（水声工程专业论文）单矢量水听器信号处理研究.pdf

哈尔滨n l 程人学硕十学位论文 干干扰时平均声强器不再有效，直方图法仍能有效估计目标方位；日标辐射 噪声中含线谱时，线谱方位估计和加权直方图法都有很好的方位估计性能。 海试表明单矢量水听器能够实现目标远程探测和方位估计，对水面目标作用 距离可达1 2 k m 。 关键词：矢量水听器；指向性；声压振速联合信息处理；方位估计；多目标 分辨 哈尔滨上程人学硕士学位论文 a b s t r a c t v e c t o ra c o u s t i cf i e l di sav e r yi m p o r t a n tp a r to fs o u n dw a v e ，b u tt h ev e c t o r i n f o r m a t i o no fa c o u s t i cw a v eh a sb e e nu n w i t n e s s e df o ral o n gt i m e v e c t o r h y d r o p h o n e ，a l s o c a l l e dc o m b i n e ds e n s o r , i sc o m b i n e db yt r a d i t i o n a la n d o m n i - d i r e c t i o n a l p r e s s u r eh y d r o p h o n e a n dn a t u r a l d i p o l ei n d e p e n d e n t o n f r e q u e n c y , w h i c hc a l lc o l o c a t i n g a n ds i m u l t a n e o u s l ym e a s u r e sp r e s s u r e ( s c a l a r f i e l d ) a n dp a r t i c l ev e l o c i t y ( v e c t o rf i e l d ) o fa c o u s t i cf i e l d c o m b i n e dp r o c e s s i n g b a s e do np r e s s u r ea n dp a r t i c l ev e l o c i t yt u ng e tb e t t e rd e t e c t i o ne f f e c ta n db e t t e r e s t i m a t i o n p r e c i s i o nt h a np r o c e s s i n go n l y o np r e s s u r e s ot h et e c h n o l o g y a s s o c i a t e dw i t hv e c t o rh y d r o p h o n eb e c o m e sav e r yi m p o r t a n ti n v e s t i g a t i v ea s p e c t i nu n d e r w a t e ra c o u s t i cf i e l d s i g n a lp r o c e s s i n gb a s e do nv e c t o rh y d r o p h o n ei st h e m a i nc o n t e n to f t h et h e s i s ，w h i c hh a sa c a d e m i ca n de n g i n e e r i n gs i g n i f i c a n c e f i r s t l y , t h et h e s i ss e t sf o r t ht h ep h y s i c a lf u n d a m e n t a l so f t h ec o m b i n e ds i g n a l p r o c e s s i n gw i t ha 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 y f o rt h es i g n a lr a d i a t i o n f r o mo n ec o h e r e n ts o u r c e ，i t sw a v e so fa 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 ya r e f u l l yc o r r e l a t e d ，w h i l ei ni s o t r o p i ca c o u s t i cf i e l d ，t h e y a r eu n c o r r e l a t e d f o ra s i n g l ev e c t o rh y d r o p h o n e ，t h ep a r t i c l ev e l o c i t ys e n s o rb e a r sd i p o l ed i r e c t i v i t y , s o a 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 yc o m b i n e dp r o c e s s i n gc a l lf o r mt h es i n g l e s i d ed i r e c t i v i t yo fa r b i t r a r yb e a t i n g ，w h i c hi sf u n c t i o n a r yt os u p p r e s s i n gt h e c o h e r e n ti n t e r f e r e n c e s e c o n d l y , 4m e t h o d so fa z i m u t he s t i m a t i o nb a s e do nv e c t o rh y d r o p h o n e a c c o r d i n gt of o r m so fn o s i ea n ds i g n a la r eb r o u g h tf o r w a r d t h ep r i n c i p l e so f t h e s e4 m e t h o d sa r es e tf o n l l s i m u l a t i n gt h e mb yc o m p u t e r a c o u s t i ci n t e n s i t y a v e m g e rc a ne f f e c t i v e l ys u p p r e s si s o t r o p i cn o n c o h e r e n ti n t e r f e f e n c e ；d o ab a s e d o nl i n e s p e c t r ac a r le f f e c t i v e l yd e t e c tt h et a r g e tr a d i a t i n gl i n e s p e c t r aa n de s t i m a t e i t sa z i m u t ha n g l e ；b a r g r a p ha p p r o a c h c a ns u p p r e s s l i n e s p e c t r ac o h e r e n t i n t e r f e r e n c ea n dd i s t i n g u i s hd i f f e r e n tt a r g e t sr a d i a t i n gl i n e s p e c t r u m w e i g h t e db a r 哈尔滨t ：程大学硕士学位论文 g r a p ha p p r o a c hc a nd e t e c tt a r g e ti nb r o a d b a n dc o h e r e n ti n t e r f e r e n c ea n de s t i m a t e i t sa z i m u t ha n g l e f i n a l l y , t h et h e s i sa n a l y s e st h ed a t ao ft w ot r i a l s i nl a k ea n ds e a ，a n d e s t i m a t o rr e s u l to fd o aa n dd e t e c t o rr e s u l tb ys i n g l ev e c t o rh y d r o p h o n ea r e p r e s e n t e d ，k n o w i n gt h a te x p e r i m e n tr e s u l t i sb a s i c a l l yc o n s i s t e n tw i t ht h e o r y r e s u l t i ti ss h o w ni ns e at r a i lt h a to n es i n g l ev e c t o rh y d r o p h o n ec a l ld e t e c tt a r g e t a n de s t i m a t ei t sa z i m u t hi nl o n gr a n g e ，t h em a x i m a lr a n g ei su pt o1 2 k m k e yw o r d s ：v e c t o rh y d r o p h o n e ；d i r e c t i v i t y ；c o m b i n e ds i g n a lp r o c e s s i n g w i t h a c o u s t i c p r e s s u r e a n d p a r t i c l ev e l o c i t y ；a z i m u t h e s t i m a t i o n ； m u l t i - t a r g e t sd i s t i n g u i s h 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己 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。 日期：2 0 0 5 年2 月2 6 日 作者( 签字) ： 哈尔滨j ：程人学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 随着陆地资源的不断消耗，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川。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，人们一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。 声波兼有标量场和矢量场，它们都含有目标和环境的信息。但在相当长 的一段时间内，几乎所有的声纳系统使用的水昕器拾取的都只是声场的标量 信息声压，阵处理也仅处理声压p ( t ) 及其变换域信息，即在相空间 p ) 进 行处理，声波的矢量信息却被忽略了1 2 1 。 声矢量水听器的出现弥补了传统标量水听器不能完整获得声场信息的不 足，它是用来测量水下声场矢量( 声压梯度、质点振速、加速度、位移或声 强等) 的声接收换能器，由声压水听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。单个小尺度矢量水听器就可具有不随频率变化的 “8 ”字形或心脏形指向性，通过声压振速之间的组合和适当的信号处理方式 就可以完成目标检测和参数估计的任务。也可以将声矢量水听器组成阵列以 获得阵列的空间增益。 声压水听器及其基阵在其出现的相当时期内，解决了科学实践中的大量 问题，现有的对各种声现象的描述以及描述的这些声现象的规律都是基于声 压这个标量的。然而，随着人们对声学领域研究的深入，越来越多的问题已 经不能依靠或不能仅仅依靠声压水听器及其基阵来很好地解决。如靠近声学 软障板的声压测量，单用声压水听器来实现就可能会遇到灵敏度或信噪比过 哈尔滨r 程大学硕十学位论文 低以至无法测量的困难；又如对噪声源在空间和在机械装置中进行定位及功 率研究，以找出辐射噪声最大的设备或部件，采取减振降噪措施。从前我们 只能测量与声场条件有关的声压，并对声场条件作特殊假定，以便用压力平 方的方法来估计声功率。但是当干扰噪声距测量表面很近，或噪声级很高时 用压力平方方法确定的声功率会给出完全错误的结果。再如方位分辨左右舷 模糊问题是常规拖曳线列阵所固有的缺点，也是自8 0 年代中期以来研制主、 被动拖线阵的各国专家所普遍关注的问题。声矢量水听器及联合信息处理技 术便是解决以上问题的有效途径之一。 矢量水听器可同时、共点地获取声压和振速信息，其信息处理可在相空 蚓 p ) 、 p 2 ； v 、 v 2 ； p ，v ) 、 p ，p v ) 、 n p v ) 、 p ，v ，p v 进行处理。 其中v 为质点振速，p 2 为势能，v 2 为动能，p v 为声强流。 侦察声纳5 5 2 c 、定向航空声纳浮标、海岸预警声纳浮标、水雷声引信、 水下信息网节点均适宜使用单矢量水听器。 本文研究内主要是单矢量水昕器信号处理，在总结国内外研究成果的基础 上，利用矢量水听器的优点，研究单矢量水听器声压振速的适当组合形式， 探讨单矢量水听器检测能力、抗各向同性干扰能力、目标方位估计能力、多 目标分辨能力，为单个矢量水听器工程化应用奠定基础。 1 2 矢量水听器 1 2 1 矢量水听器分类 声场矢量的测量已经有很久的历史【卜5 i ，现代矢量水昕器出1 9 4 2 年美国 贝尔电话实验室设计的第一个动圈式振速水听器 6 1 开始，1 9 5 8 年，gl b o y e r 成功研制了第一个声压梯度水听器f 7 j ，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1 4 1 8 1 、压电式州i l o 】、光纤式”1 3 1 和高分子式【4 、5 j 等多种矢量水听器技术 正在百花竟放。 哈尔滨r 程大学硕十学位论文 矢量水听器由声压水听器和质点振速水听器组成，因此矢量水听器能共 点、同步测量声场的声压标量和质点振速矢量。振速水听器是矢量水听器的 核心部分，用来测量水下声场矢量( 声压梯度、质点振速、加速度或位移) ， 因此，矢量水听器的分类亦以振速水昕器的分类为基准。 根据质点振速水听器的分类，矢量水听器按照结构分为同振型和不动外 壳型；按照换能原理可分为压电式、电动式、电磁式、磁致伸缩式、电容式 和光纤式；按照维数可分为一维、二维、三维矢量水听器。按照测量的物理 量可以分为质点振速式、质点振动加速度式、质点位移式。不动外壳型矢量 水听器，声波直接作用在敏感元件上：同振型矢量水听器，声波不直接作用 于敏感元件上，通过水听器运动产生的惯性引起壳体内的敏感元件发生变化； 压电式矢量水听器，利用压电效应；电动式矢量水听器，利用电磁感应现象， 线圈在磁场中运动时会产生感应电动势；磁致伸缩式矢量水听器，利用反磁 致伸缩效应；电容式矢量水听器，当在声波作用下两电极板的间距发生变化 产生电流；光纤式矢量水昕器，利用力一光效应。 惯性型矢量水听器响应其所在位置处质点的矢量信息( 如位移、振速和 加速度) ，依赖其外壳把声场质点的振动耦合到敏感元件上，从而引起敏感元 件振动，所以惯性型矢量水听器也称为同振型矢量水听器。 惯性型矢量水听器的外壳与它周围声学介质的粒子同步振动，也就是说， 惯性型矢量水听器的外壳实际上是该类水听器的接收元件。这种矢量水听器 在设计时要求壳体加上内部的敏感元件及内置前放等整体的平均密度与周围 介质密度相等，即p ，= p n m ：而且使壳体的几何中心与整体的重心重合，以 保证矢量水听器整体在声场中当满足柔性安装条件时，处于中性浮力状态， 从而可以将矢量水听器整体视为介质的质点，于是矢量水听器壳体的运动状 态即反映其几何中心处介质质点的振动。由于壳体内部的敏感元件与壳体间 是刚性连接的，因此敏感元件就将介质的机械振动转换成电信号输出。如图 】1 所示的三维同振球形矢量水昕器是惯性型矢量水昕器的典型例子。 哈尔滨工程人学硕士学位论文 图1 1 同振型矢量水昕器 假定球体在声学上是刚硬的，由于其在声场中仅做小振幅运动，于是对 该振动系统的分析可近似于剐硬球的声散射问题。设球形矢量水听器半径为 a ，平均密度为p ，平面波场中没有水昕器时，球心所在处的介质质点的振 速为v 。；而声场中球形矢量水听器在平面波作用下随介质质点以v 。的速度振 动。由剐硬球的声散射原理【1 5 - 1 8 1 可得： 【( 2 9 + 1 ) 2 + ( 2 9 + 1 ) ( 妇) 2 + g2 ( 妇) 4 p ( 1 一】) 式中t ；孥为波数，口：l 是矢量水听器平均密度与周围介质密度 p 仆质 比，妒表示一和k 之间的相位差，有： 一k a + a r c l g 蒜 z ， 从( 卜1 ) 和( 1 - e ) 式可明显看出，振速比兰的幅值和相位伊都与质量比 v ” 哈尔滨上程人学硕+ 学位论文 丝及加有关。只有在刚性球的“波尺寸，( 即球的线度尺寸与波长之比) ，” k a 1 时，( 1 1 ) 和( 卜2 ) 式可化简为： l 上l ： v ” 【伊- 4 3 五t(1-3) 0 也就是说，只有当c a 1 且ga 1 时才有v 。v 。( 即v ，与v 。振幅相等， 相位差舻趋于o ) ，同理不难推导出有限长圆柱体作外壳的同振型矢量水听器 在声场中的振速与其未放入水中时声场在该点的质点振速之比存在如下关 系，在刚性柱的“波尺寸”妇 l 时有： i 生： 1v 。 i 妒_ + 2p m p ，+ pn 质 q + 1 0 ( 卜4 ) 将可能用作矢量水听器接收元件( 外壳) 的球壳和圆柱壳作个比较，假 定厦矢量水听器平均密度相等n = 成= p ，于是当k a 1 柱体的机械灵敏度较球体高；当q = 1 ( 石= p 丹质) 时，p = 1 ，此时外壳的形状不起作用。 1 2 2 灵敏度与相位特性 静止均匀理想介质中的谐和声场，其质点振速寻、质点位移王、质点加 速度厅及声压梯度一v p 方向相同，且幅度及相位有确切的关系，如下式 哈尔滨1 ：程人学硕士学何论文 x = 一j 二，a = 州，v p = 一，n 毕( 1 6 ) 删 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6 ) ，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( 死) 之间存在以下关系： m ，= 竺坎= 上肘，= 旦”。：l 一埘。 ( 卜7 ) 上式结果如图1 2 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 2 不同声压梯度水听器的灵敏度 声压是标量，声压水听器无指向性( 圆指向性) ，如图1 3 中图2 1 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 3 中图b 。 由式( 卜6 ) 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： 6 夏敏度 哈尔滨i ：程大学硕士学位论文 a 声压传感器圆形指向性 b 矢量水听器偶极子指向性 图1 3 单水听器指向性 ”c ( ) 2 ”，( 帅0 8 + v y ( 。) s i n y ( 1 8 ) u ( t ) = 一v 。( t ) s i n y + v ，( t ) c o s 上式中吵为“引导方位”。若目标方位为( 以，a 。) ，合振速为x ( r ) ，则由 式( 卜8 ) 可知： 心( ) 2z ( ) 。8 ( 只一。8 ( 1 - 9 ) k ( r ) = x ( t ) s i n ( o s 一沙) c o s a 。 可见，v 。p ) 和v 。( r ) 亦具有偶极子指向性，v 。( r ) 的指向性极大值在口，= y 处，而v ，( f ) 的指向性零点亦在幺= 处。只要改变值，v 。( r ) 和u ( ，) 的指向 性即可在水平面内实现电子旋转。 1 。3 矢量水昕器的研究现状 早在4 0 年代，美国已研制出声压梯度矢量水昕器f 1 9 1 ；7 0 年代，己将矢 量水听器成功应用到声纳浮标中，还探索矢量水听器应用于拖曳线列阵声基 阵，以便用声强流矢量方向来分辨目标位于阵的左右舷，甚至探索用振速水 听器阵来代替舷侧阵声纳的水听器阵。目前，美国和俄罗斯在矢量水听器研 制应用方面处于领先地位，在美俄两国，性能稳定的矢量水听器已进入工程 应用阶段 2 0 2 3 1 ，在矢量水听器校准方面也进行了探索【2 4 2 5 1 。由于压电陶瓷在 哈尔滨1 i j ；￥大学硕士学 社论文 水声史上的统治地位，以及压电加速度计结构简单，技术成熟，因而美俄两 国研制的矢量水昕器多是基于压电加速度计原理的惯性型矢量水听器，振速 水听器的研究相对较少。 近年来，有一系列有关矢量水听器应用文章的发表。1 9 9 4 年，n e h o r a l 给出了利用单个矢量水听器进行方位测量的两种简单算法【2 72 8 1 ，一种基于声 强流的算法，另一种是基于振速相关矩阵的算法，指出矢量水听器可以实时 给出目标方位估计而不需要任何相位信息。1 9 9 6 年，h o c h w a l d 指出在三维 空i 、日j 内，单个矢量水听器能够分辨两个不完全相关的目标。1 9 9 8 年，h a w k e s 指出2 9 枷】，矢量水听器具有的优点：1 ) 由于矢量水听器有四路输出，与声 压传感器相比较，矢量水听器阵可获得四倍数目的输出信号，从而能够有效 提高信噪比；2 ) 单个矢量水昕器的输出本身已蕴含了空间目标的方向信息。 利用以上两点，矢量水听器可以做到无模糊地估计目标方位。美国海军物理 实验室( m p l ) 研制了两套矢量水听器系统 3 1 3 3 1 ：1 2 个s w a l l o w 浮标装置( 可 调整深度，自由漂流) ，垂直d 1 f a r 阵。1 9 9 0 年，海军物理实验室于佐治亚 洲以东6 0 0 k m 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 7 的欢声波声场讲行了研究。 6 卜天挚 内凳尹嫠熊，挚哥春霰圣铲i 。写 l 瑟熬6 节壳； 图1 4s w a l l o w 浮体示意图 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 器系统的研究，利用矢量水听器基站在同本海、库页岛、勘察加半岛和南中 8 哈尔滨。l 程大学硕士学位论文 国海等海域的大陆架和深海处进行了大量海试，对海洋环境噪声场特性做了 十分细致的研究。研究结果表明，与单水听器相比，平均声强的信噪比可以 提高约1 0 2 0 d b l 3 - 1 8 1 。 v a l d i m i rs h c h u r o v 等人将研究成果应用于实践。实现用单个矢量水听器 及平均声强器探测到了2 0 k m 远处的潜艇目标，实验结果示于图1 5 。由图可 知该系统束宽约为2 0 。，实现了波束电子旋转并覆盖全方位。该实验证明平 均声强器有很好的抗海洋环境噪声干扰的能力，并具有双目标探测能力。 图1 ，5 平均声强器探测到2 0 k m 处的潜艇目标 国内主要以哈尔滨工程大学水声研究所为主积极进行矢量水听器的研 究。七五期间曾利用偶极子水听器在航空定向声纳浮标应用上的研制工作， 八五期间用声压梯度水听器阵进行声强测量。从1 9 9 8 年起，哈尔滨工程大学 水声工程学院与俄罗斯远东科学院海洋技术研究所联合研制实矢量水听器， 目前只有美，俄掌握相关技术，而俄罗斯处于领先地位。目前在自主研究的 基础上，引进俄罗斯的关键技术，并在俄方专家的协作下，我系加工出第一 套坐底式矢量水昕器噪声测量系统和室内校准装置，并顺利通过松花湖试验， 并于2 0 0 0 年8 月进行了大量海上试验，在国内首次取得了海上目标的远程测 量结果。矢量水听器的研制具有深远意义，她的研制成功将极大的提高我国 新一代安静型潜艇的探测和作战能力以及我海军反潜能力，以及极大提高对 低噪声鱼雷的远程报警和远程定位能力。贾致富教授则在国内率先完成了同 振壳体型声压梯度水听器，并将其成功运用于水下噪声源辐射噪声的测量与 9 哈尔滨工程人学硕十学位论文 分析：惠俊英教授领导的课题组在声压、振速联合信号处理理论上做出了深 入研究，与7 1 5 所合作对于矢量拖曳阵列及其噪声抵消等方面得到了积极的 结论并应用于相关领域，且提出了高阶矢量声能流处理技术，该课题组还对 矢量水听器坐底应用进行了有意义的海试，首次在海试中用单矢量水听器跟 踪了拉距至1 2 k m 的水面目标。 另外国内诸多水声相关单位中科院声学所，船总7 1 5 所、7 2 6 所、7 6 0 所、7 l o 所、7 0 5 所，西北工业大学，东南大学， 6 1 2 厂等均对矢量水听器 产生浓厚兴趣并展开了积极研究。最近几年，国内关于矢量水听器公开发表 的文献也有一些，例如文献【3 3 “1 研究了水声场声压和振速联合信息处理的一 些基础问题；文献【3 0 i 证明了各向同性噪声声压与振速是不相关的；文献”副 给出了矢量水听器目标方位估计的c r b ，认为c r b 与时间带宽积成反比， 随着信噪比的增加而减小：文献【3 9 l 利用宽带声压与振速的偶次阶矩所组成的 联立方程组，求解得到各目标强度与方位。 1 4 论文研究的内容 矢量水听器技术正成为水声工程领域令人瞩目的研究方向之一，对其接 收到的声矢量信号进行分析处理成为能够体现矢量水听器优越性的关键。矢 量水听器有着许多方面的优势，最主要的是矢量水听器提供的信息量比常规 的声压水听器要多，单个矢量水听器就具有表量水听器阵才能提供的空间指 向性，为矢量水昕器在小平台上的应用开拓了广阔的前景，同时采用矢量水 听器组成的阵列也将具有比标量水听器阵更多的优势。本论文以此为出发点， 结合工程应用背景，通过理论推导、计算机仿真以及湖试和海试研究基于单 矢量水听器信号处理的基本问题。主要包括以下方面：讨论矢量水听器的指 向性和空间增益问题；介绍单矢量水听器方位估计的几种方法；通过湖试和 海试验证矢量水听器信号处理的基本理论和方位估计方法。结构安排如下： 第1 章，简叙了矢量水听器的基本知识以及其在国内外研究应用现状。 第2 章，介绍矢量水听器信号处理基础理论。分析了均匀无限声场中平 面波、球面波和柱面波声压振速的相关性；推导了各向同性噪声场中声压振 速的相关性；讨论了矢量水听器的几种组合指向性和它们的处理增益。 哈尔滨= 程大学硕十学位论文 第3 章， 仿真分析单矢量水听器方位估计性能。根据背景噪声和信号的 形式找到4 种合适的单矢量水听器方位估计方法：平均声强器方位估计线 谱方位估计，直方图方位估计，加权直方图方位估计。利用线谱进行多目标 区分。 第4 章，单矢量水听器试验数据分析。介绍了矢量水听器校准方法，分 析了扶仙湖湖试和旅顺海试的数据，对单矢量水听器方位估计性能和远程探 测能力进行验证。 1 5 本章小结 介绍了矢量水听器的分类、各种矢量水听器的灵敏度和相位与频率的关 系；综述了矢量水听器在国内外的研究和应用现状：最后对本论文的研究内 容和结构安排作了介绍。 哈尔滨j ：程火学硕士学位论文 。_ _ - i i i i i i i i i i i i 若三三；i i _ _ _ i i i i 第2 章矢量水听器信号处理理论基础 2 1 相干源辐射声场声压与振速的相关性 在理想、静态、均匀流体介质中，小振幅波的波动方程为h 0 1 ： 古鲁叫p = 。 ， 式中，c 是介质中的声传播速度，p 是介质声压，f 为时间，v2 是拉普拉 斯算子。 根据式( 2 - 1 ) 可以解出声压p ，利用尤拉方程求出振速；与p 的关系为： ；= 一土f v p a r t( 2 2 ) f 为时间，v 算符表示梯度运算， 质中声场运动方程，又称为尤拉方程 p 为介质密度。( 2 2 ) 式为理想连续介 实际就是力学第二定律。 2 1 1 均匀无限介质中平面波声场声压、振速相关性 考虑三维情况。任何声波的远场都可以近似为平面波，不失一般性，考 察一个平面波的声压为p ( r ，) ，它可以表示为谐和平面波的叠加，为： p ( r ，f ) = l z ( 却e ( a , t - k r ) d 缈 ( 2 - 3 ) x ( c o ) = i z ( f ) e - 州- 西( 2 - 4 ) 上式中，省略了无限积分限( - o o ，+ 。】) ，z ( ，) 为声压波形，c o 为角频率， x ( c o ) 为x ( f ) 的频谱，k = c = 2 , , r 2 为波数，r 为距离。 将( 2 - 3 ) 式代入( 2 - 2 ) 式，得到： b r ) 一1 f ( ( ) p 胸训 d a 】d t ( 2 5 ) 哈尔滨1 ：程大学硕七学位论文 完成对，的积分后得到： 如f ) ：一三f v 兰掣，。胂* ， d 尸。j 脚 ( 2 6 ) = 忑1 【c o s 目c o s 口 + i + s i n 臼c o s o 汹珀p ( ) - e j ( w t - k r ) d 国 d c 将( 2 - 3 ) 式代入上式得到： “，) ：上【c 。s o c 。s 口+ i + s i n 护c 。s 口j + s i n 口功p ( ，) ( 2 - 7 ) p c 0 为声波传播的水平方位角，口为声线与水平面的夹角，称为声线掠角 或俯仰角。i ，j ，一k l 是相互正交的单位坐标矢量。 由上式可知，除了一个常数以外，三个振速分量与声压波形相同。为叙 述简单起见，省略该常数，则三个振速分量为： 嚣篙；删)”叹(t)f)=co。sill0删eosa)sin c o s 硝d ( 2 - 8 ) v ，( r ) = 扫a x 0 )v ：( f ) = s i l l a x ( f ) 上式表明各振速分量只是声压传播方向的余弦加权，它们的波形都相同 相位相同或相反，是完全相关的。 ( 2 - 7 ) 式中的伪为波阻抗，在平面波声场中，波阻抗是实数，因而相 干信号的声压和振速是同相或反相的。在大多数声源的近场，平面波假设不 成立，波阻抗是复数，因而声压与振速有相位差，且依赖于频率，若该相位 差的频率特性显著偏离直线，则宽带相干信号的声压与振速将有不同的波形， 声压、振速的相关性因而减小。只有补偿了相应的相位差，才能减小相关损 失。因此，在实际应用中，除了矢量水听器及系统本身可能引起的相位差以 外，还需要考虑声场引起的声压与振速的相位差。 2 1 ，2 均匀无限介质中球面波声场声压、振速相关性 谐和球面行波场中的声压表示为 哈尔滨l = 程大学硕士学位论文 i i i i i l - - i i ；i j i | _ _ i i i i i _ i i i _ i i ；i 自；i _ # i i p p ，f ) ：一ae j i “- k r ( 29 ) ， 式中，a 为常数，为声波角频率，k 为波数，k = 卯屈，r 为距离。 将( 2 - 9 ) 式代入( 2 - 2 ) 式，得到： 沁，) ：1f 二a 辈1 ； ( 2 _ 1 0 ) p o rr p cj ( r 为单位矢量，且有： 疗= c o s o c o s a i + s i n o c o s t z - j + s i n a - k 则球面波的波阻抗磊渺) 为： 撕) = 矧2 惫2 等+ ，等 j h 上式可表示为 z d ( k r ) 兰 ，国乓 。 1 + k 2 r 2 p c 1 + 1 j 灯 ( 2 一1 1 ) ( 2 一1 2 ) 当扫 1 ( 远场) 时 当扫 1 ( 极近场) 时 ( 2 一1 3 ) 当0 1 1 或r 五时( 远场，此时球面波可近似为平面波) ，实部项 起主要作用，波阻抗为实数，声压与振速振速同相，此时，声场中声压、振 速是完全相关的；在球面波的近场处，波阻抗为复数，声压、振速之间有随打 变化的相位差，因而导致宽带信号声压与振速相关性下降，在极近场处，即 k r 1 或， 1 ) ( 2 - 1 9 ) 可见，和球面波相似，远场( k r 1 或， 五) 中，柱面波波阵面趋于 平面波，其波阻抗也趋于平面波波阻抗，为实数，此时声压与振速同相，因 而是完全相关的。 柱面波声场声压与振速相位差与距离和频率的关系示于图2 2 。 ( a ) 相位差随频率变化 ( b ) 相位差随k r 变化 图2 2 柱面波声场声压与振速的相位差 由图2 2 可知，在柱面波的近场处，波阻抗为复数，声压、振速之间有 1 6 岳 哈尔滨亡程大学硕士学位论文 随打变化的相位差，因而导致宽带信号声压与振速相关性下降。在极近场处 即k r 1 或r “丑时，声压与振速有接近8 0 。的相位差。 图2 2 所示是柱面波声场声压与振速相位差随频率和距离的变化曲线。 ( a ) 的上图中：距离声源l m 处频率为l 5 0 0 0 h z 的声压振速相位差变化， 1 0 0 0 h z 时相位差7 。；( a ) 的下图中：距离声源3 m 处频率为l 5 0 0 0 h z 的声压 振速相位差变化，1 0 0 0 h z 时相位差2 5 0 ：( b ) 直观地反映了式( 2 - 1 6 ) 波阻 抗的相位变化。( a ) 图的结果表明，在1 0 0 0 h z 频率以上的球面波场中，离声 源l m 就可以认为是远场。 2 2 各向同性干扰场中声压与振速的相关性 与相干源声场不同，在各向同性噪声场中，声压与振速是不相关的。设 x j ( t ) 为不同方向入射的互不相关的各态历经随机噪声的卢压，且各方向入射 声波的强度是均匀的。由( 2 - 8 ) 式可知： v x ( f ) = _ ( t ) c o s o , 。c o s t 2 j ( 2 - 2 0 ) 由于噪声场是各向同性的，所以0 ；和q 分别为 o ，2 x 】和 一，】内均 匀分布的随机变量。 声压p ( t ) 与振速v x ( r ) 的相关系数为： 丽= t ( ，) _ z 如) c o s qc o s a ， t j 【，j( 2 2 1 ) = x 恕) 一c o s 0 t 一c o s o t ， 上式中的符号横杠表示时间或系综平均，考虑三角函数的周期性，且舅和 口，为均匀分布随机变量，所以有： c o s 0 t = 0 c o s t 2 = 0( 2 2 2 ) 以此代入( 2 1 6 ) 式，该式等于零。这意味着在各向同性噪声场中p ( t ) 与 匕( ，) 是不相关的。同理可证p ( ，) 与v 。p ) 、也( f ) 也是不相关的。 在各噪声源为空间均匀分布、辐射球面波的情况下，考虑三维矢量水听 器接收信号，声压、振速的按声压功率归一化相关系数矩阵为f 3 7 】 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 r = 10 o 三 3 0 0 oo 00 0 0 三 o 3 o 1 3 上式表明各轴振速分量的功率是声压功率的1 3 ，二维情况下各轴振速 分量的功率为声压功率的l 2 ，声压、振速的按声压功率归一化相关系数矩 阵为： r= l00 o上0 oo 上 ( 2 2 3 ) 因此对于声呐系统而言，目标信号是相干源信号，干扰背景是海洋环境 噪声( 不计交通噪声时) ，它大致是各向同性干扰噪声。在相干( 各向异性) 场和各向同性( 非相干) 场中，目标信号和干扰的声压与振速相关性的差别 是声压、振速联合信号处理抗各向同性干扰的基础m 。 2 ，3 声强和复声强 考虑介质未受声扰动时的一质量微元p 。v o ，由于声扰动该质量元获得运 动速度，则该质元的动能应为： 瓯= 扣咿 ( 2 - 2 4 ) 在声扰动时，该质元体积从k 变化到v ，于是该质量元的位能改变量 e p = 一l 。p d v ( 2 2 5 ) 式( 2 2 9 ) 中，负号表示质元内压强和体积的变化方向相反。压强增加 哈尔滨i ：程大学硕十学位论文 体积缩小，外力对质元作功，位能增加，即介质压缩时，使质元储存能量； 反之，膨胀时为质元对外做功，质元位能减小，质元向外释放能量。根据质 量守恒， 可得 又根据状态方程 可以求得 p v = p o ( 2 2 6 ) d y ：一( - v ) d p 。一( 堕) 嗣p ( 2 2 7 ) pp o d v ：一乓 p o c ( 2 2 8 ) ( 2 - 2 9 ) 化d v 代八e 。庙测户j 土从0 到p 进们秘万，倚出 驴嘉 s 0 ) 于是昧内的总声能为 五= 玩+ e ，= 1 l “2 + 万2 ) ( 2 3 1 ) 单位体积内的瞬时声能密度，( = e v o ) 等于 铲扣扎著) ( 2 _ 3 2 ) o 、c 。 磊和p 都是时间的函数，因而，也是随时间变化的。它显示了声波行波 的能量传输特性，将6 i 在一个周期t 内取平均，可以求得声场中任一点处的 哈尔滨i ：程大学硕士学位论文 平均声能密度占 占= i f e , d t ( 2 3 3 ) 一般地说，s 随位置而异。在理想介质中，平面波声压振幅和振速振幅 都是不随距离改变的常量。所以，理想平面波的平均声能密度处处相等，它 显示了平面行波声能量的无损耗、无扩展的传递特性。 能流密度面定义为单位时间内通过垂直于声传播方向的单位面积的声 能。根据理想介质的能量守恒原理，在声传播时，声能的净流入量应该等于 声能密度的增量鲁，则 堕：一v 面 a 把式( 2 - 3 6 ) 代入上式左端，并利用运动方程等= 个基本乃程 a s 。a 厅p a p 吾= p o u 瓦卜p 一。) c 2 百 p = c 2 ( p p o ) 塑：。：望 风署一即 印毋一詈 则： 堕：一v ( p 疗) c 3 t 、 于是能流密度等于 西= 口面 ( 2 - 3 4 ) ( 2 - 3 5 ) ( 2 3 6 ) ( 2 - 3 7 ) 当加为证时，表示声能流沿波传播方向流出；当埘为负时，能流沿波 传播方向流入。能流密度与电路中的瞬时功率相类似，当电路中的电压和电 流有相位差时，瞬时电功率也有正有负。 能流密度为能流经垂直于传播方向上的单位面积的瞬时值；因而，时正 时负。但是总起来说，声能流总是沿着波传播方向向外流出。取能流密度的 时l 、日j 平均值代表能流强度，称为平均声能流密度或称为声波强度， 7 ：三fp g d t ( 2 3 8 ) ? 。o ，为介质质点的振动周期。声强指通过垂直于声传播方向上单位面积的 平均声能流。通常p 和面是时间t 和位置f 的函数，且厅为矢量，则式通常写 为 7 ( f ，f ) = i 1fp ( e ，) 矗( f ，o d t ( 2 - 3 9 ) 声强是定义在时域上的，而复声强定义在频域上4 5 1 ，利用f o u r i e r 变换 就得到复声强，定义为： t ( f ，国) = p ( v ，c o ) 口+ 妒，棚) ( 2 4 0 ) 式中珊表示频率，上标 表示复共轭，p ( f ，) 和哥( 尹，国) 分别是 p ( f ，) 和矿( ，r ) 的f o u r ie r 变换。复声强还可以表示为有功声强和无功声强的 形式： t 旷，) = l ( f ，+ i ( ，) ( 2 4 1 ) 式中t ( 芦，国) 称为有功声强，表示向远处传播的声能，f ( ，曲称为无功 声强，表示不传播的声能。 对于单频波，声压和质点振速的f o u r i e r 变换p ( e ，) 和口( f ，) 示为，忽 略含频率项的d i r a c 函数 p ( 产，) = 4 ( 产) e x p f 妒( 尹) 】 ( 2 4 2 ) 咿，加去m ) _ f 等慨甜) _ 4 3 将公式( 2 5 0 ) 和( 2 5 1 ) 代入公式( 2 4 8 ) ，由公式( 2 4 9 ) 得有功声强和无 哈尔滨f l 程人学硕士学位论文 功声强分别为： 碱) = 丽i 愀f 删f ) 】 撕别= 蒜耐吖( 列 ( 2 4 4 ) ( 2 4 5 ) 由公式( 2 5 2 ) 可以看出，有功声强与波阵面的传播方向一致，因此，它 表示向远处传播的能量：无功