（水声工程专业论文）矢量传感器在信道特性研究中的应用.pdf

a b s t r a c t a c o u s t i cv e c t o rs e n s o ri sc o m p o s e db yt r a d i t i o n a lo m n id i r e c t i o n a lp r e s s u r e s e n s o ra n dd i p o l ed i r e c t i o n a l p a r t i c l ev e l o c i t ys e n s o r ， w h i c hs i m u l t a n e o u s l va n d c o i o c a t e l ym e a s u r e so r t h o g o n a lc o m p o n e n t so f p a r t i c l ev e l o c i t ya sw e l l a sp r e s s u r e a ts i n g l ep o i n ti ns p a c e t h i st h e s i sa p p l i e sv e c t o rh y d r o p h o n ei nt h es t u d yo fu n d e r 、v a t e ra c o u s t i c ( u w a ) c h a n n e lc h a r a c t e r i td e v e l o p san e wm e t h o do fc o r r e l a t i o na l g o r i t l m l w h i c hi su s e di nd i s t i n g u i s h i n gt h em u l t i p a t hi nu w a c h a n n e l ，b yc o m b i n i n gt h e t r a d i t i o n a lc o r r e l a t i o n a l g o r i t h mw i t h s p a t i a lb e a m f o r m i n g t h e a l g o r i 血m i n t e g r a t et h et e m p o r a lp r o c e s s i n gg a i nw i t hs p a t i a l p r o c e s s i n gg a i n ，w h i c ha r e p r o v i d e db yc o r r e l a t i o na l g o r i t h ma n dv e c t o rs e n s o rr e s p e c t i v e l y , t oe n h a n c et h e r e s o l u t i o no f m u l t i p a t hd e l a y t h ea p p l y i n go ft h i sm e t h o dt ot h ep r o c e s s i n go f d a t a ，w h i c ha r ea c q u i r e da t s o n gh u al a k e ，z h o us h a na r c h i p e l a g oa n dc h a n n e l p o o lo fh a r b i ne n g i n e e d n g u n i v e r s i t y , p r o v e st h a ti ti sc o l t e c t k e yw o r d s ：t h es t u d y m u l t i p a t h o fc h a n n e lc h a r a c t e r ；v e c t o rh y d r o p h o n e ；t h ea m o u n t so f s o u n dr a y s ；t h et i m ed e l a yo f m u l t i p a t hs o u n dr a y s i i 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献等的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中 已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集 体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献 +， 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 作卓厂馋蝴一饧咙另牵 作者( 签字) ：! ：! ! ：! 日 期：夕驴年7 月c 纱日 哈尔滨 二程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 研究背景及研究目的 声波是研究和探索海洋的主要工具。水声技术已经成为高新技术领域中 的一支新秀，已经广泛应用到导航、水下观察、水下通信、海洋开发和海洋 物理研究等方面。在军事方面，水声技术更是潜艇作战与反潜作战、水雷战 与反水雷战中的关键技术。 从通信论的观点来看，海洋是声信道。理想的信道能无畸变的传递信息， 海洋不是理想的信道，而是复杂多变的信道。这样一个复杂的信道对声波进 行着确定性的变换以及随机性的变换，确定性变换导致声波波形的畸变，随 机性变换导致声波携带信息的丢失。人们意识到只有充分认识海洋声信道的 特性以及声波在海洋声信道中的传播规律，才能解决水声通信、目标识别等 诸多问题。从这一角度来看，掌握并合理利用海洋声信道的特性是十分有意 义的。 声矢量传感器作为一种新型的水声传感器，不但可以测量声场中的声压， 而且还可以测量声场中的质点振速。矢量传感器的振速信号具有与频率无关 的偶极子指向性，不仅可以获得一定的空间处理增益，而且通过与声压信号 的联合处理可以进一步获得更高的处理增益。本文将经典的拷贝相关理论进 行拓展，提出一种新的矢量传感器拷贝相关算法，并利用新算法进行多途分 辨。矢量传感器拷贝相关处理方法，利用拷贝相关器提供的时间处理增益和 矢量传感器提供的空间处理增益来提高多途时延的分辨力。这种新算法继承 了经典拷贝相关理论简单及计算速度快的特点，为水声信道特性研究提供了 新的思路，也为矢量传感器的应用拓展了空间。 1 2 海洋声信道特性及其研究现状 海洋声信道对输入的信号进行确定性变换以及随机性变换1 。 确定性变换。包括：多途效应，分层介质折射效应，分层海底反射效应， 声道的汇聚区和色散效应等。倘若通信处理系统可以实时测量或感知这些变 换，它们不会减少目标信号的信息，只要增加处理器的复杂性，信号携带的 哈尔滨工程大学硕十学位论文 信息仍可予以恢复。 随机性变换。海洋中存在种类繁多的随机不均匀性，海面具有随机时变、 空变的波浪；海水介质也是不均匀的，海洋中有冷热不均匀的随机水团；海 洋中还有随机游动的鱼虾及浮游生物群；海底的地貌以及其声学特性也是随 机不均匀的；海洋中还存在着随机的内波和潮汐。随机界面、介质的随机不 均匀性、。浮游生物和气泡等会引起散射，反向散射同时回到声源附近接收器 的声能叠加形成所谓的混响，前向散射的能量会导致接收信号的幅度及波形 产生变化。波浪会导致多途到达信号的相对相位关系发生变化，从而导致声 场干涉的空间图案发生变化。 这些随机性变换只能用统计方法来描述，水声信号处理器无法实时测量 并感知它们所产生的变换效应，这些变换不能在处理器中进行补偿，因此它 们引起目标信息的减少，导致系统性能的降低。一般把进行确定性变换的信 道称为相干信道，把进行随机性变换的信道叫作非相干信道。海洋声信道实 际上是部分相干的信道。 海洋声信道可以看作一个时变的滤波器，其特性可由系统函数来表征， 系统函数包括：冲击响应函数办( f ，) 、传递函数( 厂，r ) 、扩展函数s ( r ，伊) 、 双频函数b ( ，r ，够1 。 冲击响应函数办f f ，f ) 表示输入为万脉冲时系统的输出函数；传递函数 h ( 厂，f ) 是冲击响应函数办( 丁，f ) 的傅立叶变换；扩展函数s ( r ，伊) 是冲击响应函 数办( f ，f ) 的时变谱，表示固定f 对办( r ，f ) 做傅立叶变换；双频函数b ( 厂，妒) 是 传递函数的时变谱，表示对传递函数h ( f ，f 1 做傅立叶变换。这些系统函数中 的任何一个都可以完全确定系统的性能，它们分别在某一方面更直观更方便 地描述信道。四个系统函数互为傅氏变换。冲击响应函数办( f ，f ) 比较简单， 人们也最为熟悉，故常用它来描述系统。 通常可以用两种方法来获得海洋声信道的冲击响应函数厅( f ，f ) 。一种是 利用声场数值计算的办法，根据已知的海洋环境参数，利用各种声场数值计 算模型计算得出水声信道的冲击响应函数。但这种方法涉及的计算量比较大， 在某些场合难以满足实时要求。另一种是通过测量海洋声信道参数的方法来 获得信道的特性，测量的参数包括测量多途声线数目、幅度及时延。这些参 数比较直观，也比较容易测量，所以经常采用这种方法来研究海洋声信道的 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 特性。 多途时延估计问题是一个具有广泛应用领域的经典信号处理问题，国内 外已有多种方法。匹配滤波法口1 是其中最经典的多途时延估计方法，为了克 服信号带宽对匹配滤波器时延分辨力的限制，又出现了m u s i c 方法p 1 、线形 预测法、最大似然估计方法p 1 、非线性最小二乘法1 等高分辨时延估计算法。 国内中科院声学所、哈尔滨工程大学等单位也开展了水下声信道的多途提取 研究口吲。 非线性最小二乘法求解多途声线时延估计问题具有适应性强和抗噪声能 力强等优点，已经成为很有发展的算法。但由于发射信号通常是具有一定带 宽的脉冲信号，接收信号与发射信号之间的相关函数在发射频率附近是一个 振荡函数，目前存在许多算法，如带惩罚函数的最小二乘法、模拟退火算法 等，这些算法都面临着一个局部优化的问题，因为若限制信号幅度为实数， 理论上可以获得时延参数的真实值，但由于代价函数是激烈振荡的函数，在 实际运算过程中，要获得代价函数的全局最小值非常困难。另一方面，若允 许信号幅度为实数，可以解决代价函数的全局最小值问题，但要求信噪比足 够高，否则将导致估计存在偏差。 带惩罚函数的最小二乘法和w r e l a x 算法都是在频域内求解非线性最 小二乘代价函数全局最小值的算法。前者最显著的特点是在复数振幅的虚部 添加一个惩罚项，通过逐渐增大惩罚值，直至惩罚值趋于无穷大时，强制多 途信号幅度为纯实数；后者最显著的特点是将多维优化问题分解成一系列一 维最优化问题。遗憾的是，这两种算法都有可能收敛于局部最小值，而不是 全局最小值。前者是因为未能给出特定的初始条件，后者则在求解代价函数 的全局最小值问题时，信号幅度为复数一1 。 多途声线时延估计还有最大熵法、自相关法、倒谱法以及一些自适应方 法。最大熵法可以达到时延估计方差的下界，但它的应用需要先验知识，即 必须知道声源信号和背景噪声的谱密度分布函数。自相关法和倒谱法直接计 算接收信号的自相关函数或倒谱函数，如果信道存在多途结构，则在相应的 时间延迟位置上自相关函数或倒谱函数将会出现一个峰值。自相关法和倒谱 法不需要任何先验知识，在实际应用中仍然是最为直接、方便的方法。自相 关法的限制是要求时延值不小于信号带宽的倒数，否则相应于多途时延的峰 哈尔滨工程大学硕士学位论文 值由于过于靠近自相关函数主峰而无法分辨。倒谱法从理论上讲其分辨率优 于自相关法。但如果信道存在畸变，不同路径之间的信号相关性下降，则其 性能还不如相关法习。 目前经典的多途声线时延估计算法是采用匹配滤波近似方法，利用发射 波形与接收波形求相关后的峰值进行时延估计。该方法的优点是对噪声具有 较强的宽容性，但它依赖于发射的自相关函数的主峰宽度( 近似为信号带宽 的倒数) 。为了提高多途信号的分辨能力，只能依靠发射更大带宽的信号来 实现，从而对整个声呐系统提出了更高的要求【1 6 1 。 1 3 矢量传感器发展历史及应用现状 众所周知，提高各种用途水声系统的有效性，总是与提高系统的信噪比 相联系。完全利用声场所包含的信息也可以提高水声系统的有效性，为了得 到关于声场的附加信息，可以通过在介质中的某些点安放一阶或者更高阶的 传感器来实现。用更高阶的传感器进行声学测量，为解决当今一些亟待解决 的声学和水声学问题提供了可能。 近十年来，在实际水声测量中，水声换能器家族中引入了一维、二维、 三维形式的声压梯度传感器。三维声压梯度传感器的基元安放在互相正交的 三个坐标轴上，中心的相位相同，被称为矢量传感器。 矢量传感器的出现要追溯到上世纪四十年代。在四十年代中期，研制出 了型号为s v l 的同振壳体声压梯度传感器，其指定的工作频带是7 0 h z 8 0 0 0 h z 。这种传感器的改型产品是s v 2 ，它具有更高的灵敏度，利用它可以 在1 5 h z - - 1 0 0 0 h z 的频带范围内测量海洋底质的声学参数。 五十年代中期，美国研制出了1 a 型号的传感器，1 a 的改进方案成为设 计传感器a n s s q - - 5 3 以及它的改进型a n s s q - - 6 2 的基础。它们被列入了 d i f a r 体系，两者的工作频带有着互相重叠的部分，其工作频带分别为 10 h z - - 5 0 0 h z 和8 h z - - 2 0 0 0 h z 。 六十年代研制出了一种即简单又先进的声压梯度传感器。其结构包括静 止壳体和以压电陶瓷为基础的换能器一转换器。伴随着压电陶瓷制作工艺的 不断进步，日本研制出双通道的声压梯度传感器，其携带复合式的换能器一 转换器。以它为基础，1 9 7 4 年美国研制出工作频带为1 0 h z - - - 2 5 0 0 h z 的复合 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 式传感器。 1 9 4 9 - - - 1 9 5 1 年苏联开始尝试研制声压梯度传感器。莫斯科大学物理声学 教研室在上世纪六十年代左右开始声压梯度传感器的研制工作，1 9 5 3 年第一 次阐述了大尺度声压梯度传感器的利用原理，当时著名的声学家m a 3 0 n 利用 声压传感器以及声压梯度传感器组成了垂直线阵。七十年代末，出现了多种 利用声压梯度传感器的方法，例如：固定接收系统、拖拽接收系统，并且提 出了声压梯度传感器倾斜角度补偿原理7 1 。 声矢量传感器作为一种新型的水声测量设备，不但可以测量声场中最常 见的标量物理量一声压，而且还可以直接、同步测量声场同一点处流体介质 质点振速矢量在x y z 轴向投影分量。在结构上它由传统的无指向性的声压传 感器和偶极子指向性的质点振速传感器复合而成。矢量传感器技术是在最近 十年间成为水声界备受关注的研究焦点。从上世纪五十年代中期美国学者发 表的使用惯性传感器直接测量水中质点振速的经典论文，到上世纪七八十年 代前苏联学者利用其研制成功的声矢量传感器开展海洋环境噪声研究，直至 上世纪九十年代声矢量传感器技术研究热潮才逐渐兴起。国内的相关工作可 追溯到上世纪九十年代初有关声压梯度水听器和双水听器声强测量等研究工 作1 引。 俄罗斯在矢量声学，矢量传感器技术及矢量声纳技术方面均处于领先水 平。在应用方面，俄罗斯发展了一系列新的测量技术，例如可以通过检测海 洋动力噪声来测量海浪的传播方向，利用矢量传感器高精度测量深海环境噪 声的垂直指向性等等。目前，在美俄两国性能稳定的声矢量传感器已进入工 程应用阶段。 我国声矢量传感器在水声领域的应用才刚刚兴起，真正较深入开始研究 的时间是在1 9 9 8 年以后，1 9 9 8 年松花湖实验和2 0 0 0 年大连海试是国内最早 的两次关于声矢量传感器技术的外场实验，随后进行了密云水库实验和东海、 南海声矢量传感器线阵实验。 近几年，国内矢量传感器应用处于一个快速发展的阶段，矢量传感器应 用领域不断扩大，例如：利用单只矢量传感器代替传统的声压传感器阵，进 行目标定位；利用单只矢量传感器进行多目标分辨；利用矢量传感器可以抑 制各向同性非相干干扰的特性，进行舰船辐射噪声的测量及水下目标低频辐 哈尔滨工程大学硕士学位论文 射噪声的测量；矢量传感器成阵技术等等。 矢量传感器信号处理的新方法层出不穷，例如：单只矢量传感器的倍频 窄波束算法；单只矢量传感器d e m o n 谱测向算法；将传统雷达阵列的空间 谱估计算法引入到矢量传感器领域，形成的矢量传感器阵列空间谱估计算法 等等。 国内矢量传感器的研究及应用工作n 蚰还处于初期阶段。随着高性能阵列 处理技术及数字信号处理硬件的快速发展、矢量传感器制造工艺的不断成熟， 预计矢量传感器在新型水雷、低频远程智能鱼雷、声纳浮标、低频拖曳线列 阵和新型舰壳声纳等方面也会取得较好的应用前景。 1 4 论文内容及结构 本文将矢量传感器应用于信道特性的研究中。将拷贝相关与矢量传感器 的波束空间处理方法结合在一起，提出一种矢量传感器拷贝相关处理新方法， 利用这种方法进行多途分辨。通过理论仿真及实验验证，证明采用矢量传感 器拷贝相关方法进行水声信道多途分辨具有较传统拷贝相关方法更好的时延 分辨力。 论文第一章简要叙述了研究背景、目的以及海洋声信道特性的研究现状。 论文第二章介绍矢量传感器的工作原理、矢量传感器的特性以及利用矢 量传感器进行方位估计的方法。 论文第三章为矢量传感器拷贝相关算法的理论推导，并对理论进行仿真。 论文第四章介绍了矢量传感器多途分辨外场实验的过程以及实验数据处 理结果。 最后对论文进行总结，分析论文提出的新方法的优点及不足。 6 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 第2 章声矢量传感器帚么早户口大里。i 专 暾丽 2 1 矢量传感器的工作原理 矢量传感器根据具体使用要求，可以做成一维、二维或三维的形式，用 以测量直角坐标系中一个或多个矢量分量，例如质点振速等。如果将矢量传 感器与声压传感器在结构上组合为一体，矢量与标量信号分别有各自的输出 通道，便可实现用一只组合式传感器同时获得矢量与标量信息。 根据传感器与声场相互作用的方式，可以把矢量传感器分为三大类：双 声压式矢量传感器、外壳静止型矢量传感器、同振型矢量传感器。本文中用 到的矢量传感器均为同振型矢量传感器，下面主要介绍同振型矢量传感器的 工作原理。 声学刚硬球体的几何尺寸如果远小于声波波长，即k l 1 ( k 一波数； l 一球体的最大线性尺寸) ，则球体在水中声波作用下做自由运动时，其振 动速度的幅度与声场中球心处水质点的振动速度幅值之间存在以下关系： 气n y = 毫譬v o ( 2 1 ) 2 万+ p o 、。 其中，p o 为水介质密度( k g n 3 ) ；万为刚硬球体的平均密度( k g m 3 ) 。 由式( 2 1 ) 可知当同振球型矢量传感器的平均密度万等于水的平均密度 岛时，矢量传感器的振动速度幅值v 与声场中球心处质点的振动速度幅值 相等p 2 1 ，即为同振。 在声波的作用下，矢量传感器壳体产生振动。这个振动通过弹性连接传 递到基元上，基元由于质量很大，所以一直保持静止状态，力的作用使敏感 元件发生了形变，在传感器的输出端就形成了电流，这就是同振型矢量传感 器的基本工作原理。 2 2 矢量传感器指向性及通道相位差特性 声压传感器和矢量传感器在波尺寸( 传感器几何尺寸与声波波长之比) 很小的条件下，理论上二者的指向性图可以用函数c o s o ”来描述。n = o 时，表 示声压传感器无指向性；n = l 时，表示矢量传感器的指向性，即矢量传感器 7 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 的指向性可用函数来c o s 8 描述，它的指向性图呈“8 字形。理想情况下( 波 尺寸很小) 声压传感器和矢量传感器的指向性如图2 1 所示p 3 1 。 一k z 牙慕l 必 易 x j 一k z r 9 羚荪。 心影心拶 y 7 x 一 l z r 。 w 卅 ；少l 必 ， x 图2 1 声压传感器及矢量传感器指向性图 令矢量传感器的通道轴与直角坐标系下的x y z 坐标轴方向相同，并且矢 量传感器的几何中心与坐标系的原点重合，平面波沿，1 9 ) 方向传播，测量 坐标系如图2 2 所示： 8 哈尔滨工程大学硕七学位论文 图2 2 测量坐标系示意图 设入射的平面波声压为：p = 异e x p d ( 研一妇) 】，为了进行研究将声压表 达式指数项中的知表达成：鼢= ( x c o s 矿+ y s i n 缈) s i n 口+ z c o s g 。理想的声 压传感器和矢量传感器有着固定的方向性因数7 1 ： d p = 1 ( 2 - 2 ) d x = n x a e a x = - j c o s q o s i n 0 d y = ny 8 p | a y = 一j s i n ( a s i n 0 ( 2 3 ) ( 2 4 ) d ：= nz 卯| 8 z = - j c o s oq 。 其中，m ，札为规定的因子。 声压通道与矢量通道及矢量通道间的相位差关系如下式： = 一昙s g n ( i m 口) ( 2 - 6 ) 仍，= 要 s g n ( i m p ) 一s g n o m d , ) l ( 2 7 ) 其中，f ，= x ，y ，z 。 图2 3 一图2 5 列出了理想情况下在x y 平面上声压通道与矢量通道、x 矢量通道与y 矢量通道间的相位差随方位角矽的变化。 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 魁 翻 ：啦 删 目 罂 魁 一 趔 ：岳 制 趔 罂 p ) 国道相位差 图2 3 声压通道与x 通道相位差 p y 通道相位差 6 0 4 0 2 0 o 2 0 4 0 6 0 8 0 方位角单位，度 图2 4 声压通道与y 通道相位差 州通道相位差 图2 5x 通道与y 通道相位差 1 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图2 6 列出了x 、z 通道相位差随仰角秒变化的曲线。 您通道相位差 图2 6x 通道与z 通道相位差 对于实际的声矢量传感器，在平面行波场中可以发现指向性和相位差特 性与上述所列理想情况存在差别。存在这种差别的主要原因是：声波在有限 大声传感器上的绕射、接收系统的结构因素、转换器共振的影响、传感器固 定的因素、声压传感器和矢量传感器的相位中心不吻合、矢量传感器的相位 中心与几何中心不吻合刀。 2 3 矢量传感器判断声源方位的基本原理 矢量传感器可以共点、同步、独立地测量声场空间一点处的声压p ( ，f ) 和 质点振速v ，f ) 的三个正交分量叱，f ) 、v ，f ) 和v ：，f ) ，在图2 2 所示的测 量坐标系下，它们分别可以表示为p 4 1 ： 叱，f ) = v p ，t ) c o s f a s i n o ( 2 8 ) v ，p ，f ) = v p ，t ) s i n o s i n 0 ( 2 - 9 ) 叱= v ，t ) c o s o ( 2 1 0 ) 利用质点振速在振速传感器三个正交轴上的投影分量，可得声源的仰角 口和方位角够。 哈尔滨工程大学硕+ 学位论文 声源的方位角矽和仰角乡满足下列关系： t a n 伊= 巧圪 ( 2 1 1 ) t a n o = ( 曙+ 哆) 哆 ( 2 - 1 2 ) 其中，圪、圪为振速模值。 2 4 本章小结 声矢量传感器作为一种新型的水声测量设备，不但可以测量声场中最常 见的标量物理量一声压，而且还可以直接、同步测量声场同一点介质质点振 速矢量在笛卡儿坐标系下的x ，y ，z 轴向投影分量。它由传统的无指向性的 声压传感器和偶极子指向性的质点振速传感器复合而成，由其得到的声场幅 度和声场相位信息为解决一些水声问题提供了新的思路。 哈尔滨工程大学硕七学位论文 第3 章基于矢量传感器的信道特性参数提取 3 1 相干多途信道模型 发射换能器或发射源发出的携带信息的声波，通过海洋到达接收水听器 基阵，系统对所接收的信号进行分析处理，从而做出判决，确定是否存在目 标以及目标的状态参数和目标种类。从通信论的观点来看，海洋是声信道。 它不但对目标进行能量变换，而且它对声源的发射波形也进行变换，因而声 信道可以看作对发射波形进行变换的滤波器。一般来说，声信道是时变、空 变的随机信道，因此它必须用时变、空变的随机滤波器来描述，但是从大多 数应用场合来看，实验证明声信道可以看作缓慢时变的相干多途信道，若观 察或处理时间不是很长，则声信道可以用时不变的滤波器来描述。相干多途 信道模型是指：介质和边界都是时不变的，声源和接收器位置也是确定的， 从声源发出的信号沿不同的途径到达接收点，他们互相干涉叠加，从而产生 复杂的空间干涉图案和复杂的滤波特性，接收信号因而产生畸变而和发射波 形有重大区别。相干多途信道用时不变滤波器来描述。 声信号自声源发出，沿不同途径的声线到达接收点，总的接收信号是通 过接收点的所有各声线所传送的信号干涉叠加，沿第i 条途径到达的信号幅 度记为4 ，由声线计算可得4 的值，且可以计算沿第i 条途径到达的信号时 延，忽略介质吸收的频率特性，假定沿任何途径的声传播都没有色散现象， 即意味着若声源发出一个引球冲，则沿着每个途径到达的信号将是一个延时 了的万脉冲，沿每个单独的传播途径的声信号在传播过程中波形不变，因而 相干多途信道的冲击响应函数为： 乃( f ) = 4 艿( t - r o ，) ( 3 1 ) i = 1 式( 3 1 ) 是指信道的冲击响应函数即为声源发出万脉冲时接收点接收到的波 形，一共有n 条声线对声场有重要贡献1 。 对式( 3 1 ) 两边进行傅立叶变换，即得： 哈尔滨工程大学硕+ 学位论文 ( 3 - 2 ) 从式( 3 1 ) 中可以看出，对于相干多途信道，只要提取出多途声线的幅 度4 ，多途声线的时延，以及多途声线的数目，就可以得到信道的冲击响 应函数，进而掌握水声信道的特性。 3 2 经典拷贝相关理论提取信道特性参数原理 拷贝相关器1 在信道中的工作原理如图3 1 所示。图中的信道被看作是一 个滤波器。假设信道为相干多途信道，则信道冲击响应函数为式( 3 1 ) 的形 式。 尺( f ) 图3 1 拷贝相关器在信道中的工作原理 发射信号为z ( t ) ，则信号经过信道传输到达接收点的信号为： j ( f ) = z ( f ) 木办( f ) + 刀( f ) = z ( f ) ；= 4 s ( t - z o ，) + 刀( f ) ( 3 3 ) i = 1 = a i z ( t 一j ) + 聆( f ) i = 1 由于噪声胛( f ) 与发射信号z ( f ) 不相关，所以拷贝相关器的输出为： r ( f ) = ( j ( f ) z ( f + f ) ) ( 3 - 4 ) 其中，( - ) 表示对系统进行平均，式( 3 4 ) 表示相关器输出的信号分量。 将式( 3 3 ) 代入式( 3 4 ) 中得到： r ( f ) = 4 ( zt - r o ，) z ( f + f ) ) = 4 r ( z q - ，) ( 3 5 ) 1 4 b，h吖 8 4 筒 = 、l ， ， ，i 日 哈尔滨下程大学硕+ 学位论文 由式( 3 5 ) 可知，在相干多途信道中，若发射信号的自相关函数主峰设 计的很尖，那么拷贝相关器就可以提取出多途声线的数目n 及多途声线的时 延，。由此得到拷贝相关器的时延分辨力为1 b ，其中b 为发射信号的带宽。 3 3 矢量传感器接收信号的拷贝相关处理新方法 依据图2 2 所示的测量坐标系，到达矢量传感器的矢量信号可以写成： 只( f ) = ( f ) 74 - ( f ) 歹+ 心( f ) 云 ( 3 - 6 ) 杉，( t ) = v ( t ) c o s q k s i n o y ( f ) = v ( t ) s i n q k s i n a 杉：( f ) = 矿( f ) c o s 秒 其中，秒为入射声波的仰角，为入射声波的方位角，y ( f ) 为发射信号，由 于考虑信道为相干多途信道，忽略介质的吸收频率特性，假定沿任何途径传 播的信号都没有色散现象，沿某个单独的传播途径的声信号在传播过程中波 形不变，故接收信号波形与发射信号波形相同。 设接收信号为两个多途信号的叠加，多途时延以及幅度分别为印和 a ，、a ，则接收矢量信号可以写成： 膨( f ) = 。( f ) + 4 k 。( f + _ ) + 4 杉；o + 乃) 尹 + ，( f ) + 4 ，( f + _ ) + 4 形y ( f + ) 歹 ( 3 - 7 ) + 砟：( t ) + 4 v r ：( f + q ) + 4 l ：( t + r 2 ) 3 云 不同多途信号到达矢量传感器时的仰角不同，方位角相同。可设直达波 到达矢量传感器时的仰角为0 ，第一个多途信号到达的仰角为鼠，第二个多 途信号到达的仰角为砖，直达波以及两个多途到达的水平方位角相同为矽， 式( 3 6 ) 代入式( 3 7 ) 中可得： 砖o ) = y ( f ) c o s 矽s i n 秒+ 4 y 0 + _ ) c o s 矽s i nq + a 2 v ( t + r ：) c o s o s i n0 2 3 + e v ( t ) s i n o s i n 乡+ 4 矿( f + q ) s i n 矽s i n 舅+ 4 矿( f + 砭) s i n s i n 岛 歹 ( 3 - 8 ) + 矿( f ) c o s o + a , v ( t + r 1 ) c o s q + 4 v ( t + r 2 ) c o s 岛 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 设拷贝相关器的参考信号为f 列形式的一组信号： 矿( f ) = v , x ( f ) 于+ k y ( f ) - j + v , ；( f ) 云 k ，( f ) = y ( f ) c o s 旃s i n o ， k y ( f ) = y ( f ) s i n 谚s i n o t 形：( f ) = v ( t ) c o s o i ( 3 9 ) 其中，仰角岛在 o ，万】范围内取值，谚为接收信号的方位角。实际应用中，谚 为矢量传感器估计的方位角度。 定义接收矢量信号与参考信号的相关函数p 5 1 为： 如( f ) = 舰f 或( f ) 旷( h f ) 衍 ( 3 - 1 0 ) 将式( 3 。8 ) 、式( 3 - 9 ) 代入式( 3 1 0 ) 中得： 置，( f ) = 熙r 矿o ) c o s 矽s i n 曰+ 4 矿o + _ ) c o s 矽s i n 鼠+ 4 矿( f + 吃) c o s s i n 岛 。7i + y ( f ) s i n s i n 臼+ 4 矿o + q ) s i n 矽s i n q + a 2 v ( t + r 2 ) s i n 矽s i n 8 2 歹 【+ 矿( f ) c o s 0 + 4 v ( t + t ) c o s o i + a v ( t + 乞) c o s 岛j 矿o + f ) c 。s 谚s i nq 7 l + 矿o + f ) s i n 谚s i n 谚歹+ y o + f ) c o s 2 后) 衍 = 如+ + 如 ( 3 。1 1 ) 其中， = 觏i t 黧黑嚣茹。蝎卜o s 加i n ”缈。托卜o s 加i n 叫 州骢r 鼎篙曼搿。蝎弘i n 加i n 卧缈。托弘i n 加i n 蜘 砭= 瞿恶上1 矿( f ) c 。s 0 + a 。v ( t + f ，) c 。s b + a ：v ( t + r 2 ) c 。s 包 y ( f + f ) c 。s 谚d t 从式( 3 11 ) 可以看出，接收矢量信号与参考信号的相关函数构成方式 为：矢量传感器x 、y 、z 三个通道拷贝相关结果相加。 将式( 3 11 ) 按余弦和的形式整理得： 1 6 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 量，( 彳) = r 。( 丁) c o s ( 矽一谚) s i i l 臼s i n 包+ c o s e c o s a , + a i r 。( f q ) c o s ( 一谚) s m 镤s i n 毋+ c o s 9 1c o s t g , ( 3 - 1 2 ) + 4 r 。( f 一砭) c o s ( 矽一谚) s i n 岛s i n 包+ c o s 0 2c o s o , 其中，r 。( f ) = 舰fv ( t ) v ( t + r ) d t ，为发射信号的自相关函数。 当矽= 谚时式( 3 1 2 ) 可以简化为： 墨，( f ) = r 。( r ) c o s ( t 9 一t g ，) + a i r 。( f v 1 ) c o s ( 0 。一谚)， + 4 r 。( f 一乇) c o s ( 岛- o , ) 、7 由上述推导可知：将拷贝相关器的参考信号设为式( 3 9 ) 的形式，并且 将矢量传感器x 、y 、z 三个通道拷贝相关结果相加，就可以得到一组如式 ( 3 1 3 ) 的结果。从式( 3 1 3 ) 可以看出，随着8 的变化，每个多途相关峰 的加权值呈余弦形式变化。经过这样处理后，每个多途相关峰都会出现一个 最大值以及一个最小值，最大值对应的鼠即为多途信号到达矢量传感器的仰 角。 如果f 、五、岛的间隔小于发射信号带宽的倒数( 1 b ) ，那么经过经典拷 贝相关处理后，直达波及多途信号的相关峰叠加在一起，无法进行多途声线 数目及多途声线时延的提取。如果经过上述处理，因为直达波与多途到达矢 量传感器的仰角不同，所以当互所对应的相关峰达到最小值时，f 、所对 应的相关峰不是最小值，从而区分出了多途声线以及多途声线的时延。 3 4 基于矢量传感器的信道特性参数提取仿真研究 发射信号为伪随机调相信号p 引，信号频率为1 0 0 0 h z ，信号码元宽度0 0 1 s ， 信号长度为0 6 3 s 。根据文献 3 6 】，信号的带宽为1 0 0 h z ，多途时延的时间分 辨力为0 o l s 。接收信号由四部分构成：直达波、两条多途信号以及白噪声。 多途信号相对于直达波的时延分别为5 m s 、1 0 m s ；直达波到达矢量传感器的 仰角为刀4 ，第一条多途信号到达矢量传感器的仰角为万3 ，第二条多途信 号到达矢量传感器的仰角为2 万3 ，直达波信号及多途信号到达矢量传感器的 方位角为州4 ；直达波信号的幅值为l ，第一条多途信号幅值为o 8 ，第二条 多途信号幅值为0 5 ，白噪声幅值为0 3 。仿真x 、y 、z 通道的接收信号分别 1 7 图3 2x 通道接收信号 图3 3y 通道接收信号 幅j懿她叫舭翱雌i 0 。黼_跳黼捌瓣雕“。 燮舭睬一靴斛鬻瑟 ，；i乱灞滞镰堋州悟懈鼍 i 日 慨。排粼姘洲涸i。挑一撼黼删黼摧骱剿ii；吲撼僦髑冀彗。 岫黼“ 矧脒髓糕删 。龇懈。燃臀。0弧隧恻滞f， 哈尔滨工程大学硕士学位论文 5 图34z 通道接收信号 采用经腆拷贝相关理论对仿真信号进行处理，处理结果如图3 5 所示 横轴为时间，单位：s 。 图3 5 经典拷贝相关理论处理结果 从图3 5l | 1 可以看出，由于直达波与多途信号的时延间隔小于1 b ，直达 波及多途信号的相关峰叠加在一起，故从相笑结果中无法分辨出究竟有几条 多途声线到达矢最传感器。 采用矢量传感器拷贝相关算法对仿真信号进行处理，在o = 5 z 6 时的处 理结果如图3 6 所示，横轴为时间，单位：s 。 哈尔滨工程大学硕十学位论文 图3 6 谚= 5 n - 6 时处理结果 从处理结果中可以发现此时的拷贝相关结果有两个相关峰，其中第一个 相关峰对应为直达波，时刻为t = 0 0 4 s ，第二个相关峰为多途信号，时刻为 t = 0 0 5 s 。从图3 6 中可以看出，经过算法处理后对应t = - 0 0 4 5 s 时刻多途信号 的相关峰被抑制掉。通过比较图3 5 及图3 6 的差别，我们可以得出直达波到 达时刻为t = 0 0 4 s ，多途信号到达时刻为t = 0 0 4 5 s ，t = 0 0 5 s ，即多途声线的数 目为2 ，多途声线的时延分别为5 m s 、1 0 m s 。这一结果满足仿真信号预设的 参数。 从仿真结果中可以看出，矢量传感器拷贝相关算法可以将叠加在一起的 相关峰在不同的仰角谚处分离开，从而将经典拷贝相关算法无法区分的多途 声线区分出来。 上述的仿真没有考虑矢量传感器各个通道间的相位差特性。矢量传感器 在实际应用中，伴随着到达矢量传感器信号方位角的变化，x 、y 通道的相 位差发生变化，具体关系如式( 2 3 ) 所示。 3 4 1 考虑矢量传感器相位差特性的算法仿真 发射信号为伪随机调相信号，信号频率为1 0 0 0 h z ，信号码元宽度0 0 1 s ， 信号长度为0 6 3 s 。接收信号由四部分构成：直达波、两条多途信号以及白噪 声。多途信号相对于直达波的时延分别为5 m s 、1 0 m s 。 直达波信号及多途信号到达矢量传感器的方位角为万4 ，根据式( 2 3 ) ， x 、y 通道的相位差缈。= 0 ；直达波到达矢量传感器的仰角为州4 ，第一条 2 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 多途信号到达矢量传感器的仰角为州3 ，根据式( 2 3 ) ，直达波及第一条多 途信号对应的x 、z 通道的相位差妒州= 0 ；第二条多途信号到达矢量传感 器的仰角为2 州3 ，根据式( 2 3 ) ，此多途信号对应的x 、z 通道的相位差 p 衄= 一口。上述的相位差特性都为理想情况，实际应用中，由于矢量传感 器悬挂等原因，使通道相位差特性与理想情况存在差异，故取妒。= 月9 、 9 啦= 一8 n 扣、咿。，= 卅1 。 直达波信号的幅值为1 ，第一条多途信号幅值为0 8 ，第二条多途信号幅 值为o5 ，白噪声信号幅值为0 3 。仿真x 、y 、z 通道的接收信号分别如图 37 一图3 9 所，楼轴乃耐问，午常：s ，飒轴为鬲皮 图37x 通道接收信号 图38y 通道接收信号 坠玺鋈三堡奎耋堡l i 耋堡堕圣 时间f s ) 罔3 9z 通道接收信号 采用经典拷贝相关理论对仿真信号进行处理，处理结果如图3 1 0 所示 横轴为时间，单位：s 。 图31 0 经典拷贝相关理论处理结果 采用矢量传感器拷贝相关算法进行处理，在伊= 5 1 州6 0 z5 n - 6 时的处理 结果如图3 】1 所示，横轴为时间，单位：s 。 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 图3 1 1 谚5 n 6 时处理结果 矢量传感器相位差特性为理想情况，即= 0 、a c , o 。= 0 、2 = 一万 时，在2 = 5 l 州6 0 5 r c 6 处理结果如图3 1 2 所示，横轴为时间，单位：s 。 _ _ 2 3 兰| 叫 咖 嘣 耋! 雠罂 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 敏度不同给算法带来的影响。 仿真信号的参数与上节相同，令y 通道的灵敏度比x 通道低5 d b ，令z 通道的灵敏度比x 通道低1 0 d b 。谚= 5 1 州6 0 5 ，r 6 处理结果如图3 1 3 所示。 图3 1 38 5 z c 6 时处理结果 从处理结果中可以看出，矢量传感器通道的灵敏度不一致给多途声线提 取带来的影响较小。但是，利用这种算法进行多途时延估计时，必须先行估 计声源的方位角，通道间的灵敏度差异会给方位角的估计带来误差p 4 1 。因此 算法实际应用时必须先对矢量传感器各通道的灵敏度进行校准，校准只须知 道各个通道间的灵敏度差异。 3 5 本章小结 通过本章的理论推导及理论仿真可以得到以下结论：矢量传感器拷贝相 关改进了传统的拷贝相关算法，与传统拷贝相关相比，算法增加了可分辨的 相关峰数量，即可分辨的多途时延数，为研究信道特性提供了更加准确的参 数。 2 4 堕尘鎏兰堡尘兰堡圭兰堡丝奎；t 第4 章信道特性参数提取外场实验 4 1 松花湖信道特性参数提取实验 4l1 实验目的 利用矢量传感器进行5 0 0 h z 声波传播实验，进行信道特性参数分析，通 过实验数据分析，找出矢量传感器拷贝相关处理新方法在信道特性研究方面 的优缺点。 41 2 实验仪器及实验仪器布放 发射船如图4 1 所示。 图41 松花湖实验发射船 发射船配备仪器二 信号源h p 3 3 1 2 0 ；发射换能器：5 0 0 h z 弯张发劓换能器；监测传感器： b & k 8 1 0 5 ；功率放大器：哈尔滨工程大学水声中心自制d 类功率放大器；采 集器：拓普1 6 通道采集器；其他：g p s 、电脑、测深仪、声速剖面仪、示波 器、发电机。 发射船设备布放位置如图4 2 所示。 ! 篁玺鋈三堡奎耋堡圭茎堡堡耋 * m * 女8 图4 2 发射船设备布放位置图 发射船仪器连接如图4 3 所示。 厂1 厂 广 hp 信号源l _ 叫功率放大器卜刮发射换能器 f 赢卜+ 广磊 _ 一画同盅 罔4 3 发射船仪器连接框图 接收船如图4 4 所示。 接收船配备仪器 图4 4 松花湖实验接收船 哈尔滨工程大学硕士学位论文 接收传感器：四通道矢量传感器；采集器：b & k3 5 6 0 ；其他：g p s 、电 脑、示波器、发电机。 接收船设备布放位置如图4 5 所示。 图4 5 接收船设备布放位置图 矢量传感器悬挂如图4 6 所示。 图4 6 矢量传感器悬挂装置图 哈尔滨 程大学硕十学位论文 接收】j 仪器连接如图47 所示。 一 厂 f 而r _ 。h 矢量传感器卜- h 采集器_ _ ff 嚣 l _ _ l o ! 必u 舳 图47 接收船仪器连接框图 4 1 3 实验方案 1 、到达指定实验水域首先悬