應用案例

　　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

　　實驗內容：激光感聲測量的聲光響應機制是遠場條件下聲波沿激光傳播路徑的空間積分效應。這種特殊的響應機制結合常規陣列信號處理方法，可顯著提升波達方向(DOA)估計的角分辨率。在消聲水池中創造遠場聲信號，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：實驗測試系統示意圖

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

　　2.利用信號發生器產生指定頻率的脈沖信號，經功率放大器ATA-L4水聲功率放大器進行指定倍數的放大，然后作用于水聲換能器，激發聲信號。

　　3.激光感聲設備接收聲信號，解算聲源角度信息。

　　4.調整位置，使用高精度旋轉臺在xoy和xoz平面內分別將傳感器從-6°旋轉到+6°（步長0.5°），模擬聲源目標在仰角和方位角上的角位移。觸發聲源發射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，以在每個旋轉位置獲得30個獨立的角度估計值，用于統計誤差量化。

　　實驗結果：

　　圖1：比較了粗估計和聯合估計方法之間的角度估計性能

　　圖1比較了粗估計和聯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）顯示了方位角的結果。如圖1（a-b）所示，聯合估計解（藍色標記）緊密聚集在理論參考值（黃色虛線）周圍，而粗估計（紅色標記）在圖1（b）和（d）中表現出顯著偏差（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合方法的穩健性形成鮮明對比。

圖2：兩種方法對位于旁瓣區域（對應圖13中7°-15°范圍）內聲源的估計結果

　　圖2展示了兩種方法對位于旁瓣區域（對應圖13中7°-15°范圍）內聲源的估計結果。聯合估計方法存在顯著的固有偏差，其估計結果呈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生的異常現象。相比之下，粗估計方法盡管結果存在持續的隨機波動，但與真實值總體上呈現線性相關。因此，在旁瓣區域內，聯合估計方法并不適用。這一技術挑戰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域。或者，改進聯合估計算法，在旁瓣區域優先考慮粗估計加權，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參數

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