解最基本的声纳基阵阵形均匀分布直线阵和圆阵的构成方法（本年度实验采用均匀分布圆阵）；2. 初步掌握消声水池实验系统的基本构建方法；3. 掌握利用声纳基阵输出信号进行目标方位估计的方法；4. 掌握利用一定间距的两个水听器输出信号进行距离测量的方法。二、 实验原理1. 目标方位估计也就是给定一组空域传播信号s(t)在基阵中各阵元上的测量值，通过对这些测量值进行适当的处理，从中确定传播信号到达基阵的方位。在阵列信号处理中，这类问题通常称作目标的波达角（DOA）估计问题。用于目标方位估计的基阵信号处理框图如右图所示，M个传感器构成接收基阵。对每路信号Xi(t)分别施加权值Wi(),各路求和得到基阵的输出函数y(t,)。该输出是方位角的函数，通常情况下也是时间的函数。常规技术的目的是依据一定的准则，选择一组权值，在基阵的输出端构造一个空间功率谱，然后从该功率谱的峰值位置来估计信号的入射方位。在基阵信号处理中，通常假设信号是窄带的，在窄带信号的假设条件下，每个通道只用一个复加权系数即可调整该路信号的幅度和相位，从而实现整个空间滤波器的传递函数的调整。 x1(t) w1() 。 y(t,) 。 xM(t) wM() 基本的基阵处理原理图2. 关于声纳测距的原理：有两个标准水听器同时接收声源发射的脉冲信号，根据这两个标听接收到信号的时间差，由已知的声信号在水中的传播速度，可以算出两水听器之间的距离。三、 实验环境1. 实验地点-航海学院消声水池：长20米 、宽8米、深七米，六面消声2. 实验仪器：信号发生器；功率发生器；滤波放大器；数据采集器，采样频率104kHz,采集数据是16进制整型数；示波器。3. 接收基阵：12元均匀分布圆阵，直径为0.48米。水听器逆时针编号，深0.7米。两标听之间距离是8.02-6.22=1.80m,深度是3m。 4. 信号源：CW信号，频率选为5700Hz，脉冲宽度可以选为15cyc，深三米。 5. 通道对应关系：水听器PF数采12-912-96-31-81-87-14两标听，前面那个对应所采集的14组数据中的第二组,后面对应第一组；通道参数说明：两标听channel 1：量程正负2.719V；Channel 2：量程正负2.257V； 水听器通道量程 51.45V； 水池中声速为1450m/s。四、 实验过程与数据记录方位测量实验系统构成；2、按上图连接好实验设备后，开始实验。由发射端发射七个脉冲信号，接收端接收信号并作相应处理后得到采样数据，该数据以十六进制整形数的形式被存储记录下来。五、 实验数据处理及结果1. 方位测量1) 根据目标方位估计的原理，选取常规波束形成法对实验所的数据进行处理。其目的在于选取一个适当的加权向量以补偿各个阵元的传播延时，从而使某一期望方向上到达基阵的信号在求和之间是同相的，进而在该方向上产生一个主瓣波束。2) 如下图,圆阵上有十二个阵元,取圆心为坐标原点,依次取十二个阵元相对圆心的时间延迟。选用远场模型，设入射角为，容易得到第i个阵元的延迟i=rcos（-i6），则有sit=s(t-i)。对该阵列信号做常规波束形成，求得其功率方位谱PCBF()=1Nl=1N|i=1Mej2fisit|2。利用matlab编写程序，带入相关数据，即可得到功率方位谱。3) 在利用matlab做数据处理时，由于采集到的信号为实信号，数据在带入程序之前，需要对其进行Hilbert变换，从而将其转化为复信号，即原实信号的解析信号。Hilbert变换的方法在程序中体现。在选取数据时，应选取有效数据。用matlab画出一组采样数据图如下：根据上图可选取序号为1340013650的数据作为样本数据进行处理，该样本数据具有很好的代表性。的步长选为一度。最后得到的功率方位谱图如下：由上图可读出目标信号的方位在327度，即12号阵元向右偏3度的位置。2. 距离测量1) 由于有两个水听器分别接收脉冲信号，只要求出接收脉冲信号的时间差，再乘以声速，即可得两水听器之间的距离。2) 有七段脉冲信号，先取这两组中对应的一段，分别找到它们第一次到达峰值的采样序列号，相减即得到序列号差。在对其他六段脉冲做同样处理，得到： d= 124 125 124 125 125 125 125因此取d=125。则距离差L=cdfc ，fc为采样频率。代入数据的 L=1.743m六、 讨论1. 在数据处理的过程中，一些方法会产生相应的误差：1) 在方位测量中，实际实验时的环境为近场声场模型，由于本人的能力及水平所限，处理数据时选用的是远场声场模型，因此所得到的功率方位谱会存在一定的误差。不过相信随着本人学术水平的提高，不久就能采用更好的方法来减小这种情况带来的误差。2) 在进行Hilbert变换时，采用的是移位的方法，这也会带来相应的误差。不过通过采用较好的移位方法（详见程序），使这种误差较小。2. 在距离测量中，主要存在设备带来的误差以及声速误差（计算时取1450m/s，未必准确），导致测得的距离产生误差。附：1. 画一组序列图open(C:UsersAdministratorDesktopG420131126_mat20131126_matcirculararray_f5700Hz_0920000.mat);st=ans;dt=st.circulararray_f5700Hz_0920000_rawdata_;dd=dt(9,1:149796);k=1:149796;figure;plot(k,dd);2. 功率方位谱图open(C:UsersAdministratorDesktopG420131126_mat20131126_matcirculararray_f5700Hz_0920000.mat);st=ans;dt=st.circulararray_f5700Hz_0920000_rawdata_;dd=dt;for l=3:14; for m=13400:13650; dd(l,m)=(dt(l,m+4)+dt(l,m+5)/2; endenddtcos1=dt(7:14,13400:13650);dtcos2=dt(3:6,13400:13650);dtcos=dtcos1;dtcos2;dtsin1=dd(7:14,13400:13650);dtsin2=dd(3:6,13400:13650);dtsin=dtsin1;dtsin2;dat=double(dtcos)+i.*double(dtsin);f=5700;s1=0;s2=0;c=1450;r=0.24;sum=;for theta=0:2*pi/360:2*pi; for N=1:251; for m=0:11; y=r*cos(theta-m*pi/6)/c; d=dat(m+1),N); s=d*exp(i*2*pi*5700*y); s1=s1+s; end; s2=abs(s1)*abs(s1)+s2; s1=0; end; sum=sum s2/251; s2=0;end;theta=0:360;plot(theta,sum);3. 距离测量open(C:UsersAdministratorDesktopG420131126_mat20131126_matcirculararray_f5700Hz_0920000.mat);st=ans;dt=st.circulararray_f5700Hz_0920000_rawdata_;dd1=dt(1,1:149796);dd2=dt(2,1:149796);k=1:149796;d=21000;A=;B=;for n=0:6; for m=(12000+d*n):(14000+d*n