水声功率放大器在激光水声波达角测量中的应用

　　实验名称：激光水声波达角测量

　　研究方向：激光水声传感，激光实体孔径扩展

　　实验内容：激光感声测量的声光响应机制是远场条件下声波沿激光传播路径的空间积分效应。这种特殊的响应机制结合常规阵列信号处理方法，可显著提升波达方向(DOA)估计的角分辨率。在消声水池中创造远场声信号，对激光感声DOA估计方法进行实验测试，并对比分析两种算法的分辨力。

　　测试设备：ATA-L4水声功率放大器；水声换能器；传感器等。

　　实验过程：

图：实验测试系统示意图

　　1.将激光感声设备和水声换能器布放到水下指定深度，调整两者距离，以满足远场平面波条件。

　　2.利用信号发生器产生指定频率的脉冲信号，经功率放大器ATA-L4水声功率放大器进行指定倍数的放大，然后作用于水声换能器，激发声信号。

　　3.激光感声设备接收声信号，解算声源角度信息。

　　4.调整位置，使用高精度旋转台在xoy和xoz平面内分别将传感器从-6°旋转到+6°（步长0.5°），模拟声源目标在仰角和方位角上的角位移。触发声源发射30个正弦脉冲序列（每个序列包含10个75kHz的振荡周期）。

　　5.传感器接收信号对每个脉冲进行处理，以在每个旋转位置获得30个独立的角度估计值，用于统计误差量化。

　　实验结果：

图1：比较了粗估计和联合估计方法之间的角度估计性能

　　图1比较了粗估计和联合估计方法之间的角度估计性能。图1（a）和（b）展示了仰角变化的误差条图，而图1（c）和（d）显示了方位角的结果。如图1（a-b）所示，联合估计解（蓝色标记）紧密聚集在理论参考值（黄色虚线）周围，而粗估计（红色标记）在图1（b）和（d）中表现出显著偏差（最大>3°）。尽管粗方法在特定角度（例如，±4°）偶尔会有精度提升，但其整体的不一致性与联合方法的稳健性形成鲜明对比。

图2：两种方法对位于旁瓣区域（对应图13中7°-15°范围）内声源的估计结果

　　图2展示了两种方法对位于旁瓣区域（对应图13中7°-15°范围）内声源的估计结果。联合估计方法存在显著的固有偏差，其估计结果呈U形分布，这是由于其将旁瓣辐射强度错误映射到主瓣方向而产生的异常现象。相比之下，粗估计方法尽管结果存在持续的随机波动，但与真实值总体上呈现线性相关。因此，在旁瓣区域内，联合估计方法并不适用。这一技术挑战可以通过两种不同的方法来解决：缩短声光相互作用长度会以牺牲角分辨率为代价拓宽主瓣覆盖区域。或者，改进联合估计算法，在旁瓣区域优先考虑粗估计加权，从而通过空间置信度重新分配来减轻方位偏差。

　　功率放大器推荐：ATA-L系列水声功率放大器

图：ATA-L系列水声功率放大器指标参数

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