（水声工程专业论文）矢量声场与矢量信号处理理论研究.pdf

飧尔滨工撩大学博士学位论文一i i i i i 萱鼍i | 黛嗣宣嘣麟蕾i i 葺i 鼍i 宣鼍黼鞫i i i 躺进而理论分析r o c ( 接收机工作特性) 曲线和矢量阵增益。各向同性噪声场中，声能瀛眈声悉r o c 缝麓高4 d b 。矢量阵增益高于声压阵；高储嗓眈条件下，高阶波束形成的增益高于声能流波束形成。裰据颁域铡嚣模鍪，报演得鬟声麓瀛方位估计静概率密度公式，以及方位估计的党拉美- 罗下界( c r l b ) 。指出低傣噪比条件下，方位估计存在有偏臻象；谱缀信噪魄窝于7 d b h z ，燕无傣最大戗熬傣计置德计精度遮到c r l b 。本文近程声场研究和信号处理理论研究与仿真研究结论一致，与海( 湖)试结采合鬟圭氇一戮。本文绪论部分介绍了矢量水昕器相关理论技术的基础知识，综述了国内井遂方瑟熬发震、挟凝，镶读毒袁一个全瑟戆基本斡了鳃。关键词：矢量水听器；矢鬃声场；矢量信号处理；p e k e r i s 波导；侧面波；矢避水听器频域模型；声艟流；概率密度；水声工程1 i矢燕声场奄矢量攘弩处理理论骚变a b s t r a c ts o u n dp r o p a g a t i o na n ds i g n a lp r o c e s s i n gm o d e la r et h et w of u n d a m e n t a lt h e o r i e so fu n d e r w a t e ra c o u s t i cs y s t e m s ，w h i c ha r et h es a m et ot h a tb a s e do nv e c t o rh y d r o p h o n e m e nv e c t o rs e n s o rp r o c e s s i n gt e c h n i q u e sh a v es h o w nm a n ya d v a n t a g e st h a np r e s s u r ea f t e rm o r et h a nt e ny e a r so fr a p i dd e v e l o p m e n t ，i ti sn e c e s s a r yt od om o r ef u n d e r n l e m a lr e s e a r c h e so np h y s i c sa n ds i g n a lt h e o r yt oe x p l o r et h ep o t e n t i a lo fv e c t o rh y d r o p h o n em o r es p e c i f i c a l l ya n de f f e c t i v e l y w ea t t e m p tt om a k ep r o b ef u n d e r m e n t a l l yi na b o v et w oe s p e c t si nt h et h e s i s n e a rd i s t a n c ea c o u s t i cf i e l d sa r ep a y e da t t e n t i o ni ni n t e l l i g e n ta c o u s t i cm i n ea n dt h em e a s u r e m e n to f t r a n q u i lt a r g e t s r a d i a t ef i e l da n da c o u s t i cf e a t u r em o n i t o ro f t a r g e t si nt h eh a v e n ，e t o s oi nt h et h e s i sm e t h o d so f a c o u s t i cf i e l dp r o g n o s i so fn e a rd i s t a n c ea r ed i s c h s s e d l a t e r a lw a v ec o n t r i b u t e sg r e a t l yt on e a rd i s t a n c ea c o u s t i cf i e l d ，w h i c hi so n l ye s t i m a t e da p p r o x i m a t i v e l yi no p e nl i t e r a t u r ea n dt h e s eh a v eg r e a te r r o r s i nt h i st h e s i sa c c u r a t en u m e r i c a lp r o g n o s i sm e t h o df o rl a t e r a lw a v ef i e l di sg i v e n ，s ot h en e a rd i s t a n c ea c o u s t i cf i e l dm a yb ep r e d i c t e da c c u r a t e l y o n l yb a s e do na c c u r a t ep r e d i c t i o no fn e a rd i s t a n c ep r e s s u r ef i e l dt h ep a r t i c l ev o l i c t yf i e l dc a nb ec a c u l a t e db yn u m e r i c a ld i f f e r e n t i a lm e t h o d t 1 l i si ss a t i s f i e db yt h en e a rd i s t a n c e a c o u s t i cf i e l dm e t h o ds t u d i e di nt h i st h e s i s s i n c ev e c t o rh y d r o p h o n ei sb e i n gw i d e l ya p p l i e ds t e pb ys t e p ，i ti sn e c e s s a r yt oc o m p r e h e n dn e a rd i s t a n c ev e c t o rf i e l d b yn u m e r i c a la n a l y s i sp h y s i c a lc o n c e p t sa b o u tt h ep a r t i c l ev e l o c i t yf i e l da r ed e s c r i p t e di nt h et h e s i s r e s u l t so fa c o u s t i cf i e l dp r o g n o s i so nw a v et h e o r y , n o r m a lm o d e la n dr a ym o d e la r ec o m p a r e d ，a n dt h ea p p r o x i m a t ed e g r e eo f t h el a t e rt w om o d e l si sg i v e n n o r m a lm o d ei sf i tt of o r e c a s tf a rd i s t a n c ea c o u s t i cf i e l d so n l y , b u tn o tn e a rd i s t a n c e r a ym o d e li sf i tt of o r e c a s th i g hf r e q u e n c ea c o u s t i cf i e l d s i f k h 1 0 0 ，r a ym o d e li sa c c u r a t ea d e q u a t e l y i nt h eo t h e rp a r to f 也et h e s i st h ef u n d a m e n t a lt h e o r i e so fv e c t o rs i g n a lp r o c e s s i n ga r es t u d i e d m e t h o d sb a s e do na c o u s t i ce n e r g yf l o ws o l v es o m e1 1 1哈衣滨工援大学蹲学经论文啊_ i 一 i 1 1 1 1 1 1 i i t i i i 萱奠i n h e r e n ts h o r t c o m i n g so ft r a d i t i o n a lp r e s s u r es i g n a lp r o c e s s i n gn l e 曲。幽a n di n c r e a s ep r o c e s s i n gg a i na n dd o ae s t i m a t i o na c o 潜a 。孓m e t h o d sb a s e do na c o u s t i ce n e r g yf l o wh a v eb e e nv e r i f i e dt ob ep r a c t i c a l l yu s e f u lb yt r i a l s a n dt om o d e lt h o s em e t h o 幽i sn e c e s s a r ya n dp r a c t i c a l l ys i g n i f i c a n t ，t h ef r e q u e n c ym e a s u r e m e n tm o d e la n di t sp a r a m e t e r sa r ed e d u c e di nt h et h e s i s b a s e do nt h i sm o d e li t sc o n v e n i e n tt oe x p r e s st h ep r o b a b i l i t yd e n s i t i e so fc r o s ss p e c t r u ma n da v e r a g ea c o u s t i ci n t e n s i t ya n dd o a ，a n dt om a k ed e e pa n a l y s i so f v e c t o rs i g n a lp r o c e s s i n gm e t h o d s p e r f o r m a n c es e q u e n t i a l l y b a s e do nt h ef r e q u e n c ym e a s u r e m e n tm o d e l ，p r o b a b i l i t yd e n s i t i e so fa c o u s t i ce n e r g yf l o w ss u c ha sc r o s ss p e c t r u ma n da v e r a g ea c o u s t i ci n t e n s i t ya l ed e d u c e d ，t h e nr o c ( r e c e i v e ro p e r a t i n gc h a r a c t e r i s t i c ) a n dv e c t o ra r r a y sg a i na r et h e o r e t i c a l l ya n a l y s e d i ni s o t r o p i cn o i s ef i e l d ，a c o u s t i ce n e r g yf l o w s r o ci s4 d bh i g h e rt h a np r e s s u r e s v e c t o ra r r a y sg a i ni sh i g h e rt h a nt h a to fp r e s s u r ea r r a y u n d e rt h ec o n d i t i o no fh i g hs i l l , t h ev e c t o ra r r a y sg a i nb a s e d0 1 1h i g ho r d e r ss u r p a s s e st h a tb a s e do na c o u s t i ce n e r g yf l o w s b a s e do nf r e q u e n c ym e a s u r e m e n tm o d e lp r o b a b i l i t yd e n s i t i e sa n dc r a m e r a ol o wb o u n d a r y ( c r l b ) o fd o ae s t i m a t i o na l ed e d u c e d a tl o ws n rd o ae s t i m a t i o ni sb i a s i fs n ri sh i g h e rt h a n7 d b h z ，t h ee s t i m a t i o ni sa l lu n b i a s e dm l e ( m a x i m u ml i k e l i h o o de s t i m a t i o i l ) a n di t sa c c u r a c ya p p r o a c h e sc r l b t l l es t u d i e so fn e a rd i s t a n c ea c o u s t i cf i e l da n ds i g n a lp r o c e s s i n gt h e o r i e sc o i n c i d ew i t hs i m u l a t i o n sa n ds e a ( 1 a k e ) t r i a l sr a t i o n a l l ye x o r d i u mo f t h et h e s i si n t r o d u c e sf u n d a m e n t a lk n o w l e d g ea b o u tt h e o r i e sa n dt e c h n i q u e so fv e c t o rh y d r o p h o n e ，a n do v e r v i e w st h ec o r r e s p o n d i n gd e v e l o p m e n ts t a t u sa th o m ea n da b r o a d ，s ot h a tr e a d e r sc a nh a v eag e n e r a la c q u a i n t a n c ew i t ht h e m k e y w o r d ：v e c t o rh y d r o p h o n e ；v e c t o ra c o u s t i cf i e l d ；v e c t o rs i g n a lp r o c e s s i n g ；p e k e r i sw a v e g u i d e ；l a t e r a lw a v e ；f r e q u e n c ym o d e lo fv e c t o rh y d r o p h o n e ；a c o u s t i ce n e r g yf l o w ；p r o b a b i l i t yd e n s i t y ；u n d e r w a t e ra c o u s t i ce n g i n e e r i n g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、数据和文献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外，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。作者( 签字) ：兰堡熊日期：撕毕年：z 月2 - 2 曰第l 章缀论第1 章绪论1 1 引言本论文围绕水声矢量系统关心的两个基础理论问题展开：一为矢量声传播，也称矢量声场，简称矢量场。声传播的研究，为水声模拟提供模型，也为水声系统的原理设计提供物理知识。第二个问题是矢量水听器信号处理建模，提出矢量水听器频域测量模型，建立起基于声能流的矢量水听器信号处理基础理论框架。这两个问题将分别在第2 和第3 章详细讨论，加上本章综述的矢量噪声场理论，读者可以从本文看到一个较为系统的水声被动矢量系统的基础理论框架。本章阐述了本论文的立题意义，简单介绍了矢量传感器的发展，综述了矢量场、矢量噪声场、矢量信号处理的理论、实验与应用研究的发展现状，最后介绍了本论文的主要研究内容。其中矢量噪声场一节为第3 章矢量信号频域建模提供了理论基础。1 2 立题意义海洋是地球的蓝宝石，2 1 世纪的人类将更多地依靠海洋资源。领海作为主权国家疆域的一部分，具有重要的主权利益和军事意义。特别是二战以后，海上军事安全与对抗更是从战略角度受到各国的重视与发展【“。无论海洋和平开发利用，还是军事安全与对抗，都以水下信息化为基础，并对信息的远距离传播、快速性、多样性、高精度等提出越来越高的要求。然而，由于海洋恶劣的条件，人们般仅能借助于遥感遥测获取和发送水下信息。迄今所熟知的各种能量形式中，声波在海洋中有最佳的远距离传播性能。因而，水声就成为海洋中信息传播的主要载体。声源发出携带信息的声波，通过海洋到达水声接收传感器或传感器基阵，连同海洋环境噪声被传感器转换为电信号，经过信号与信息处理，对目标存哈尔滨工撩大学 莓学经论文在与否做出判决，确定目标的个数、状态参数、种炎，或糟恢复目标发出的滚倍感，竣者反演海洋奔滚与边赛参数。这就是隶声系统工作的垒过程。自郎之万研制娃 第个压电石英水听器以来的近百年间，水声传感器大多是拳羲嚣，宅输爨拳声滋酌声嚣物理量。声莲楚标羹，繁焘声嚣不其鸯空间指向性，单个水听器不能测量目标方位，只能用多个水听器组成的基阵完残这任务，至今已经残熟。霆裁像任 霉其宅按本一样，簸着实黢蒋裂是声隐岛技术的发展，基于水听器的声纳系统耐临着许多自身难以解决的问题，爨臻低频慕瘁建经遭丈，攀魍燕麦线裂薄努在国蠢黪基标方疰分辫左、砉舷模糊问题等。嚣然孝蘧阵已发展褥拔为成熟，要解决这些阉题，裁缀姨貔瑗添理上罨求突破。声场兼有标量场和矢量场，典型桥鬟场是声压，热型矢壁场包括质点擐速、热速度、链移秘零压撵发等，瑟羹声波是缴波，摄速矢璧魄方囱赢接对应声波到达方向。因而人们研制出能同时共点地拾取声压和矢量信息的矢爨东瞬爨。近十多年来，露走步 对矢量信号处理遴萼亍了大霪的系绞的磷究，不仅解决了上面提到的两个问题，还提高了水声系统的性能，并融逐步应用于水声工稷实践，具体情况将在下疆几节介绍。矢量水声系统是以矢赞扬为物理基础的，然而目前这方面的公开文献还不多，已蠢文献对矢量场；s 均匀波成分，几乎没聋涉及。这一理论问题的深入研究，对在相对于海深的中近距离工释的水声系统，是有重要的理论与实践意义的。基于声能流的矢量信芍处理，是常规声蘧信号处理在矢量信号空间的延伸，在国外特别是俄罗斯和岛克兰以及国内，进彳亍了大量试验研究和初步f | 毫理论探索，但是基础理论獠架尚需深入研究并系统化。本题鲤针对上述两个理论问题，在总缡国内外已有研究成果的基础上，震开理论与实验磷究，充实完善有关酶理论框架，为浚焉豹矢量场物理磷究和矢量信号处理技术研究奠定一个较好的理论基础。第1 章绪论1 3 矢量水昕器1 3 1 试验与应用研究概况目前，在矢最水昕器测量系统和矢爨水昕器阵列研究与应用方面，处于颁宠遮像戆当震兹苏联( 俄罗蘩 ，美溺彝中国。俄罗斯远东科学院自二十世纪七十年代末八十年代初便开始了矢量水听器系绞豹溪究，列罴矢爨东瞬器基蛙( 霓霆1 t ) 在基本海、瘁更岛、勘察加半岛和南中国海等海域的大陆架和深海处进行了大量海试，对海洋耶境噪声场特性敷了十分细致的硬究。磅究缨暴表明，与单零瞬器提魄，平均声强的信噪比可以提高约1 0 - 2 0 d b i z j * l ”j 。擦秦；一着烂：摇“蹬瓣黼-图1 1 俄罗斯的矢量水听器测量系统f i g1 1l a y o u to f r u s s i a nv e c t o rh y d r o p h o n em e a s u r e m e n ts y s t e m八十年代矢量水听器基本能够满足水声工程应用的要求，前苏联相继开发了多种测量系统，如c f a c 一4 9 6 ( 图1 2 ) 、f h a - 2 0 1 、p f b 一2 6 和t a y i c 一8等。图1 2 俄罗斯c f a c 一4 9 6 低噪声测量系统f i 9 1 2r u s s i ac f a c 一4 9 6m e a s u r e m e n ts y s t e mf o rl o wr a d i a t i o nn o i s e3埝尔滨工獠大学瓣士学短论文i 1 1 1 1 1i 蔫i 宣眚黛嗣i 搿嗣捌黼v a l d i m i rs h c h u r o v 等人进一步将研究成果应用于实践。实现用单个矢摄隶褥器及平均声强糕搽溺戮了2 0 k i n 运箍麓潜艇瑟禄，实验缩莱示于圈1 3 。由图可知该系统柬宽约为2 0 。，实现了波束电子旋转并覆菔全方位。该实验谖强平筠黟强嚣鸯缀磐懿抗海洋醛凌臻声予撬熬懿力，并菸有双嚣标探溅熊力。图1 3 平均声强器探测到2 0 k i n 处的潜艇目标f i g1 3d e t e c t i n gs u b m a r i n ef i o m2 0 k ma w a yb ya v e r a g ea c o u s t i ci n t e n s i t y美国斯克利普斯海洋学组织( s c r i p p si n s t i t u t i o no fo c e a n o g r a p h y )下属的海洋物理实验室制作出两种完备的，基于动圈式地音探听器原理的矢量水听器。一种为1 2 个s w a l l o w 组成的自由漂浮装置( 可调整深度，自由漂流) 1 5 1 。【1 7 l ，另外一种称之为d i f a r ( d i r e c t i o nf r e q u e n c ya n a l y s i sa n dr e c o r d i n g 方位频率分析记录仪) ，应用于垂直线列阵【1 8 】。【2 l l ，分别如图1 4和1 5 所示。1 9 9 0 年，海军物理实验室于佐治亚洲以东6 0 0 k i n 的大西洋海域使用s w a l l o w 浮标装置进行了海上试验，对o 5 2 0 h z 的次声波声场进行了研究。d i f a r 运用常规和c a p o n 波束形成技术，近似对四个测量量进行自适应处理，相关文献对阵列的波束形成结果作了阐述【2 2 1 。美国和俄罗斯都发展了基于矢量水听器的无线电声呐浮标系统，如美国的航空无线电声呐浮标a n s s q 一5 3 ，a n s s q 一7 7 b ，俄国的p r b 2 6 。据资料表明，美国在s u r r a s s 系统中已经应用矢量水听器，并利用专利u s n 0 2 8 5 6 5 9 4 和u s n 0 4 1 7 9 6 8 2 解决了左右舷模糊问题。前苏联在八十年代末开始研制矢量水听器拖线阵，如b f a l 0 - 4 ，5 - 3 2 ，b f a l i 一9 一l7 5 和b f a 2 4 9 6 4 ，簇t 章绪论系统地研究了矢激水昕器拖线阵的姿态、拖曳速度和流噪声对矢爨水听器检涮往能豹影响。为羚，辩予矢量求听器多基遗声缡系统，美国醋开震基穑研究多年，主要技术应用于海军采购计划的型号中，如d i s t a n tt h u n d e r 系统，并重点磷究了浅海a s w 战孛豹应强，避在南韩滋东海躐帮孛藩系海逡 亍了试验。鬟黏萎骥嬖黔蒸图1 4s w a l l o w 浮体示意图图1 5d i f a r 声矢量传感器阵列f i g1 4l a y o u to fs w a l l o wf l o a tf i g1 5d i f a ra c o u s t i cv e c t o rs e n s o ra r r a y1 3 2 矢量水昕器分类声场矢量的测量已经有很久的历史【2 3 - 【2 5 j ，现代矢量水听器由1 9 4 2 年美国贝尔电话实验室设计的第个动圈式振速水听器j 开始，1 9 5 8 年，glb o y e r 成功研制了第一个声压梯度水听器【2 ”，随后的几十年时间里，矢量水听器技术得到了飞速的发展，灵敏度高、工作频率达2 0 k h z 的矢量水听器已经问世。动圈式【2 4 】 2 8 】、压电式【2 9 】【3 0 】、光纤式【3 l 】。和高分子式口4 】等多种矢量水听器技术正在百花竞放。矢量水听器由声压梯度水听器和声压水听器组成。声压梯度水昕器用来测量水下声场矢量( 声压梯度、质点振速、加速度或位移) ，是矢量水听器的核心部分，因此，矢量水听器的分类亦以声压梯度水昕器的分类为基准。声压梯度水听器按其所测量的物理量来分，可以分为：声压梯度水听器、位移水听器、振速水听器和加速度水听器。由于声压梯度、位移、振速及加速度之间存在确定的关系，知道其中之一就可以知道其余的量，因此，将以啥尔滨工摇大学博士学位论文上备种水昕器统称为声压梯度水听器或振遮水听器。按声臻横度拳瞬器溺蘩物理量黥空阕噙瘟焉戮分为：一维、二维帮三维声压梯度水听器。在结棱型式土声医揉嶷瘩嚼嚣露鞋分隽双声蓬隶唆嚣燮、不韵终麦墅鞠间掇球( 圆柱) 型。相应媳缝合传感器选露鞋分魏敷上各耪形式。双声压水听器型即是直接采用两只声压水听器而构成的，间隔定的距离。不动外壳型声压梯度水听器具有固定不变的外壳，双迭片式压电敏感元件固定于外壳上，压电板在沿其厚度方向的声压梯度的作用下作弯曲振动，这是后期的声压梯度水听器常采用的方式之一。这种振速水听器在1 0 0 h z 以下仍有指向性。同振球( 圆柱) 型声压梯度水听器由于该种水听器在水下声场的作用下同介质一起振动而得名。其原理为1 4 ”：在一个封闭的球( 圆柱)体内放嗣敏感元件，使整体平均密度等于水的密度，球( 圆柱) 体的几何中心与整体重心相重合，然后用柔软弹性材料将球( 圆柱) 体连接悬置于一个大质量框架上。当置于水下声场中，处于悬浮状态的球( 圆柱) 体将以其所在位置的水质点的振幅和相位作振动。球( 圆柱) 体内的位移、速度或加速度敏感元件将球( 圆柱) 体的这种振动转换成电信号，从而可以获得声场中水质点的位移、速度或加速度信息。其结构简图示于图1 6 。卜复合棒；2 一惯性质量：3 一外壳；4 一动圈；5 一永磁铁；6 一电枢：7 弹性连接；8 一线圈：9 一弹性连接；图1 6 同振型矢量水听器示意图f i g1 6l a y o u to fc o o s c i l l a t i n gv e c t o rh y d r o p h o n e矢量水昕器制作工艺的成熟发展为其在水声系统的应用奠定了基础。第1 章绪论1 ，3 3 灵敏度与相位特- i 生静止均匀理想介质中的谐和声场，其质点振速币、质点位移i 、质点加速度西及声压梯度即方向相同，且幅度及相位有确切的关系，如下式z = 一! ，口= j c o v ，v p = 一j c o p v( 1 1 )出上式中为角频率，p 为介质密度。对于声压梯度水听器，灵敏度习惯上用平面波声压灵敏度来表示。目前普遍采用标准声压水听器来校准声压梯度水听器的灵敏度。则由式( 卜1 ) ，声压梯度水听器的声压灵敏度( m 。) 、声压梯度灵敏度( m 。) 、加速度灵敏度( m 。) 、位移灵敏度( m ，) 以及质点振速灵敏度( 眠) 之间存在以下关系：m 。：竺m 。：上m ，= 旦吖。= l _ m ，( 卜2 )op cp cn 聊上式结果如图1 7 所示。对等式两端取对数，即可得到它们灵敏度级之间的关系。在测得其中之一后，必要时可根据以上关系式导出其余所有的值。图1 7 不同声压梯度水听器的灵敏度f i g1 7s e n s i t i v i t yo fd i r e c t i v es e n s o r sv e r s u sf r e q u e n c y声压是标量，声压水听器无指向性( 圆指向性) ，如图1 8 中图a 。声压梯度水听器的指向性图可以通过保持发射换能器的位置和发射功率不变，然后机械旋转声压梯度水听器，由电平记录仪获得，如图1 8 中图b 。由式( 卜1 ) 可见，不同声压梯度水听器的输出与声压之间可能存在9 0 。相位差，二者是正交信号，在某些信号处理算法前，如基于声能流的算法，须补偿该9 0 ”相位差。以振速为例，利用声场三个振速分量的加权线性组合可以使波束在三维空间旋转。以水平旋转为例，令：夏敏度哙尔滨工瓣大学建士攀经论文m 一鳓a 。声压传感器圆形搬两睦b 声匿撵度隶骣器瞩投子臻彝牲圈1 8 单个传感器指向性f i g 】。8t h ed i r e c f i v i t yo fas i n g l es e n s o rv 。( f ) = v ；( t ) c o s 妒, 十y y ( t ) s i n 矿，l v 。( ) = 一v 。( t ) s i n v + v y ( t ) c o s上式中矿为“引导方位”。蓿鑫标方位为( 繇，a ，) ，含振速为x ( f ) ，剡由式( 1 - 3 )可知：v a t ) = x ( t ) c o s ( o , 一矿) e o s 窈，( 1 4 )v a t ) = x ( t ) s i n ( o 。1i t , r ) c o s 6 9 s可见，) 和u ( f ) 亦具有偶极予搬向性，匕( ) 的疆向蛙壤大僮慈或= 矿缝，而v 。( f ) 的指向性零点亦在或= y 处。只要改变y 德，v ( f ) 和咋( f ) 的指向性即可在水平厕内实现瞧子旋转。指向性也可强垂直蔼内旋转，此不赘述。1 3 4 振速矢量水昕器时域测量模型4 4 】根据式( 卜1 ) 讨论，以振速矢量水听器为例+ 矢量水听器空间麸点嗣步溯燕声珏筘移袋点摄邃v 国静三个歪交分萋 v ；秽) ，v ，( f x v ；( f ) ；。考虑掰次独立测量，矢量水听器输出有：p 2+v 2v ，2v22考虑图1 。9 辑示坐拣系，滋g i v e n s 变换4 5 1 可皴雩罨裂旋转之蜃的质患振速7 ：；兰攀r p 叫咿叫p陵k k kf li = ip“n“捎1 章绪论v 制= 墨翌v 媳c o s 啦6 ，图1 9 振速在x ，y ，z 轴上的投影关系f i g1 9t h ep r o j e c t i v er e l a t i o n s h i po f a c o u s t i cp a r t i c l ev e l o c i t yi nz ，y ，za x e s其中，鼠 0 , 2 ，r ) ，口； - 7 r 2 ，7 r 2 ) 分别表示g i v e n s 变换的水平和垂直旋转角度。若目标位于远场，则口。= 0 。只考虑振速水平方向的旋转矢量v ，可以将矢量水听器输出的声压和质点振速等价写为下式：z ：lp( 1 7 )l v ，j 2 。m由h 5 1 可知，对于m 个独立测量样本，一般假设矢量水听器的输出z 为零均值高斯分布：f ( z ) ； 2 石d e t 【r b 一半e x p _ i 1t r r 一蹈r 】 ( 1 - 8 )其中，d e t 为行列式算子，t r 为矩阵迹的算子，矩阵r 为2 2 的协方差矩阵，r 。1 表示矩阵r 的逆，7 表示矩阵转置。r = e z z 7 i( 1 9 )e 为数学期望算子。例如，各向同性噪声场的噪声协方差矩阵r 。= 司ij 们0其中，盯：为声压的噪声平均功率。信号协方差矩阵为r 扩一f ：彳a ：l其中，仃? 为声压的信号平均功率，a = c o s ( 8 一只) 。用时域模型分析宽带信号是方便的，但是对于窄带信号，特别当环境噪声为色噪声，该模型的联合概率密度函数是难以写出的。9哈尔滨工程大学博士学位论文1 4 矢量物理研究与信号处理进展对于被动工作的水声系统来讲，基本的理论问题包括三个方面：声传播，环境噪声场，信号处理方法及其性能评估。矢量水声系统也是如此。对于某些特殊系统和特殊功能，还要考虑目标辐射特性和接收位置声散射特性。本文仅讨论矢量水声系统的上述三个基本问题。1 4 1 矢量声场国内在这方面较翠就开展了一些较为鏊本的研究，文献 4 6 卜一 4 8 j 计算了均匀无疆分矮中平瑟波、塔瑟波、犍嚣波振这场，研究了声匿场与振遽场的相关燃。球西波、j 空面波的声压场与振遮场棚位熬如图所示。霪l + 1 0 球蠢波( 左蚕) 、接瑟波( 毫强) 声场声匿与振邃豹鞠经羞f i 9 1 。1 0t h ep h a s ed i f f e r e n c eb e t w e e na c o u s t i cp r e s s u r ea n dp a r t i c l ev e l o c i t yi ns p h e r i c a l ( 1 e f t ) a n dc y l i n d e r ( r i g h t ) w a v ef i e l d s由上图可见，柱面波和球面波相似，波阻抗随鼢变化。警鼢足够大，z 。( ，) * p c( k r 1 ) ；在近场处，波隧靛为笈数，声压、振逮有陡知交手艺豹攘位麓，譬致宽蒂镶号声压与振遮摆关性下降：在极近场，郄k r “l 或r c 、胁时，波阻抗淘实数。近钕等于海水介质中平面滚的波辍抗；当声波频率，箨近第一除篱爰波麴裁壹壤率，波辍拭# ，) 建复数。在近程，绷嚣波不可忽略，波照抗z ( x ，) 为复数；农更避距离的低频，波阻抗与球蘑波楣pv辫划鞋删越mhx第1 章绪论近声压与振速有9 0 。相位差。声压与振速的相位差频率特性如图1 1 l ，水深为5 0 米，声源与接收点之间的距离是4 0 米。制1 5 0电1 0 0霉5 0蓍蒜o-，。_-仨o246葛1 01 21 41 61 82 0颡率，h zx 1 0 图1 1 1 二层流体中声压与振速的相位差频率特性f i 9 1 11t h ep h a s ed i f f e r e n c eb e t w e e na c o u s t i cp r e s s u r ea n dp a r t i c l ev e l o c i t yi nt h ew a v ef i e l do f t w ol a y e r sl i q u i d文献f 4 6 对于低频声波在圆柱薄壳上的散射声场进行了理论研究。假定薄壳是声学软边界，并忽略柱的有限长度对声场的影响，图1 1 2 给出嘲柱体声场畸交对方位测蠢静影响，左鹜接收距离与函柱半径之院彩抒= 1 3 ，右黼r a = 4 7 7 ，售号频搴取戈1 0 0 0 h z ，波数k = 2 蚓曼= 4 2 。图孛，煌线必不考虑散射场影响时的方位测量曲线，实线为总声场的方位测量曲线。图1 1 2 声场畸变对方位铡量的影响( 左隧r 甜= l - 3 ，右黼d a = 4 7 7 )f i g t 1 2e f f e c to f a c o u s t i cf i e l dd i s t o r t i o no i lb e a r i n gm e a s u r e m e n t ( 1 e f t ：r a = l 。3 。r i g h t ：r a = 4 7 7 )可以餐出，在圆柱体的近场，由于敝射声场的影响，总声场严重畸变，已不能对入射波的方位进行有效测量。而在圆柱体的远场，由予散射声场畸变的影响减小，依獭总声场仍可对入射波的方位进行有效测量。哈尔滨工程大学博士学位论文2 0 0 2 年以来，0 l e g e g u li n 和杨德森【5 0 等用解析一数值和内嵌相结合的方法对稳态矢量场建模。海洋波导为水平分层浅海，具有各种水文和各种海底结构，点声源辐射低频谐和声波，接收点在中远程。数值研究发现，水平声能流与声压强度具有相似性，而垂直声能流则不然，因为海洋波导具有上下界面，波在界面上发生反射，垂直声能流没有常规的平均成分，而只存在由模间干涉产生的振荡起伏成分。该方法可用于精确计算并简洁表达低频浅海分层模型中传播损失的平均规律( 以前的方法都是近似方法) ，以进行试验预报。实际上，波导中声场由简正波和非均匀波两部分叠加构成 5 2 - - 5 5 ，g u l i n和杨德森的方法只计算简正波矢量场，却忽略了在中近距离起重要作用的非均匀波矢量场。y a r o s h c h u ki 0 、杨德森与0 e g u l i n 5 1 】研究分层随机非均匀浅海中矢量场的统计模型。针对有限尺度声源和海面动力噪声，同时分析标量和矢量声场。原来的线性波动方程，被演化为随机变量方程。解法上，作者们采用解析一数值统计仿真相结合的方法，计算任意阻抗海底的简正波。在扩散近似条件下，该方法具有较高精度，能有效计算用简正波和汉克尔积分式表达的随机声场。文献中考虑了声速起伏，分析了声压振速的功率特性和声能流的传播特性。该矢量场统计模型同样只计算了简正波矢量场，忽略了非均匀波矢量场。1 4 2 矢爨噪声场由公开发表的文献推测f 2 l - 渊，俄罗斯远东科学院自二十徽纪七十年代末蘧过大爨静海上试验( 冕圈1 1 ，对海洋繇凌臻声场特悭徽了卡分镏致豹磷究，主要的工 乍集中农以下几个方嚣；( 1 ) 提出一种将环境噪声场分为各向同性和相干成分的近似的简单算法，对不同海况下海洋环境嗓声场中的各向同往和相干成分的关系进行了分柝。( 2 ) 对海洋l 环境噪声突闽方自然进纾了研究，确定了在不嗣频段起主要作用的噪声源。簿1 章臻论( 3 ) 分析了海洋动力噪声能流统计特性与测崖深度及海洋表面粗糙度的关系。( 4 ) 分析了海洋环境噪声和局部声源声能流的相互影响。指出，由于环穗噪声秽蜀部声源反螽声麓流静羝澄 笮掰，簿低了囊点援速窝声匿在垂赢帮水平方向的相干性。( 5 ) 对平均声强器的抗各向同性干扰能力进行了研究。这个问题在文献 5 6 中也得到讨论，l oe y - 在试验水池以喷头水滴引起的各向同性噪声对平均声强器的性能进行了定性评估，结论是平均声强器的抗各向同性干扰能力随着积分时间的增加而增强。矢量噪声场理论建模方面，m a l c o l mh a w k e s 5 7 1 、孙贵青【5 8 】、孟洪【5 9 】和孙岩松 删等从不同条件出发，进行了详细研究，并与实验结果进行了比对。文献 5 7 】 5 9 】中假定各个空间方位传播来的噪声是相互独立的平面波，且为窄带信号。当噪声源的空间分布分别满足水平轴对称、水平轴对称且俯仰对称，或各向同性时，空间两点矢量水听器噪声输出的协方差矩阵具有不同形式。特别对各向同性场中同一点的协方差矩阵，有如下简洁形式r 。1o0o01 300001 300001 3( 1 一1 2 )上式为功率归一化的形式，说明各个方向振速功率相等，总和等于声压功率，声压与各个振速分量相互独立。图1 1 3 给出空间两点矢量水听器各输出分量间的互相关系数，横轴为两矢量水听器的间距( 以波长为单位) 。其中，实线表示声压互相关系数，虚线表示声压与振速互相关系数，点划线表示不同方向振速的互相关系数，小点表示同一方向振速互相关系数。由图1 1 3 可见，无论如何布阵，都不可能使协方差矩阵为对角阵。文献 6 0 1 对海面均匀分布的独立噪声源形成的水下噪声场做了详细研究，而且是宽带噪声场。基本思想借鉴上面的方法，在窄带噪声基础上，根据帕斯瓦尔定理，做频域积分得到宽带噪声场的协方差矩阵。分析中考虑了海面噪声源辐射的垂直指向性，如图1 1 4 中k 】。的。哈尔滨工程大学博士学位论文图1 _ 1 3 各向同性噪声场中空间互相关系数( 横坐标单位：波长)f i 9 1 1 3c r o s s c o r r e l a t i o n si ns p a t i a l l y - i s o t r o p i cn o i s e；= =，_ 一- 一乏眦鼎强1 + 1 4 海瑟噪声场鲍咒舞模型f i 9 1 1 4l a y o u to f s e as u r f a c en o i s es o u r c e s d i s t r i b u t i o n例如，假定每个海面噪声源为偶极予源，矢量水听器归化协方蓑矩阵有如下形式r 。=1002 301 400001 1 482 3001 2( 1 1 3 )上式说明声压与水平振速分董相互独立，而与垂直强速相关，振速甄相独立。图1 1 5 左圈中，点翊线表添声聪的稻关系数，实线表示水平遴道质点振速的1 4筵l 章缝论相关系数，虚线表示垂直通道的质点振速相关系数。右图表示声压和垂随通邋覆点掇速海穗关系数。i 蛰1 1 5 乎嚣器囊囊黢噪声场中戆空润稳关系数( 横攫嚣摹袋：波长)f i 9 1 1 5c r o s s * c o r r e l a t i o n si ns u r f a c e i s o t r o p i en o i s ef i e l d1 4 3 矢量水听器信号处理研究概况以美国耶鲁大学电子工程系a r y e n e h o r a i 和m a l c o l m h a w k e s 为代表的一批学者，在矢量传感器阵列信号处理的理论研究方面，做了一系列工作。1 9 9 4年发表的文献【6 1 】，针对平面波信号和空间白噪声背景，提出矢量阵的时域测量模型，推导了多传感器多目标d o a ( 波阵面到达方位) 估计c r b ，提出两种基于单矢量水听器的d o a 估计方法声能流法和振速特征值法，指出矢量阵的优点：小尺度矢量阵达到大尺度声压阵的测向性能，单个矢量水昕器即可分辨两个同频目标，矢量阵不受r a y l e i 曲限限制。该文献给出了任意阵形矢量阵方位估计性能的评价标准c r b 。1 9