（水声工程专业论文）矢量传感器测向技术研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 波束形成及解析声强流波束技术，给出了湖试、海试试验研究结果，并从实 验中总结出一些矢量阵信号处理的实用技术。一种提高矢量阵测向精度的方 法也在该章进行了介绍，并给出了仿真结果。 矢量传感器及其信号处理技术是一门新技术，声压一振速联合信号处理 技术方兴未艾，有待于进一步地研究和实践。由于作者水平所限，难免文中 存在不当或遗憾之处，望该项研究工作能为矢量传感器定位技术的发展尽微 薄之力吧! 关键词：矢量传感器；声压一振速联合信号处理：声能流；矢量线列阵 i i 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ev e c f o rs e n s o ri sc o m p o s e do ft w oo rt h r e es p a t i a l l yc o l l o c a t e d b u t o r t h o g o n a lo r i e n t e dp a r t i c i ev e l o c i t ys e n s o r s ( p r e s s u r eg r a d i e n t s e n s o r s ，a c c e l e r o m e t e ro rd i s p l a c e m e n ts e n s o r s ) w i t ha no p t i o n a c o ll o c a t e dp r e s s u r es e n s o r v e c t o rs e n s o rm a ym e a s u r e sa n dc a p t u r e s t h ei n t e r e s t i n gi n f o r m a t i o no ft h ev e c t o rf i e l do ft h es o u n dw a v e c o m p a r i n gt op r e s s u r es e n s o r ，t h ev e c t o rs e n s o rg e t sm o r ei n t e r e s t i n g i n f o r m a t i o nf r o ma c o u s t i cf i e l d ，t h em o r ei n f o r m a t i o nw ec a t c h ，t h e m o r eg a i no fa r r a yw i l lb eg o t t e n ，t h u s ，t h ec a p a b i l i t yo ft h es o n a r w 儿lb ei m p r o v e d h o wt og e tu s eo ft h ei n f o r m a t i o n c a u g h tb yv e c t o rs e n s o rc o r r e c t l y a n dr e a s o n a b l y ，i n c l u d i n go ft h ep r e s s u r ei n f o r m a t i o na n dp a r t i c l e v e l o c i t y ( v e c t o rf i e l d ) i n f o r m a t i o n ，i st h et o p i co fm a k i n gt h e t e c h n o l o g yo fv e c t o rs e n s o ru s i n gi np r a c t i c a le n g i n e e r i n g ，w h i c hm u s t b es o l v e df i r s t i nv i r t u eo f d e f i n i n g c o m p l e xa n a l y t i ca c o u s t i c e n e r g yf l u x ”，t h em a i nc o n t e n to ft h et h e s i si st h et e c h n o l o g yo f d e t e c t l n gt h et a r g e tu s l n gv e c t o rs e n s o ro rv e c t o ra r r a y ，s e t t i n gf o r t h t h ep r i n c i p l eo fd e t e c t i n gt a r g e ta n dt h ec a p a b i l i t yo ft e l l i n ga p a r t s e v e r a lt a r g e ti nu s eo fas i n g l ev e c t o rs e n s o r ，r e s p e c t i v e l ya n dt h e t e c h n o l o g yo fb e a m f o r m i n gb a s e o nv e c t o ra r r a y i nt h ef i r s tc h a p t e ro ft h i st h e s i s ，s e t sf o r t ht h ep r i n c i p a lo f d e t e c t i n gt a r g e ti nt i m e d o m a i na n df r e q u e n c y d o m a i n ，a tt h es a m et i m e ， p r e s e n t st h ef o r m u i ao fe s t i m a t i n gt h eo b j e c td i r e c t i o na n dt h ef o r m u l a o ft h ee s t i m a t i o ne r r o r a tt h eh a l fo ft h i sc h a p t e r a n a l y s i st h e e x p e r i m e n tr e s u l t sd o n ei nb a n ko rl a k e ，w h i c hs h o w st h a ti ti s r e a s o n a b l eo ft h et h e o r ya n dm e t h o do fe s t i m a t i n go b j e c td i r e c t i o n t h em o r es t u d i e so fp r a c t i c a le n g i n e e r i n gm a yb ed o n ei nf u t u r e t h ec o n c e p to fa n a l y t i ca c o u s t i ce n e r g yf l u xi st h eb a s is o f p r e s s u r ea n dp a r t i c l e v e l o c i t yc o m b i n e dp r o c e s s i n g ，i st h eb r i d g e b e t w e e nt h et e c h n o l o g yo fg e n e r a la c o u s t i cp r e s s u r es i g n a lp r o c e s s i o n a n dt h et e c h n o l o g yo fv e c t o rs e n s o rs i g n a l p r o c e s s i o n a tt h et h i r d c h a p t e ro ft h i st h e s i s 。p u t sf o r w a r dt w ok i n do fd e f i n i t i o no fa n a l y t i c a c o u s t i ce n e r g yf l u x ，a n a l y s e st h ei n n e rm e c h a n i s mw h i c ha n a l y t i c a c o u s t i ce n e r g yf 1 u xi su s e di np r e s s u r ea n dp a r t i c l ev e l o c i t yc o m b i n e d s i g n a lp r o c e s s i n g ：i ti sd i s c u s s e dt h a t e s t i m a t i n g t h eo bj e c t d i r e c t i o ni nu s eo fa n a l y t i ca c o u s t i c e n e r g yf l u x ，t h em e t h o do f 1 1 1 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i i i i ；i i ；i ；i ；i i i ；i i i i z = ；i i i ；i i - t - i ；i i ；i ；i i i ；i i i i e s t i m a t i n gt h eo b j e c td i r e c t i o nb a s e o na n a l y t i ca c o u s t i ce n e r g yf l u x i sa l s ob es e tf o r t h as i n g l ep r e s s u r es e n s o rc a n te s t i m a t et h eo b j e c td i r e c t i o n ， b u tas i g n a lv e c t o rs e n s o rc a nd o ，a n df a t h e rm o r e ，t h el a t e rc a na l s o t e lla p a r ts e v e r a lt a r g e t sa tt h es a m et i m e i nt h ef o u r t hc h a p t e r ， i ti si i l u s t r a t e 6t h a td i s t i n g u i s h e ss e v e r a lt a r g e t sd i r e c t i o nb y t h em e t h o do fl o f a ra n dd e m o ns p e c t r u ma n a l y s i sw i t has i n g l ev e c t o r s e n s o r ，w h i c hi st e r r i f i e dt ob ed o a b l e t h et e c h n o l o g yo fv e c t o ra r r a ys i g n a lp r o c e s s i o ni sa l s ot h e c o n t e n to ft h i st h e s is f i r s t ，i tp u t sf o r w a r dt h et e c h n o l o g yo f b e a m f e r m i n ga n dt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l td o n ei nl a k ea n di no c e a n ， f r o mw h i c hc a nc o n c l u d eal o to fp r a c t i c a lt e c h n o l o g ya b o u tv e c t o r a r r a ys i g n a lp r o c e s s i o n as i m p l em e t h o da n d i m ir a t i o nr e s u l to f i m p r o v i n gt h ep r e c i s i o no fe s t i m a t i n go b j e c td i r e c t i o ni sa l s ob ep u t f o r w a r di nt h i st h e s i s t h et e c h n o l o g yo fv e c t o ra r r a ys i g n a lp r o c e s s i o ni s an e w t e c h n o l o g y ，t h et e c h n o l o g yo fp r e s s u r ea n dp a r t i c l ev e l o c i t yc o m b i n e d p r o c e s s i n gi sy o u n ga n dv i t a l ，w a i t i n sf o ro n et os t u d ya n dp r a c t i c e f u r t h e r m o r e 。a st h ea u t h o r sa bi li t yisl i m i t e d r e g r e ta n d 1 i m i t a t i o nm i g h th a v es t a y e di nm yt b e s is ，ih o p et h a ti tisu s e f u l t ot h e t e c h n o l o g y 7 sd e v e l o p m e n t ，w i t hw h i c he s t i m a t e so b j e c t d i r e c t i o nb yv e c t o rs e n s o r k e y w o r d ： v e c t o rs e n s o r ；c o m b i n e ds i g n a lp r o c e s s i n gw i t ha c o u s t i c p r e s s u r ea n dp a r t i c l ev e l o c i t y ：a c o u s t i ce n e r g yf l u x ； a c o u s t i cv e c t o r s e n s o r1 i n ea r r a y ： 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) ： 日期：年月日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 1 矢量传感器简介 第1 章绪论 1 1 1矢量传感器结构 矢量传感器的工作原理和结构方式，都不同于传统声压传感器。声压是 标量，单个声压传感器无声场的方位信息，即不能确定目标方位：而声场兼 有标量场和矢量场，所以，传统声压传感器未能充分利用声场有用信息。矢 量传感器( v e c t o rs e n s o r ) 是用来测量水下声场矢量的一种声接收器，它可 以拾取除声压信号外的其它信号，如声压梯度、质点振速、加速度、位移和 声强等。矢量传感器可由声压传感器与直接或间接测量振速的传感器等 以不同方式同心地组合而成，见图1 1 所示。 图1 1 矢量传感器结构示意圈 哈尔滨 ：程大学硕士学位论文 1 1 2矢量传感器指向性 矢量传感器具有偶极子指向性，如图1 2 所示。单矢量传感器的四个( 三 维) 输出分量进行各种线性组合后，可形成富有想象力的双边( 对称的两个主 极大) 及单边( 一个主极大) 的指向性图3 ，如图1 4 所示。图中，组合指 向性月。( 曰) 、尺，( 口) 、r 。( 曰) 、r 。( 0 ) ，在平面波条件下，以公式表示为： 1 r 。( 目) = 圭i i v ，( t ) c o s q ) + v y ( t ) s i n 妒) = c o s ( o 一妒) 蹦沪击 - v 儿) s i n q ，+ v y c o s 炉盛n ( 弘p ) 蹦俨赤叫喊( 纠= s i n2 ( 竿) = 赤川聊) 】= 扣( 竽) _ s i n ( 竿) 2 式中，x ( t ) 为相干源信号，0 为目标方位，考察二维平面，阱x 轴方向为 0 零度。矢量传感器组成直线阵后，可形成如图1 3 所示指向性图3 。 剧1 2 单矢量水听器指向性图图1 3 二元直线阵指向性 哈尔滨工程大学硕士学位论文 露! 霪 兄_ 卿焉栅 图1 4 单传感器双边及单边可电子旋转的指向性( 渺= 4 5 。) 为了提高单矢量传感器的方位分辨力和测向精度，可采取一定的方法锐 化其指向性“1 。利用声压一振速组合传感器并联合处理二者的信息就可得到锐 化的指向性，其原理图示于图1 5 ，一个经锐化后的指向性图示于图1 6 。 图1 5 指向性锐化原理图 图1 6 锐化的指向性图 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 1 3矢量传感器的特点 根据国、内外研究成果，矢量传感器的特点可归纳为：具有与频率无关 的余弦指向性，在三维各向同性干扰场中其最大指向性指数可达5 分贝之多； 一维矢量传感器可以区分左右模糊或上下模糊；二维矢量传感器可以进行水 平面或垂直面无模糊的波束扫描；三维矢量传感器可以全空间无模糊地波束 扫描；矢量阵空间增益大于同样尺寸的声压传感器阵。因此，单个矢量传感 器即具有很高的性价比和优良的实用价值。 矢量传感器有许多传统声压传感器所不具有的优点，这主要得益于以下 几个原因。首先，矢量传感器能利用更多的声场信息，这点在前一段已提到 过。其次，矢量传感器成阵后，相对于相同样条件下的声压传感器阵，能获 得更大的空间增益。单个矢量传感器的指向性具有不随频率变化的8 字型指 向性，因此，由其组成的矢量阵能形成较尖锐的指向性，从而增大了基阵的 空间增益。再次，单个矢量传感器便具有测向性能。声场是矢量场，矢量场 中含有目标声波传播方向的信息，矢量传感器提取了这些信息后，就可以测 定目标方位。 除上述特点外，矢量传感器偶极子指向性的零点，尤其是它的各种组合 指向性的零点能有效地用于抗相干干扰，具体做法是将其指向性的零点方向 对准干扰源。而且，矢量传感器的指向性零点可方便地电子旋转，矢量阵具 有各阵元可旋转的指向性零点，这将给自适应波束形成带来新的有利因素。 同时，它的单边指向性将使透声体积阵为克服散射声场破坏声“透明”的困 难减少。 矢量传感器得到了诸多好处的同时，也要付出相应的代价。获得矢量阵 空蒯增益，其代价为阵通道数量是声压传感器阵的三倍，当然，以当今大规 模集成电路技术及信号处理速度此代价并不算大问题。作为新生事物，矢量 传感器生产技术和加工工艺，以及阵列处理技术等在水声领域的应用和推广 都面l 临着理论和工程应用的诸多新问题。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 2 声压一振速联合信号处理 声压和质点振速均携带目标和环境信息，为什么不同时、而且是联合处 理它们的信息呢? 最早的联合处理声压和振速应用在水声测量领域，用声强 流测量实现直接测量声强。之后，国内、国际上有众多的科研工作者投入到 这项新技术的研究工作中，联合信号处理技术取得了一定的发展。 单个小尺度声压传感器不能用来估计目标方位，必须用声压传感器阵才 能估计目标方位。声压和振速传感器组成一个整体，称为组合传感器。联合 处理其输出的声压和振速信息的过程称为联合信号处理。利用小尺度的组合 传感器就可以估计目标方位，称之目标方位的声压一振速联合估计。 美国在1 0 年前已开始关注振速传感器在声呐中的应用，并最早将多偶极 子传感器用于声呐浮标，近年来还探索了矢量传感器成阵技术。据资料介绍， 美国的矢量传感器已走到了工程应用的发展阶段”“”引“。前苏联对矢量传感 器及联合信号处理已有多年深入研究，但很少见诸于公开文献，可能己摸索 出较实用的一些传感器加工和信号处理办法。 国内也有大批科技工作者投入到矢量信号和矢量阵信号处理中，并已基 本建立了整套联合信号处理的算法模型。本文通过计算机仿真，湖试和海上 试验，验证了该套联合处理算法的可行性。 传感器只能在p ( 声压) 及其变换域进行信号处理；而矢量阵则可在 p 、 v 、 p ，v 、 p ，p v 、 p ，v ，p v 等各种组合及相应的变换域进行信号处理， 因而有更多的方法来实现信号处理。本文基于解析声强流的新概念进行 矢量传感器信号处理，实现了基于“解析声强流”的波束形成和信号检测。 。鳃析声强流是把解析函数理论应用于声矢量信号处理分析中，定义 为声压和解析振速的乘积。通过对基于解析声强流矢薰传感器和矢量阵信号 处理，可实现目标定位、目标跟踪等常规信号处理功能，同时，还可实现常 规声压传感器或常规阵无法实现的功能，如：克服了真线阵的左右模糊 等。声压一振速联合信号处理是一门方兴未艾的科技。 哈尔滨上程大学硕学位论文 1 3 矢量传感器测向及相关问题的综述 1 3 1 矢量传感器测向 矢量传感器由传统的声压传感器和质点振速传感器复合而成，因此它可 以同步、共点测量声场空间一点处的声压和质点振速的正交分量，由此得到 目标的幅度和相位信息，为改善声呐的参数估计性能提供了一种可能。 所谓目标定位是指：对目标进行测向、测距及对目标进行跟踪。提高声 纳的定位精度、测距精度及跟踪能力是提高声呐作战能力的关键之一。目标 方向的估计一直是水声阵列信号处理研究的热点。传统的阵列信号处理用空 问上布置的声压传感器阵接收目标辐射的声信号，利用基阵各基元接收的目 标辐射声压信号的时延差估计目标方位。 单个矢量传感器便可以测定目标方位“”“6 “”蚓；由矢量传感器组成的直 线阵具有区分左右的能力。对于声压一振速传感器，振速方向郎为声波传 播方向，所以单个矢量传感器即可测定目标方位。同理，声压一振速传感器阵 的各阵元振速方向即为目标幅射声波的方向，即矢量阵具有区分左右的 能力。当然，实现上述功能，要解决涉及到声压一振速联合信号处理等一系 列难题。 1 3 2 声压与振速的相关性 利用矢量阵测向前首先要研究声压与振速的相关性问题。哈船院的研究 成果表明：对于有限尺度声源的辐射声场，称之为相干源信号，它的声压 和振速是完全相关的；而对于各向同性噪声场，称之为非相干信号。它的声 压与振速是不相关的。海洋环境动力噪声、流噪声均是非相干信号，2 0 0 3 年 湖试，验证了流嗓声的声压和振速的相关性，试验采用用八只矢量传感器按 半波长等间距组成直线阵，信号处理带宽为1 2 0 0 1 5 0 0 h z 。分别分析了同一 阵元声压、振速相关性和不同阵元声压和振速相关性。分析结果示于下图。 啥尔滨工程人学硕士学位论文 从图中可看出，流噪声在分析带宽内声压、振速相关系数很小。 图1 7 同一阵元声压一振速信号相关性 图1 8 不同阵元问声压一振速信号相关性 这一结论是声压与振速联合信号处理抗干扰的物理基础。 1 3 3平面波、球面波矢量场中测向 假定干扰是各向同牲的带限高斯白噪声，目标是点源，辐射c w 信号。谐 和平面波声压p 可表示为： 尸= 4 e x p ， 缸c o s 口s i n 伊+ k y s i n o c o s q ，+ k z c o s o k = w e 为波数，c 是声速，w 为角频率。声波传播方向( 即目标方向) 为 ( 臼，妒) 。0 为水平角，妒为目标径矢量与z 轴夹角，以z 轴为零度方向。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 均匀介质中声场的运动方程为。”： 业+上即=00t , o o 1 其中，v 为振速，肪为介质密度，符号v 表示对空间坐标的梯度运算。 出上两式可得：v = v 。i + v j + v ：k 如= 面pc o s o s i n f a z y = 考s i n o s i n f a 您= 寺s i n 妒 v x ，v y ，v z 是直角坐标的3 个速度分量，它们是声压除以阻抗在3 个正 交轴的投影分量。由e 几式可得： t g o = v 玩y 伊= t g - 1 瓦v y 1 3 4各向同性噪声场的相关矩阵 在各向同性噪声场中，3 个振速分量及声压均相互独立。则组合传感器 的输出可表示为观测矢量e ： 善= i 专，最，舌，氧f l = p o c v ，( f ) f 2 = p o c v v ( f ) 善，= p 。c v ：( f ) ，毒。= p ( t ) 则噪声矢量r l 可表示为： n 7 = 瞰f ) 7 1 2 ( f ) ，吩( f ) n 4 ( f ) j = i 岛c ( f ) ，c o c ( f ) ，p o c v 。( t ) ，( 叫 因为矢量n 的各分量互相独立，所以它的相关矩阵是对角阵。可推知 为： 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 3o00 n = b 01 3o0 00l 30 l0 00l 其中，b 是以声压计量的噪声强度。 1 4 本论文研究内容及安排 本论文主要研究三方面内容，一是解析声强流介绍；二是单矢量传感器 测向原理及方法，以及单矢量传感器进行多目标分辨方法，并给出了计算机 仿真及湖上实验结果；三是介绍了一些矢量阵波束形成算法，给出了几类解 析声强流波束形成方法，给出了一种矢量阵精密方位估计算法，分析了矢量 阵湖试结果。具体内容及安排是： 单矢量传感器测向 在论文的第2 章中介绍。包括方位估计原理、最大似然估计的公式推导、 方位估计的时、频域分析方法，湖试、海试试验结果及数据分析等。 解析声强流概念介绍 解析声强流是矢量传感器信号处理基础，本论文在第三章中对其进行了 系统介绍，介绍了它的定义及基于解析声强流的测向方法。 单矢量传感器多目标方位分辨： 在论文的第四章，从d e m o n 和l o f a r 谱分析两方面，介绍了单矢量传感 器实现多目标分辨的方法，并分析了仿真或湖试试验数据，分析结果表明理 论与实际取得了较好的一致。 矢量阵测向研究 矢量阵信号处理也是本文的内容之。矢量阵信号处理首先是实现波束 形成技术，而且波束形成技术是矢量阵测向研究的主要内容。有些常规声压 阵波束形成技术，可直接应用于矢量阵。波束形成后的信号处理技术基本与 常规声压阵相同，该内容未在本文中讨论。众所周知，常规阵测向精度要受 哈尔滨工鞋人学硕 学位论文 波束主瓣宽度的约束，矢量阵也不例外，文中尝试了一种提高矢量阵测向精 度的方法。 1 5 本章小结 矢量阵及联合信号处理是新技术，有关的定位技术也有新的内容。近年 来，美国和俄罗斯等水声强国正大力发展矢量传感器技术，并进行了试验研 究，美国海军甚至开发了矢量信号处理的专用d s p 器件。矢量传感器是由处 在空间同一位置上的声压传感器和振速传感器构成，它可以同时测量声场空 删同一点的声压和振速的分量，因此矢量传感器比传统的声压传感器可获得 更多的声场信息，联合处理这些信息将比单纯处理声压信息获得更多的好处。 与此同时，利用矢量阵测向的新技术，可使测向糖度指标突破波束主辨宽度 的制约。 本章为该论文的绪论部分，先简单介绍了矢量传感器的物理结构、组合 指向性图的特点；接着概述了声压一振速联合信号处理的相关知识，包括矢量 传感器声压与振速的相关性、平面波和球面波矢量场及各向同性噪声场：最 后，还介绍了本论文主要研究内容及布局。 哈尔滨_ = ：程大学硕士学位论文 第2 章单矢量传感器方位估计 2 1 单矢量传感器方位估计原理 2 1 1 单矢量传感器测向原理 质点振速是矢量，而且振速方向与声波传播方向一致，于是单个振速传 感器就能提供声场的方位信息。而且矢量传感器的振速传感器响应振速在各 轴上的投影分量，具有c o s o 形式的指向性，并且该指向性与频率无关，实 验证明2 0 0 m m 的三维振球型矢量传感器的测量频带可达2 0 1 0 0 0 h z 。这一特 点为单矢量传感器的广泛应用提供了可能，尤其在目标方位测量方面的应用 前景被看好。 下面介绍单矢量传感器测向原理。声场是矢量场，声波是纵波，所以矢 量传感器的振速传感器所测到的振动方向( 振速帚) 及声强流p v ( p 为声 压) 方向，与声波的传播方向一致，即该声波方位便是目标方位，测量 p ( t ) v ( t ) 的方向即可得到目标方位。如图2 1 所示，s 为目标，矢量量传感 器放在原点，以x 轴正方向为零度，p v x 、p v y 是声强流矢量在x 轴和y 轴上 的分量。 p v x 图2 i 单矢量传感器测向示意图 根据上图，运用几何学解三角形便很容易得到目标方位是： 口：丝( 2 - 1 ) p v 。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 设测量带宽为b ，观测时间为t ，t = k t ，采样间隔为r ，设m = 2 b t ， m 称为自由度，即独立观测点的总数。则( 2 1 ) 式可细化为： 0 ：辔p v ! _ y ：辔 p v 百1 , 1 4p ( x ) 0 ( x ) - 1 k = l 寺p ( 世) 以( 足 k x l 根据( 2 - 1 ) 式，可画出单矢量传感器测向原理框图： 嚣佣胛 叫： 吨 接 ， 式 井 重 ( 2 2 ) 图2 ，2 单矢量传感器时域测向原理框图 按上式和上原理框图，便可以实现单矢量传感器时域测向。但此测向方 法仅适用于单目标情况下，对存在多目标相干源时，此公式和算法的测向结 果不准确。 2 ，1 2 理想条件下有规信号点目标方位的最大似然估计 目标方位估计内容在诸多文献都有论述“”“”。“2 “1 。设目标为辐射c w 信号的点源，干扰噪声为备向同性的带限、高斯白噪声。测量带宽为b ，观 测时间为t 。m = 2 b t ，m 称为自由度，即独立观测点的总数。考察二维情况， 可给出d o a e e ( ) 表示统计平均，黼表示取绝对值。a m 为q 的( 1 ，m ) 阶余，q 为信号 加干扰的相关矩阵式。即： = 一p i i ，侈 h 一 乞 k 曼 一 畸 i 。3 一 式3 = 公 ；， 耐岛 哈尔滨j = 程大学硕士学位论文 q = | ； + 慕豢：鞠 扯躺= 乒v 。， 方位估计的方差为”1 整理后可得 咖h 鲁，吲觋 ， 1 rs _ l 2 面l 万l 其礼m = 2 b t ( 2 。4 ) 可见，测向方差与目标输入信噪比，与信号处理带宽及积分时间成反比。 对于c 臀信号，测向公式又可写为： 炒等 式中，和表示振速在y 轴分量和x 轴分量的振幅。 相应地，目标方位估计也可以改写为：痧= 留1 笋 上式的分子与分母同乘声压p 可得： 嘞。1 芳 ( 2 5 ) ( 2 6 ) 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( 2 - 6 ) 式即为后面文章中利用声强流估计目标方位的公式。 理论和实验证明，矢量传感器源定向精度与信噪比有关( 见2 4 式) ，即 测向精度随着信噪比和时间带宽乘积的增加而提高；影响定向精度的还有矢 量传感器各通道的幅度、相位不一致性和源信号的入射角，若各通道幅频不 致性大于3 分贝或相频不一致性大于4 5 度时，估计偏差将达1 0 度。研究表 明，在高信噪比条件下，解析声强流方位估计的标准差可以达到克拉美一罗下 界”“。通过计算机仿真，测向误差与积分时问与信噪比的关系示于下图。仿 真条件为：目标为c w 信号，频率为6 0 0 h z ，接收机带宽为4 0 0 - - 8 0 0 h z 。图 2 3 给出了谱级信噪比1 5 d b ，积分时间从0 1 一l o s 变化时解析声强流测向误 差以及平均声强流测向误差的c r l b 下界的变化曲线。图2 4 给出了积分时问 为l s ，谱级信噪比从l o - - 3 9 d b 变化时解析声强流测向误差以及平均声强流 测向误差和c r l b 下界的变化曲线。 图2 3 测向误差与积分时间关系 图24 测向误差与信噪比关系 2 2 湖试结果 为了验证上述测向理论及方法的准确性，课题组在吉林省松花湖进行了 湖上试验。试验区水深约为3 0 米，湖底大致平坦，湖试时周围没有游船等外 界干扰，有微风和小浪，在5 0 0 h z 以上频率范围内，环境噪声大致是水平各 向同性的。一个组合传感器被静止放置在湖底( 水下3 0 米) ，其输出信号经 前放放大后通过电缆送到靠岸的测量船上。组合传感器离岸约为2 7 0 米。目 n#搿v掌嚣嚣i辩 哈尔滨：稗人学硕十学位论文 标船为长约2 0 米的游船，停机漂泊，微风使目标船缓慢地微微飘动。c w 信 号发射换能器吊于水下约2 0 米深。组合传感器输出的干扰和目标信号经采集 后由计算机按式( 2 2 ) 估计目标方位。c w 信号不发射时采集的是纯干扰数 据，e # 发射时信号较强，可视为纯目标信号。二者在计算机内按比例楣加后 得到不同信噪比的样本。所得目标方位估计误差的实验结果示于图2 5 ，+ 表示为实验数据，o 表示为理论计算结果。实验所占频带为5 0 0 1 0 0 0 h z ， t = 2 6 s ，m = 2 b t = 5 2 0 0 。c w 信号的频率为7 8 0 h z ，采样频率为3 1 5 0 h z 。每 段样本长为8 1 9 2 个采样值。下图中的每一个实验点为2 0 段样本的统计平均 结粱。 s n d b 图2 5 目标方位估计湖试结果 带宽b = 1 0 0 0 h z ，每段样本长为t = 26 s ( 8 1 9 2 个采样点) 由于目标船微微飘动，因而在高信噪比时仍有约0 5 度的测量方差，这 时的实验值普遍大于理论值。若扣除目标船约0 5 度的飘动，实验结果和理 论值大致相符。湖试结果表明：试验结果与理论推导计算结果较接近，因此， 该最大似然估计公式是准确的、可行的；且信噪比越大则测向精度越高，在 输入谱级信噪比达l o 分贝以上时，测向误差己很低。 2 ，3 频域方位估计 哈尔滨工程大学硕士学位论文 矢量传感器信号也可进行频域方位估计，而且，在有些情况下，频域处 理要优于时域处理，比如：单矢量传感器的多目标分辨能力。 对时域测向公式进行付立叶变换可得频域测向公式： 愀。尝= t g - 1 揣 ， 印； n ) ) v 。u ) 上式中，p v x ，p v y 为平均声强流谱的二个正交分量；p ( f ) 为声压谱。 v x ( f ) 和v y ( f ) 为两个振速分量的谱。p ( f ) v x + ( f ) ，p ( ，) 移+ ( ，) 为平 均复声强流的二个正交分量。$ 表示共轭。( 2 7 ) 式是可以分辨左右的， 左右决定于( 2 7 ) 式中分子和分母的正负号。 矢量传感器频域测向系统的原理框图如图2 6 所示，它仅是一个测向的 基本原理框图，省略了一些细节。 摄 麓耔 技 ：；7 戎计 算寻 标卉 量 蹦旺立卜叫竺r 证 箨 感 器 图2 6 单矢量传感器频域测向框图 在实际应用中，目标方位估计经常运用加权处理的方法： 口( f ，) ( f ( 2 8 ) 0 = l 百 7 ( f ，) 其中，w ( f ) 为加权系数。根据不同应用需要，可进行线性加权，也可 进行指数性加权。 2 4 海试结果 此海试结果引用乌克兰的一次海试结果，见图2 7 。海试使用单矢量传 感器，目标深度为2 0 米，试验海区为自令海，海深为2 0 0 0 米。 哈尔滨工群大学硕士学位论文 2 5 小结 图2 7 单矢量传感器频域方位估计 作为矢量传感器的特点之一：单矢量传感器即具有测定目标方位的能力， 本章从时域和频域两方面阐述了单矢量传感器测向的基本原理，以及相应的 信号处理方法。文中还介绍了单矢量传感器湖上试验和海上试验，试验结果 表明单矢量传感器测向理论和方法是正确的、可行的。 哈尔滨工程大学硕十学位论文 第3 章解析声强流 3 1 解析声强流 3 ，1 1解析声强流概念产生的背景 研究表明：矢量传感器接收到的目标信号的声压和振速是相关的，而接 收到背景噪声是不相关的。利用声压和振速信号的相关性，通过引入解析 声强流的概念，可将矢量信号处理纳入传统阵歹l j 信号处理理论框架下，即 可借用声压阵某些成熟的信号处理技术。 矢量传感器要走向工程应用，必然是对矢量阵输出信号进行处理。发展 声矢量阵列信号处理理论是一个需要追切解决的问题。而另一方面，现代阵 列信号处理理论经过几十年的发展已经相当完善，但是它只适用于处理声压 信号。从目前公开发表的文献看，国内、外的学者几乎都是用k r o n e c k e r 积 把现代处理理论作适当的推广以使其能处理声矢量信号。换个角度，现代 阵列信号处理无一例外都是把基阵各阵元接收到的信号的相位差作为基本处 理对象，如果通过某种变换能够把声矢量信号的矢量结构描述到相位中，那 么就可以很方便地的将声矢量信号纳入到现代信号处理理论的框架下。为了 达到这个目的，将解析函数理论用于声矢量信号分析中，将矢量叠加统一描 述在解析声强流7 的相位中，从而将声矢量信号处理纳入至现代阵列信号 处理理论框架下。 3 1 2 解析声强流定义 解析声强流可分为两类：一类仅包含信号的包络信息：另一类则包含信 号的包络和相位信息。 一般说来，对窄带信号x ( t ) 可以表示为解析信号量( t ) ： 量0 ) = 工( f ) + 矗( f ) ； ；。鉴尘堡：型耋堡圭釜皇i ：圣。；一。； 其中，x ( t ) 和量( r ) 互为h i b e r t 变换。定义信号量( t ) 的解析振速为： 矿( f ，印= 曼( r ) 臼= ( f ，卵一勺( f ，目) + 以乞( f ，p ) 一0 ( r ，印】 也町写为： 矿0 ，目) = 爿( f ) 咖卅= v a t ，曰) + u ，圪o ，口) 上式中a ( t ) 和y ( f ) 为实函数，分别为信号的振幅和相位，且有： 雄) - 【x 2 2 r 2 删咏。鬻 定义第一类解析声强流为： i ( t ，护) ：p + ( f ，) l t ( t ，臼) = a2 ( t ) e j 9 ( 3 1 ) 式中，符号丰表示取共轭。解析声强流的幅值得a 2 0 ) ，且有： a 2 ( f ) = ，= 一。一是目标信号的功率。上式表明，解析声强流的模为声强 度，它的相位为声源方位。容易证明，解析声强流的实部和虚部可分别表示 为： j ，r ( 以臼) = a 2 ( t ) c o s o ；i ( t ，0 ) = a 2 ( t ) s i n o 。 ( 3 2 ) 由上式可知，解析声强流的实部和虚部具有i f _ 交的偶极子指向性。 下面给出第二类解析声强流的公式。由前述内容可知： 矿( f ，目) = a ( t ) e 。+ 。1 = v a t ，目) + ，圪( f ，吕) ，月= p ( v ，一帚，) 一p ( 蕾；+ v y ) ；l = 尸( t ，十u ) + p ( v ，一也) ( 3 3 ) 式中，“”表示h i l b e r t 变换。由上两式整理得： 班f g - i 和r ，= t g - 1 鬻 综合以上各式，整理得： 肚留。1 等卷篙蒜誊簪高a ， ( 3 4 ) 式即为第二类声强流公式，它带有目标信号的相位特性和方位信 息类和第二类解析声强流适合于不同的应用场合的要求。下面给出了两组 仿真结果来说明这两类解析声强流的区别。仿真条件为：信号是位于3 3 度的 频率为6 0 0 h z 的c w 信号，接收机带宽是4 0 0 - - s o o h z 。图3 i 在谱级信噪比 为1 5 d b ，积分时间为1 0 m s l s ，以1 0 m s 步长变化时的目标方位估计结果，图 中每个估计值由3 0 次独立估计平均的结果。 右图为与左图相对应的测向误 差结果显示。 簟磺，咀谴h 鼻= 共，沌 ( s n 阼1 5 咀) ii 辘：j 0 毒b l - 争翳嬲；凝；卜 ：- c 日曲t 痄 ；嫩 一r ”j ”= | ：；= 蒜一：jr ”j 1 。? 一 图3 1 两类声强流对比图 3 1 3 移相旋转声强流信号指向性 解析声强流的实部与虚部具有偶极子指向性，而且只要对声压进行移相 就可以旋转两个偶极子的指向性。对于窄带解析声压信号b ( t ) 移相后则 有：卢 彩= a ( t ) e 加吲 则声强流又可写为： i ( t ，0 ，) = p ( f ，) 矿( f ，口) = a 2 ( r ) 8 。8 4 1( 3 5 ) = a 2 ( t ) c o s ( o 一) + 弘2 ( t ) s i n ( o 一) 哈尔滨工程大学硕士学位论文 上式表明，只要对解析声压信号移相矽，就可以把解析声强流的实部和 虚部的指向性旋转至方位。图3 2 给出了移相旋转偶极子指向性的框图， 桐移矽就是指向性旋转的角度，图3 3 是c w 信号被旋转6 0 度后得到的偶极 子指向性。 砸m 酣了嘞 习,fto一i兰：蔓11一q,o嘲到黝1 当一“ 图3 2 移相旋转框图 图3 3 旋转后偶极子指向性 3 1 4 平均声强器 平均声强器是测量声强流方法之一，其原理框图示于下图； 幽3 4 平均声强流 设声压为p ( t ) ，振速是v ( t ) ，则平均声强器输出，( f ) 为 i ( t ) = p ( t ) v ( t ) = 见p ) + 醵o ) 】【k ( ，) + v a t ) 】m 见( f )