高频水声阵列性能参数测量方法及系统、设备及存储介质

1.一种高频水声换能器阵列性能参数的测量方法，所述方法包括：在对阵列输出的时域信号进行分组同步采集后，获取多个通道信号组，每个所述通道信号组包含一个公共的参考通道信号和多个非参考通道信号；确定各个通道信号组内所有所述非参考通道信号相对于该组内所述参考通道信号的频域相位差和频域幅度差以同步组间信号；基于所述频域相位差和频域幅度差，计算所述阵列的性能参数，所述性能参数为换能器阵列的幅相一致性和被动定向精度；其中，所述基于所述频域相位差和频域幅度差，计算所述阵列的性能参数，所述性能参数用于评价高频水声换能器阵列的幅相一致性和被动定向精度，包括：计算每个通道信号组中的非参考通道信号相对于该通道信号组的参考通道信号的频域相位差和频域幅度差，得到归一化相位差矩阵和归一化幅度差矩阵；根据所述归一化相位差矩阵和所述归一化幅度差矩阵，计算主动声源的方位估计值，从而得到最终的方位估计值，与所述最终的方位估计值相对应的归一化相位差矩阵和归一化幅度差矩阵分别定义为最终归一化相位差矩阵和最终归一化幅度差矩阵；根据最终的方位估计值计算理论归一化延时矩阵和理论归一化相位差矩阵；根据最终归一化相位差矩阵与该理论归一化相位差矩阵计算相位误差矩阵及其统计特性；以及根据最终归一化幅度差矩阵与理想幅度值矩阵计算幅度值误差矩阵及其统计特性，其中，所述理想幅度值矩阵为全1矩阵；根据带有所述相位误差矩阵和所述幅度值误差矩阵的所述阵列在主动声源位于预设位置的波束方向图和理想的所述阵列在设定半径处的波束方向图进行对比计算，得到两个波束方向图的主要指标的差异度。 2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定各个通道信号组内所有所述非参考通道信号相对于该组内所述参考通道信号的频域相位差和频域幅度差以同步组间信号，包括：计算每个通道信号组中的非参考通道信号与该通道信号组中的参考通道信号之间的理论延时样点值；根据波形条件从每个通道信号组中的参考通道信号中选择第一数据段；根据所述第一数据段的第一起始时间样点序号和所述理论延时样点值，从所述每个通道信号组中的非参考通道信号中选择第二数据段；所述第一数据段和所述第二数据段参与离散傅里叶变换DFT。 3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述计算每个通道信号组中的非参考通道信号相对于该通道信号组的参考通道信号的频域相位差和频域幅度差，得到归一化相位差矩阵和归一化幅度差矩阵，包括：补偿所述每个通道信号组中的非参考通道信号关于该组中参考通道的频域相位差，该频域相位差由所述第一数据段和所述第二数据段之间的延时值确定；计算所述补偿相位差后的每个通道信号组中的非参考通道信号的频域相位，相对于该组中的所述参考通道信号的频域相位的差值，得到归一化相位差矩阵；计算DFT处理后每个通道信号组中的非参考通道信号相对于该组中的所述参考通道信号的频域幅度差，得到归一化幅度差矩阵。 4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，在所述得到归一化相位差矩阵和归一化幅度差矩阵之后，该方法还包括：然后将所述方位估计值重新返回计算所述理论延时样点值的步骤，开始执行从所述计算所述理论延时样点值到所述计算主动声源的方位估计值之间的所有步骤，直至当前的方位估计值相对于前一次的方位估计值不变，所述当前的方位估计值定义为最终的方位估计值。 5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述根据所述归一化相位差矩阵和所述归一化幅度差矩阵，计算主动声源的方位估计值，包括：根据所述归一化相位差矩阵和所述归一化幅度差矩阵，在设定的待搜索角度范围和待搜索半径范围内搜索波束形成的能量最大值；根据所述能量最大值获取对应的所述主动声源的方位估计值。 6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在所述计算每个通道信号组中的非参考通道信号与该通道信号组中的参考通道信号之间的理论延时样点值之前，所述方法还包括对所述多个通道信号组进行重采样。 7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述根据所述第一数据段的第一起始时间样点序号和所述理论延时样点值，从所述非参考通道信号中选择第二数据段，包括：所述第一起始时间样点序号为第一数据段的起始位置，所述第一起始时间样点序号对应的起始时刻为第一起始时间样点序号与重采样频率的比值；所述第二数据段的起始位置为第二起始时间样点序号，所述第二起始时间样点序号为第一起始时间样点序号与所述理论延时样点值的和；其中，所述数据段的采样点数均为重采样频率与时间长度的乘积，所述时间长度为所述阵列接收的单频矩形脉冲信号的脉冲宽度的一半。 8.根据权利要求1-7任一项所述的方法，其特征在于，在对所述阵列输出的时域信号进行分组同步采集之前，所述方法还包括：设置主动声源发送的单频矩形脉冲信号的产生频率和脉冲宽度；计算所述主动声源和所述阵列在预定环境中预定位置需要满足的必要条件，然后根据所述必要条件将所述主动声源和所述阵列放到预定环境中的预定位置。 9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述必要条件包括第一必要条件和第二必要条件，其中，第一个必要条件为最小路程差远远大于第一阈值，所述第一阈值为所述脉冲宽度和声速的乘积；第二个必要条件为所述主动声源与所述阵列之间的直线距离大于等于第二阈值，所述第二阈值为所述主动声源的直径的平方与所述主动声源的工作波长的比值；其中，所述最小路程差为反射最短路径与阵列之间的直线距离的差值。 10.一种高频水声换能器阵列性能参数的测试系统，所述系统包括主动声源，所述阵列和单个多通道数据采集器，其特征在于，系统还包括数据处理模块和阵列性能计算模块，其中，所述单个多通道数据采集器，用于对阵列从所述主动声源接收并转换输出的时域信号分组后，依次进行同步采集，输出多个通道信号组，每个所述通道信号组包含一个公共的参考通道信号和多个非参考通道信号；数据处理模块，用于接收所述通道信号组，并用于确定各个通道信号组内所有所述非参考通道信号相对于该组内所述参考通道信号的频域相位差和频域幅度差以同步组间信号；阵列性能计算模块，用于基于所述频域相位差和频域幅度差，计算所述阵列的性能参数；其中，所述阵列性能计算模块，包括：第七计算单元，用于根据最终的方位估计值计算理论归一化延时矩阵和理论归一化相位差矩阵；相位误差计算单元，用于根据最终归一化相位差矩阵与该理论归一化相位差矩阵计算相位误差矩阵及其统计特性；以及幅度误差计算单元，用于根据最终归一化幅度差矩阵与理想幅度值矩阵计算幅度值误差矩阵及其统计特性，其中，所述理想幅度值矩阵为全1矩阵；被动定向精度计算单元，用于根据带有所述相位误差矩阵和所述幅度值误差矩阵的所述阵列在主动声源位于预设位置的波束方向图和理想的所述阵列在设定半径处的波束方向图进行对比计算，得到两个波束方向图中主要指标的差异度。 11.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述数据处理模块，包括：第一计算单元，用于计算每个通道信号组中的非参考通道信号与该通道信号组中的参考通道信号之间的理论延时样点值；第一选择单元，用于根据波形条件从每个通道信号组中的参考通道信号中选择第一数据段；第二选择单元，用于根据所述第一数据段的第一起始时间样点序号和所述理论延时样点值，从所述每个通道信号组中的非参考通道信号中选择第二数据段；离散傅里叶变换单元，用于所述第一数据段和所述第二数据段参与离散傅里叶变换DFT；第二计算单元，用于计算每个通道信号组中的非参考通道信号相对于该通道信号组的参考通道信号的频域相位差和频域幅度差，得到归一化相位差矩阵和归一化幅度差矩阵。 12.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，所述第二计算单元，包括：补偿子单元，用于补偿所述每个通道信号组中的非参考通道信号的频域相位差，该频域相位差由所述第一数据段和所述第二数据段之间的延时值确定；第四计算子单元，用于计算所述补偿相位差后的每个通道信号组中的非参考通道信号的频域相位，相对于该通道信号组中的所述参考通道信号的频域相位的差值，得到归一化相位差矩阵；第五计算子单元，用于计算DFT处理后每个通道信号组中的非参考通道信号相对于该通道信号组中的所述参考通道信号的频域幅度差，得到归一化幅度差矩阵。 13.根据权利要求11或12所述的系统，其特征在于，所述数据处理模块，还包括：第三计算单元，用于根据所述归一化相位差矩阵和所述归一化幅度差矩阵，计算主动声源的方位估计值；校正单元，用于将所述方位估计值重新返回第一计算单元，开始执行从所述第一计算单元到所述第三计算单元之间的所有步骤，直至当前的方位估计值相对于前一次的方位估计值不变，所述当前的方位估计值定义为最终的方位估计值，与所述最终的方位估计值相对应的所述归一化相位差矩阵和所述归一化幅度差矩阵分别定义为最终归一化相位差矩阵和最终归一化幅度差矩阵。 14.根据权利要求13所述的系统，其特征在于，所述第三计算单元，包括：搜索子单元，用于根据所述归一化相位差矩阵和所述归一化幅度差矩阵，在设定的待搜索角度范围和待搜索半径范围内搜索波束形成的能量最大值；根据所述能量最大值获取对应的所述主动声源的方位估计值。 15.根据权利要求14所述的系统，其特征在于，在所述第一计算单元之前，所述系统还包括重采样单元，用于对所述多个通道信号组进行重采样。 16.根据权利要求10-15任一项所述的系统，其特征在于，在所述多通道数据采集器之前，所述系统还包括：参数设置模块，用于设置所述主动声源发送的单频矩形脉冲信号的产生频率和脉冲宽度；测试环境布置模块，用于计算所述主动声源和所述阵列在预定环境中预定位置要满足的必要条件，再根据所述必要条件将所述主动声源和所述阵列放到预定环境中的预定位置。 17.一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，还包括：单个多通道数据采集器，用于将高频水声换能器阵列输出的时域信号分成多组；并对各组时域信号依次进行同步采集，得到多个通道信号组，其中，每个通道信号组包含一个公共的参考通道信号和多个非参考通道信号；所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1-9中任一所述的方法。 18.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现所述权利要求1-9任一所述的方法。