應(yīng)用案例

【概述】

2025年天津大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)發(fā)布論文《基于聲光效應(yīng)的高分辨率測角聲矢量傳感器研究》；研究中使用Aigtek安泰ATA-L4水聲功率放大器，搭建激光水聲波達(dá)角測量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。本文針對(duì)聲光效應(yīng)的積分響應(yīng)構(gòu)建了精細(xì)模型，以探究其對(duì)角分辨率的影響，并基于該模型設(shè)計(jì)了一種用于高分辨率測角的聯(lián)合估計(jì)方法。仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該理論模型在25kHz～75kHz寬頻帶內(nèi)均具有較高精度，預(yù)測值與實(shí)測值之間的偏差小于5%。同時(shí)，該聯(lián)合估計(jì)方法可實(shí)現(xiàn)高分辨率測角，均方根誤差（RMSE）平均值低至0.14°。該研究有望為高分辨率測角聲矢量傳感器技術(shù)奠定理論基礎(chǔ)，并推動(dòng)其進(jìn)一步發(fā)展。

實(shí)驗(yàn)名稱：激光水聲波達(dá)角測量

研究方向：激光水聲傳感，激光實(shí)體孔徑擴(kuò)展

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：激光感聲測量的聲光響應(yīng)機(jī)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(jī)制結(jié)合常規(guī)陣列信號(hào)處理方法，可顯著提升波達(dá)方向(DOA)估計(jì)的角分辨率。在消聲水池中創(chuàng)造遠(yuǎn)場聲信號(hào)，對(duì)激光感聲DOA估計(jì)方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試，并對(duì)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(shí)驗(yàn)過程：

圖：實(shí)驗(yàn)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(hào)發(fā)生器產(chǎn)生指定頻率的脈沖信號(hào)，經(jīng)功率放大器ATA-L4水聲功率放大器進(jìn)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(hào)。

3.激光感聲設(shè)備接收聲信號(hào)，解算聲源角度信息。

4.調(diào)整位置，使用高精度旋轉(zhuǎn)臺(tái)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(gè)正弦脈沖序列（每個(gè)序列包含10個(gè)75kHz的振蕩周期）。

5.傳感器接收信號(hào)對(duì)每個(gè)脈沖進(jìn)行處理，以在每個(gè)旋轉(zhuǎn)位置獲得30個(gè)獨(dú)立的角度估計(jì)值，用于統(tǒng)計(jì)誤差量化。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

圖1：比較了粗估計(jì)和聯(lián)合估計(jì)方法之間的角度估計(jì)性能

圖1比較了粗估計(jì)和聯(lián)合估計(jì)方法之間的角度估計(jì)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(jì)解（藍(lán)色標(biāo)記）緊密聚集在理論參考值（黃色虛線）周圍，而粗估計(jì)（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(huì)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(duì)比。

圖2：兩種方法對(duì)位于旁瓣區(qū)域（對(duì)應(yīng)圖13中7°-15°范圍）內(nèi)聲源的估計(jì)結(jié)果

圖2展示了兩種方法對(duì)位于旁瓣區(qū)域（對(duì)應(yīng)圖13中7°-15°范圍）內(nèi)聲源的估計(jì)結(jié)果。聯(lián)合估計(jì)方法存在顯著的固有偏差，其估計(jì)結(jié)果呈U形分布，這是由于其將旁瓣輻射強(qiáng)度錯(cuò)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(jì)方法盡管結(jié)果存在持續(xù)的隨機(jī)波動(dòng)，但與真實(shí)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(jì)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(huì)以犧牲角分辨率為代價(jià)拓寬主瓣覆蓋區(qū)域。或者，改進(jìn)聯(lián)合估計(jì)算法，在旁瓣區(qū)域優(yōu)先考慮粗估計(jì)加權(quán)，從而通過空間置信度重新分配來減輕方位偏差。

安泰放大器在此應(yīng)用中的產(chǎn)品優(yōu)勢：

1.高電壓與大功率驅(qū)動(dòng)能力——保障遠(yuǎn)場平面波條件下聲信號(hào)的穿透力與信噪比

2.寬頻帶覆蓋與脈沖保真度——精確復(fù)現(xiàn)正弦脈沖串的時(shí)頻特性

3.輸出阻抗多檔可調(diào)與實(shí)時(shí)監(jiān)測——適配換能器負(fù)載特性，保障精密旋轉(zhuǎn)角度下測量可重復(fù)性

【文獻(xiàn)】基于聲光效應(yīng)的高分辨率測角聲矢量傳感器研究

【推薦產(chǎn)品】：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)

本文實(shí)驗(yàn)素材由西安安泰電子整理發(fā)布。Aigtek已經(jīng)成為在業(yè)界擁有廣泛產(chǎn)品線，且具有相當(dāng)規(guī)模的儀器設(shè)備供應(yīng)商，樣機(jī)都支持免費(fèi)試用。西安安泰電子是專業(yè)從事功率放大器、高壓放大器、功率信號(hào)源、前置微小信號(hào)放大器、高精度電壓源、高精度電流源等電子測試儀器研發(fā)、生產(chǎn)和銷售的高科技企業(yè)。如想了解更多功率放大器等產(chǎn)品，請(qǐng)持續(xù)關(guān)注安泰電子官網(wǎng)www.wj539.com或撥打029-88865020。

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