應(yīng)用案例

　　實驗名稱：激光水聲波達角測量

　　研究方向：激光水聲傳感，激光實體孔徑擴展

　　實驗內(nèi)容：激光感聲測量的聲光響應(yīng)機制是遠(yuǎn)場條件下聲波沿激光傳播路徑的空間積分效應(yīng)。這種特殊的響應(yīng)機制結(jié)合常規(guī)陣列信號處理方法，可顯著提升波達方向(DOA)估計的角分辨率。在消聲水池中創(chuàng)造遠(yuǎn)場聲信號，對激光感聲DOA估計方法進行實驗測試，并對比分析兩種算法的分辨力。

　　測試設(shè)備：ATA-L4水聲功率放大器；水聲換能器；傳感器等。

　　實驗過程：

圖：實驗測試系統(tǒng)示意圖

　　1.將激光感聲設(shè)備和水聲換能器布放到水下指定深度，調(diào)整兩者距離，以滿足遠(yuǎn)場平面波條件。

　　2.利用信號發(fā)生器產(chǎn)生指定頻率的脈沖信號，經(jīng)功率放大器ATA-L4水聲功率放大器進行指定倍數(shù)的放大，然后作用于水聲換能器，激發(fā)聲信號。

　　3.激光感聲設(shè)備接收聲信號，解算聲源角度信息。

　　4.調(diào)整位置，使用高精度旋轉(zhuǎn)臺在xoy和xoz平面內(nèi)分別將傳感器從-6°旋轉(zhuǎn)到+6°（步長0.5°），模擬聲源目標(biāo)在仰角和方位角上的角位移。觸發(fā)聲源發(fā)射30個正弦脈沖序列（每個序列包含10個75kHz的振蕩周期）。

　　5.傳感器接收信號對每個脈沖進行處理，以在每個旋轉(zhuǎn)位置獲得30個獨立的角度估計值，用于統(tǒng)計誤差量化。

　　實驗結(jié)果：

　　圖1：比較了粗估計和聯(lián)合估計方法之間的角度估計性能

　　圖1比較了粗估計和聯(lián)合估計方法之間的角度估計性能。圖1（a）和（b）展示了仰角變化的誤差條圖，而圖1（c）和（d）顯示了方位角的結(jié)果。如圖1（a-b）所示，聯(lián)合估計解（藍色標(biāo)記）緊密聚集在理論參考值（黃色虛線）周圍，而粗估計（紅色標(biāo)記）在圖1（b）和（d）中表現(xiàn)出顯著偏差（最大>3°）。盡管粗方法在特定角度（例如，±4°）偶爾會有精度提升，但其整體的不一致性與聯(lián)合方法的穩(wěn)健性形成鮮明對比。

圖2：兩種方法對位于旁瓣區(qū)域（對應(yīng)圖13中7°-15°范圍）內(nèi)聲源的估計結(jié)果

　　圖2展示了兩種方法對位于旁瓣區(qū)域（對應(yīng)圖13中7°-15°范圍）內(nèi)聲源的估計結(jié)果。聯(lián)合估計方法存在顯著的固有偏差，其估計結(jié)果呈U形分布，這是由于其將旁瓣輻射強度錯誤映射到主瓣方向而產(chǎn)生的異常現(xiàn)象。相比之下，粗估計方法盡管結(jié)果存在持續(xù)的隨機波動，但與真實值總體上呈現(xiàn)線性相關(guān)。因此，在旁瓣區(qū)域內(nèi)，聯(lián)合估計方法并不適用。這一技術(shù)挑戰(zhàn)可以通過兩種不同的方法來解決：縮短聲光相互作用長度會以犧牲角分辨率為代價拓寬主瓣覆蓋區(qū)域。或者，改進聯(lián)合估計算法，在旁瓣區(qū)域優(yōu)先考慮粗估計加權(quán)，從而通過空間置信度重新分配來減輕方位偏差。

　　功率放大器推薦：ATA-L系列水聲功率放大器

　　圖：ATA-L系列水聲功率放大器指標(biāo)參數(shù)

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