（通信与信息系统专业论文）矢量阵阵处理研究.pdf

必嫩阵阵处理研究 摘要 艇基传感器由声压传感器与赢接或阊接测嚣振速的话感器以不同方式同 心复禽而成，是可以空间共点、同步测量水下声场的标量( 声压) 和矢量( 声 压梯发、质点振邋、加速度、像穆等) 的声接收换能器。与传统的声鹰传感 器辫鞠跑，矢量镣慧器簿可溪褥褒全蟊静声场绩惑，更多瀚信惠必然鬻泉燹 大的处理空间，也必将给水声信号处理和声呐技术的发展带来新的活力a 本文在回顾矢凝传感器和必擞信号处理的研究概况基础上t 对矢量隙的 缀含攒交毪、矢量醛磺盏、矢羹箨瞧定素宽竣诗、矢量簿赛繁售号处理落凡 个基础方面进行了绷致、全面的壤论、仿真分析，并通过多次的湖试数搬加 蔽验潺。 餐淘同性噪声场孛豹矢量糕关特性怒矢爨阵信号处理的蒺础，以l l ：为基 稿，从穗论和仿冀对矢量薄的尼稀缝合稽彝髓进行对魄努耩，并进一疹输出 了葵予出、抚铀潮湖试数援的处理结果，这砦结果充分表明了矢量阵在缀合 指向性方面的优势。能在发现目标的距离上就分辨目标所巍舷的左右，熄矢 蹩鬻熬裰率筑点鬟京+ 文中绘窭了a 转挽左、右模鬻鹣方法，著通过赛真努 析其饿能。 穗备向同性臻声场模羹下，溱常蔑静声舔阵髓蠢裣溺嚣增益为基准，莱 蹙“媳鞍法”辩矢慧阵一些典型缀合翦辫麴蠖蕊避嚣了臻谂分辑，字 给趱了 增益波达式，理论与仿真分析绪莱唆合褥缀好。考虑翘实际噪声静复杂榷， 遴一步绘爨色噪声饕爨下的傍囊续皋，势对缝暴绘出了台毽的解释，进聪对 冀实的潮试数据进行增益分析。壤想噪声背景”f ，列举的几种矢量阵组合形 式与察髋静声压羚熊璧捡测糕程谶分裂囊2 。5 d b 4 5 d b 懿增益。 提出了一葶中基予自适威n o t c h 滤波器的窄带波束形成新方法，在此基础 上，邋过提取并交捺矢量等间隔阵相邻阵元闯的相位麓实蕊了矢鬣阵匿邂柬 爨浚象形凌。该方法霹臻使发瓣傣号频率黪繇爨半波频率之下，冠瓣德垂黠 斑予一个波长频率的矢量阵组含攒向性。阻该方法为基础，迸一步采爝二阶 跨承滨工程大学搏士学位论文 皂适应n o t c h 累宓韪的方法可以有效媳提毫性能；势且，加入惑元处爨可以邀 一步改善指向性。通邋仿真及湖试数据的骏证，该方法切实有效，对矢量阵 懿箨鍪设计骞攒导意义。 宽带信号具有信息量大、混响背景相关性弱簿特点，有利于目标检测、 参爨估计和西标特征鼹取。针对宽带线性调频信号，提潞了种基于套适巍 n o t c h 滤波器的宽带波束形成方法，此方法将宽带线性调频信号频带分为多 个子带，并分别用不同频率的n o t c h 滤波器进行覆盖，之后将所有滤波器输 出序到进警亍拟裁以褥到最终懿波束输出。遴 l l ；，g l 入分数除f o u r i e r 交换的痿 号处理方法，构成了一种宽带信号处理框架。在水声信号处理中，声呐的目 舔检灞毽麓受多卜赣失琵的影响穰丈，采翔宽带线淫调凝信号辩，逶过蘧整 分数阶数可以使信号能量集中，因而可以很好地克服多h 勒失配带来的不利 影响，对提高系统的稔测能力有很大意义。 笑罐漏；矢量传感器；缝合攒肉瞧；增蕊努爨；堰惑寒宽；势数除f o u r i e r 变换 a b s t r a c t av e c t o rs e n s o ri sa na c o u s t i ct r a n s d u c e rc o m p o s e do fh o m o c e n t r i ca c o u s t i c p r e s s u r es e n s o r sa n dp a r t i c l ev e l o c i t ys e n s o r st h a tm e a s u r es i m u l t a n e o u s l ys c a l a r q u a n t i t y ( p r e s s u r e ) a n d v e c t o rq u a n t i t y ( p r e s s u r eg r a d i e n t ，p a r t i c l ev e l o c i t y ， a c c e l e r a t i o n ，d i s p l a c e m e n t ，e t c ) a tt h es a m el o c a t i o n c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a l p r e s s u r es e n s o r s ，v e c t o r s e n s o r sc a nm e a s u r ea c o u s t i ci n f o r m a t i o nm o r e c o m p r e h e n s i v e l y m o r ei n f o r m a t i o nb r i n g sw i d e rp r o c e s s i n gs p a c ea n di n j e c t s m o r el i f et oa c o u s t i cs i g n a lp r o c e s s i n ga n ds o n a rt e c h n o l o g y b a s e do nt h ed e v e l o p m e n ta n da c t u a l i t yo fv e c t o rs e n s o ra n dv e c t o rs i g n a l p r o c e s s i n g ，t h et h e s i se m p h a s i z e so ns o m eb a s i ca n dp i v o t a lp r o b l e m so fv e c t o r a r r a yp r o c e s s i n g ，i n c l u d i n gc o m b i n e dd i r e c t i v i t y ，a r r a yg a i n , c o n s t a n tb e a m - w i d t h d e s i g n ，w i d e b a n ds i g n a lp r o c e s s i n ga n ds oo n ，t h ec o m p r e h e n s i v ea n a l y s i so f t h e o r ya n ds i m u l a t i o ni sg i v e na n d 灿r t h e rv a l i d a t e db yl a k en a i ld a t a b a s e do nt h ev e c t o rc o r r e l a f t o nr a d i u s ，w h i c hi st h ef o u n d a t i o no fv e c t o r a r r a yp r o c e s s i n gi ni s o t r o p i cn o i s ef i e l d ，t h ec o m b i n e dd i r e c t i v i t i e so f s o m ev e c t o r c o m b i n a t i o n sa r e c o m p a r e dt h r o u g h t h e o r e t i c a l a n a l y s i s a n ds i m u l a t i o n f u r t h e r m o r e ，t h el a k et r i a l r e s u l t so fm o g a nh i l lm a df u x i a nl a k ea r e p r e s e n t e d a l lt h e s ei n d i c a t et h ea d v a n t a g eo f v e c t o ra r r a yi nc o m b i n e dd i r e c t i v i t y , t h ea b i l i t yt o d i s t i n g u i s ht h et a r g e t sl e f ta n dr i g h ti so n eo ft h ee s s e n t i a l a d v a n t a g e so fv e c t o rs e n s o ra r r a ya ss e v e r a lm e t h o d sp r e s e n t e di n t h i st h e s i sc a n r e s i s tl e f ta n dr i g h ta m b i g u i t y t h ep e r f o r m a n c eo f t h e s em e t h o d si se v a l u a t e db y s i m u l a t i o n i ni s o t r o p i cn o i s ef i e l d ，r e f e r e n c i n gt h ee n e r g yd e t e c t o r sg a i no fp r e s s u r e a r r a y , t h ec o m b i n e dg a i n so fs o m ev e c t o rc o m b i n a t i o n sa r ea n a l y z e dt h e o r e t i c a l l y , w h i c hi sc o n s i s t e n tw i t ho u rs i m u l a t i o n t h ee x p r e s s i o n so ft h ec o m b i n e dg a i n s a r ea l s op r e s e n t e d 。c o n s i d e r i n gt h ec o m p l e x i t yo ft h ea c t u a ln o i s e ，t h es i m u l a t i o n s i nc o l o rn o i s eb a c k g r o u n da n de x p l a n a t i o n sa r eg i v e n i nt h i st h e s i s ，t h eg a i n 晗尔溺工程大学博士学位论文 a n a l y s i su s i n gt h el a k e f r a i ld a t ai sa l s od i s c u s s e d 。u n d e rt h ed e s i r e dn o i s e 是e l 硅、 c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a la c o u s t i cp r e s s u r ea r r a ye n e r g yd e t e c t o r , t h eg i v e n v e c t o rc o m b i n a t i o n s h a v em a x i m u ms p a t i a l g a i n s o f2 5d bt o4 5d b r e s p e c t i v e l y an e wa p p r o a c ht on a r r o w - b a n db e a m f o r m i n gb a s e do na d a p t i v en o t c hf i l t e r i s p r e s e n t e di n t h et h e s i s i nt b r r n so fau n i f o r mv e c t o ra r r a y , d i s t i l l i n ga n d t r a n s f o r m i n gt h ep h a s ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h en e i g h b o r i n gs e n s o r sc a nr e a l i z e c o n s t a n tb e a m w i d t hb e a m f o r m i n g 。u s i n gt h i sm e t h o d ，t h ef r e q u e n c yo ft h e 订a n s m i t t e ds i g n a lc a l lb er e d u c e dt ob e l o wt h eh a l f - w a v e l e n g t h 矗e q u e n c y m e a n w h i l e ，t h ed e s i r e dc o m b i n e dd i r e c t i v i t yo fv e c t o ra r r a ya c c o r d i n gt ot h e o n e w a v e l e n g t hf r e q u e n c yi sa l s oa c h i e v e d b e s i d e s ，t h ea d o p t i o no f t w o 。l e v e l c o h e r e n ta c c u m u l a t i o na l g o r i t h mc a r le f f e c t i v e l ye n h a n c et h ep e r f o r m a n c e ，t h e a d d e di m a g i n e d - s e n s o ri m p r o v et h ed i r e c t i v i t y t h r o u g ht h ev a l i d a t i o no f s i m u l a t i o na n dl a k ee x p e r i m e n t s ，t h ea p p r o a c hi sp r o v e de f f i c i e n t + a l l 醴墩ew o r k w i l tb ev e r yi n s t r u c t i v ef o rt h ed e s i g no f v e c t o ra r r a y b r o a d - b a n ds i g n a l sh a v ef e a t u r e sa sm o r ei n f o r m a t i o n ，s m a l l e rc o r r e l a t i o ni n r e v e r b e r a t i o nb a c k g r o u n da n ds oo nw h i c ha r ep r o p i t i o u st o s i g n a ld e t e c t i o n ， p a r a m e t e re s t i m a t i o na n do b j e c t sf e a t u r ee x t r a c t i o n + f o rb r o a d - b a n dl i n e a r f r e q u e n c ym o d u l a t i o n ( l f m ) s i g n a l ，ab r o a d - b a n db e a m f o r m e rb a s e do na d a p t i v e n o t c hf i l t e ri sp r e s e n t e d ，i td i v i d e st h eb r o a df r e q u e n c yb a n d 埝s e v e r a ls u b - b a n d s ， t h e nr i s e sd i f f e r e n tn o t c hf i l t e r st op r o c e s st h e m ，a n ds y n t h e s i z e st h eo u t p u t so f a l l f i l t e r sa st h em u l t i - b e a mo u t p u ti nt h ee n d i na d d i t i o n 。aw i d e - b a n ds i g n a l p r o c e s s i n gf r a m ei se s t a b l i s h e du s i n gf r a c t i o n a lf o u r i e rt m n s f o 髓( f r f t ) 。i n u n d e r w a t e rs i g n a lp r o c e s s i n g t h ed e t e c t i o np e r f o r m a n c eo fs o n a ri s g r e a t i y i n f l u e n c e db yd o p p l e r , t h el f ms i g n a l se n e r g yo 撼b ec o l l e c t e dh i g h l yb y a d j u s t i n gt h ef r a c t i o n a lo r d e r t h em e t h o dc a l lg e th i g ha n t i - d o p p l e rp e r f o r m a n c e a n dh a v em a n ym e a n i n g st oi m p r o v ed e t e c f i o hp e r f o r m a n c e 。 k e yw o r d s ：v e c t o ra r r a y ；c o m b i n e d1 ) i 糟c t i v i i y ；g a i na n n y s i s ；c o n s t a n tb e a m - w i d t h ； f r a c t i o n a if o u r i e rt r a n s f o r m 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。除文中已注明弓l 掰 的内容夕 ，本论文不包含任侮箕德个人或集体己经公开发表 麴作品成暴。对本文的磅究做出重要荧献熬个人稷集体，均 融在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结 粱由本人承担。 作者( 签字) ：窒墨翌 尽期：删年器月l 圈 第1 章绪论 1 1 立题意义 第1 章绪论 在人类居住的地球上，海洋的面积占7 0 ，利用与开发海洋长期以来就 是人类社会活动的重要内容。在人们所熟知的各种能量辐射形式中，以声波 在海水中的传播为最佳。但是，海洋作为声传播的介质，具有非常复杂的特 性，水声学作为一门理论与实验科学越来越显示出其重要性。 | l 壅麓第二次整爨大羧懿爆发，囊于军事上豹追切黎求，本声学愆到空藏 的发展，与其有关的领域，如：换能器设计、布阵理论、信号处理中的最佳 搂彀瑶论等遣逐渐形陂鸯琶的特惫。承声信号簸灌技术懿发袋是窝数字信号 处理、微电子学、计算机系统结构等相关技术的发展分不开的，它们互相渗 透、互相促进，把声呐技术的水平推向一个空前的高度。 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阵， 水声探测设备对传感器或传感器阵拾取的声场信息进行处理，从而做出判决， 确定是磷存在嚣标及嚣菰静状态参数、嚣标秘类，或蠢滚复爨标发爨兹添信 息，这就是水声系统工作的全过程。 声聪传感器及基阵在其出现麝的很长河耨雨，解决了稻学实箴豹许多淹 题，现有的水声系统尤其是声呐，都为声压信息处理系统。但是，随着人们 对海洋研究的深入，越来越多的问题己缀不能依靠或不能仅仅依靠声压传感 糕及冀慕痒寒缎持迪薅决。剿翔，靠近声学敬障扳鲍声压测爨，单翔声鹾传 感器来实现就可能会遇到灵敏度或信噪比过低以至无法测量的困难；对噪声 源在空阉帮辊械装置中进行定位及功率磷究，警干扰臻声距溺量表溪缀遥藏 噪声级很高时，用压力平方方法确定的声功率会给出宪全错误的结果：对低 信噪比瞄标的检测，舀前最常用也最直接有效的方法就是采糟大的求昕器阵 列来测攫声场多点的声压毽，通过空闻滤波获缮空间增益，从而提赢检测性 能，随蓿频率的不断降低，声压传感器阵列在保持一定增益、束宽的条件下， 哙尔谈工程大学媾士学位论文 阵捌孔径越来越大：再如，方位分辨左右舷模糊问题是常规拖曳线阵阐有的 缺点，也是裔8 。年代中期以采研制主、被动拖线阵的各困专家所瞽遍关注的 瘸题。声矢量传感器我联合信憨处疆按术便是解决以上阁题酶有效途径之一。 声波是缴波，声压是标量，掇速是矢量，援速方囱与接播方匙一致，雄 个振速传感爨裁提供声场的方位信息。报速传感器响应振速在其辘上的投 影分量，因而具青c o s p ) 形式的指向性，势且该指向性与频率无关，这意味 着甚低频时它也有指向性。因而，一个小的振遽传感器就可以用涞测量辐射 低频声波的目标的方位，而不一定去采用很大的水昕器揍阵a 这两种方法为 达到相同的爵的所采厢的传感器的尺度竟相差几百倍，龆然，这对高效、使 用方便酌永声系统的设计有十分重要韵意义。 将声骶承嚼器和搽瀵铸感嚣组合成个整体，称海“矢爨僚黪嚣”，又称 “缝合键黎撩”，蹬之凝霞黄辘匏参艇馋惑嚣。矢爨抟惑器凰黠摭取声援中黪 声援窝缀逮信惑，馒褥联合缝理秘毽瓣声挺量璐釉矢量璎共爨携繁熬繇境辩 嚣搽蔼惑藏为胃黯，辫就，炙罄替感耢蓉统较鞭糖瀚声压黉憋嚣蒸统窍委大 的优越憾。幽此发展越来的声压、搬遴联合信号处理技术必将绐水声信号处 毽及声确技零颧域带泉颟麓瓣力。 零论文在憨缮霹蠢、癸磋褰惑暴瓣基懿上，添绫逡努舞了矢篷镑感嚣瓣 组合指淘幢，奁此基砌上飙联论、髂凝、潮试等方鬣对矢显阵增蘧避彳亍分辛厅， 并绘窭了媾盏表达式；辍蕊了一穆麓予叁逶盎n o a h 滤波器熬渡寒形畿錾方 法，莠遴过变换耀邻辫元稿键莲实璐了矢蘩箨毽建寐塞渡素黪戏设诗；交磐， 钤辩宽辩线瞧谲颓蔷弩掇出一耪爨黎渡慕形成方法，并萼i 入分数除f o u r i e r 变换的处溅方没，掏逸了种宽带储姆处耀的理论框架，给出了仿真结果及 濑试数掇分橱结暴。 1 2 失嚣传感器概况 在涟缕夯麓声瑟孛，经意一煮附邋蕊逛动凝拳磁鬻声莲p 、密凌妒爱套 溪溪点掇滚v 啦一表瓣。声场中，与艨煮缀速v 穗捷联滤物爨矢爨霄；矮蕊 餐移量茹、麓点爨速攫稿及声嚣梯嶷鼙多，黠予谐禳黪坡，它们瓣方礴媲爨， 虽穰度爱麓经蠢凑定黪关系，絮下袋： 2 第1 章绪论 x ：一二，口：，州，v p ：一j c o p v ( 1 1 ) 上式中0 9 为角频率。 矢量传感器( a c o u s t i cv e c t o rs e n s o r ) 由声压传感器与直接或间接测量振 速的传感器以不同方式同心复合而成，是可同时测量水下声场的标量( 声压) 和矢量( 声压梯度、质点振速、加速度、位移等) 的声接收换能器。质点振 速水听器是矢量传感器的核心和基础，它的性能很大程度上决定了矢量传感 器的性能。要获得声场中的振速信息，可以直接对声场振速进行测量；也可 以间接测量质点位移量、质点加速度或声压梯度，然后根据( 1 1 ) 式对其灵敏 度及相位加以校正得到振速。可见，在流体密度己知的情形下，矢量传感器 能够提供声场的标量和各种矢量信息。 1 2 1 矢量传感器发展 矢蠛传感器技术是当前水声界发展的新技术之一，其思想可追溯到上个 餐纪裙。二+ 谶纪3 0 年代，德謦久最先搀军事黼豹磊尝试瓣藿凄点缀速。在 以后的数十年间，美国、俄罗斯相继研制出振遮传感嚣，1 9 4 0 年到1 9 7 0 年 间，俄罗斯、美国、英国、瞄本和法国等登记注册了1 4 0 多个关予振速传感 嚣兹设计及其疲题的专剥审请。 1 9 4 1 年，燕国已制出声压梯魔水听暑导【 】，并开始必注振遴传感器在声呐 中戆应瓣，最举祷多镐极予传感嚣嚣予黟穗浮椽，逐搽索矢麓健惑器应臻予 摭曳线列阵，以便用声强流矢量方向来分辨目标在阵的左右舷，甚麓探索用 振速传懑器阵采替代舷侧降声呐的水听器阵。 1 9 5 6 年，荧国海军军械实验警研制如的第代球形振速水昕器，型号为 s v - 1 和s v - 2 ，用它可以在膏频范围内对换能器进行校准。该鼷验室述将翼与 声篷东瞬器一起萋予接运漤底戆霞霆，域溅量漤底夔声学譬誓瞧h ”。 1 9 9 7 年，哈尔滨工程大学的贾志富教授成功制作了同振球形声压梯度水 孵器f 1 9 。该承游器嗣船速度计俸为敏感元俘蒇爨在一个丽硬豹壹径佼为6 蓬 米的球壳内，并通过悬置装置的黍性连接将球壳置于声场中，测得1 0 恐 6 3 0 0 娩的频率范围内指向性的最大值和鬣小慎相差超过2 0 d b ，虽指向性整 有良好的对称性。 目前，美国、俄罗斯在矢量传感器研制应用方面处于领先地位，在美俄 两国，性能稳定的矢量传感器己进入工程应用阶段 1 7 1 ，在矢量传感器校准 方面也进行了探索1 8 】【1 9 1 。 1 2 2 矢量传感器分类 矢量传感器，按其所测量的物理量不同可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。而质点振速的测量可以直接由振速水听 器或通过简单的微积分电路由加速度水听器或位移水听器来实现；质点振速 与声压梯度( 瞬时声压随距离的变化率) 之间又可通过线性欧拉方程联系起 来，于是使用两个互相靠近并留有间距的声压传感器就可测量出声压梯度并 由此导出质点振速。 矢量传感器按其结构形式可分为：力学型和惯性型。力学型矢量传感器 响应空间两点位置上的相位燕，即是基于相位梯度的测量，双声聪水听器和 不动辨竞型永瞬器都属于力学型。双声瞧型是由有一定闻疆的两只声压传感 器构成，电路输舞反接，类似“双微音器”，不动外焘麓其有固定不裙的外壳， 双迭片式压电敏感元件固定于外壳上，压电板在沿熊厚度方向的声压梯度作 用下作弯曲搬动。惯性型矢量传感器响应其所在位殿处质点的矢擞信息( 如 位移、振遮藏黯速度) ，簸赣箕癸壳霓黟场蒺纛匏摄凌藕合到敏感元磐土，默 而引起敏感元件振动，所以惯性型矢鬣传感器也称为同振型矢量传感器。 按所测物理量：声雁梯度、位移、振速、加迭废 按缭鞫形式 客霪蓁：。蔷嘉主尹、苓动努壳型 f 磁场性：电动式、电磁式、磁致伸缩式、超导电式 按换能原理 电场性：电容式、腿电式 | 竞绎式 按空间响应维数：一维、二维、三维 图1 1 矢量传感器分类 f i 9 1 1c l a s s i f i c a t i o no f v e c t o rs e n s o r 按照换能原理，矢量传感器可分为磁场性和电场性两类嘲，具有磁场性 的传感器包括电动式、电磁式磁致伸缩式和超导电式等，具有电场性的传感 器主要包括电容式和压电式。另外，按照空间响应维数可分为一维、二维、 三维矢量传感器。 由于压电陶瓷在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，目前研制的矢量传感器多是基于压电加速度计原理的惯性型矢量传 感器，此外，光纤式矢量传感器正成为发展研究的热点。 1 3 矢量信号处理一般概念 对于平面声波，它的声压和振速满足声学欧姆定律，二者的比值为常数， 该常数即为介质的波阻抗p c ( p 为介质密度，c 为声速度) ，声压和振速的比 值为常数，即声压和振速具有相同的波形，二者是完全相关的。对于球面波， 只要在远场，欧姆定律仍然成立。对于分层介质中的点源声场，在足够远的 距离上，上述规律也是近似成立的。一般说来，任何声源的足够远的距离处 的声场都可近似看作平面波，均可应用声学欧姆定律。总之，在远距离处， 相干源声场的声压和振速具有相同波形，二者是完全相关的。据此，对于二 维声场，可以把声压p ( f ) 和振速v ( f ) 写为： p ( t ) = x ( t ) ( 1 - 2 ) v ( f ) = i x ( t ) c o s o + j x ( t ) s i n 0 ( 1 3 ) 上式中，不失一般性，省略了一个常系数，把声服和振速的波形都写为 x p ) ，i 鞫j 为惩交鲍萃整炙量，0 为振慈矢量与善辘豹夹囊。 矢嫩传感器输出声波振速在其响应轴上的投影v ；和v 一由( 1 3 ) 式可知： v a t ) = x ( t ) e o s o( 1 - 4 ) 0 = x ( t ) s i n o ( 1 - 5 ) 矢灏传感器的二个振遮分量其有正交的偶极子指向性c o s o 和s i n 0 ，该指 巍犍与频率无关，是“扩字形豹宽豢搓淘蛙，特别曩簧指出，尽管羁极予捂 向性在形式上是对称的，但由( 1 4 ) 式可糟到，0 相差1 8 0 。时三角函数改变正 受号。晓就是说，萃个振速分量帮可势辩“基豁左、裘舷”。声渡楚级滚，攘 邀方向与声传播方向一致，测量掇速矢爨的方向就可以测定声源方位。棚反 啥尔滨工穰大学博士学位论文 方囱入魁声波熬振逮分量，其_ 芷受号攘反，尽管偶极予撂两性是对稔的，嚣 个对称的指向睦波束联系着蝴反的输出簿号。 在各向同性环境噪声场中，通过时域积分可抑制与平稳信号频带重合的 各向同性环境噪声，从而提高信噪比，这慰矢爨传感器在各向同性噪声背景 下检测的理论基础，这种不同于常规声压信号枪测的方法被称为声强检测。 声驱与振速的乘积称为“声强流”p v ，由( 1 - 2 ) ，( 1 - 4 ) ，( 1 - 5 ) 式可知： p p ) q p ) = x 2 ( t ) c o s o ( 1 - 6 ) p ( t ) v y ( t 1 = x 2 ( t ) s i n o ( 1 _ 7 ) 矢爨传感器埝出熬掇速遂尽声强滚螅冬分爨的搬向性均霹电子旋转。霹 褥到组合输嫩： 叱( r ) = v ，( t ) c o s 0 0 + v ，( t ) s i n o o ( 1 固 v ，o ) = 一v ，( t ) s i n o o + v ，( t ) c o s o o ( 1 _ 9 ) 将( 1 4 ) ，( 1 - 5 ) 式代入，得到： v 。= x ( t ) c o s ( o 一岛) ( 1 _ 1 0 ) v ，0 ) = x ( t ) s i n ( o 一氏) ( 1 _ 1 1 ) 缓套埝爨v 。$ ) 篡穰髑极予据海技e o s ( o 一懿) ，毪篡骞搿岛瞧 s i n ( # - 毪。羧交雩；嚣穷往繇熬毽，麓可豁蓑鬻麓令嚣交静疆裰予攒舞夔。 声强渡瓣拯晦悭与掇遮的楣圊，v 。9 ) 的指向性极大值掇向氓方向，丽v 。( f ) 的 捃泰蛙零感捂蠢繇方麓。 1 ，4 美鬣售号焚疆磷窕凝嚣 二十渣缝丸宰我，荚落s c r i p p s 海漤鼓零嵇巍搿裁骚耪骥爽凝塞辑澍了 嚣套美羹僚感器系襞； 2 争s w a l l o w 浮标装鬟 胄豫，就褥劐波束主瓣攒阅簿法线方囱嬲输 融福魔淹： 附鲫戮嚣篙詈端 p s ， 只癸於偿漪延馕，裁可以将波柬主瓣撵潮壤方两，绣称茂“萼l 粤方位 ( d r i v i n ga n g l eo rs t e e r i n ga n g l e ) ”。不难褥劐， 聊剐= 篇鬻罴篆罢美铬 p 4 ， 稼3 ) 式嚣( 2 - 4 ) 式撞窭，在波寒蕊主极丈( 主瓣方囱，瑟o = o o 懿，妇 一纯输出幅值取得最大僮，鱼等予l 。邵善熬元输出经所辩豹时延藏褥移铃 楼瑟对繇方趣入射豹平嚣技实魏月穗叠期，扶嚣寿效地辕如该方囱豹债母， 辨在定程度上抑制其它方向入射的声信号。 蠡上述努柝霹躲，主瓣宽嶷与频率、薄嚣数、阵咒籁鞭液反魄。对予萍 无数定的等间距崽线阵，阵的相对尺度( 即d ， ) 决定了指向性的部分特 征，瓴括：极大值( 圭极大值、剐极大f i t ) 的赛度、旁瓣瀚个数与间隔、零 蠡羹个数毒瀚隔等簿+ 换言之，辩子绘突黪黪灏鼯壹线黪( 薄元数、黪嚣凌 距一定) ，上述特裰取决于工作频率。 哈尔滨工程大学博士学位论文 2 2 波束形成方法 波束形成有许多种方法，可以按照不同的标准对它们进行分类。例如： 根据采用的权值是否时变可分为常规波束形成和自适应波束形成；根据是否 对信号采用限幅方法压缩动态范围可分为限幅波束形成和线性波束形成；根 据波束形成在时域完成还是在频域完成可分为时域波束形成和频域波束形 成：根据信号频谱的宽窄可分为宽带波束形成和窄波束形成等。但是，这些 分类的方法并不是互不关联的，不同的分类方法只是侧重的方面不同而已。 根据下表给出的常规波束形成方法的分类情况 4 6 】，可以看到，常规的方法还 包括了其它分类方法中的波束形成方法。 常规波束形成 时域波束形成 f 延迟求和波束形成 宽带波束形成 d o w n - s a m p l i n g 波束形成 l 内插波束形成 f 正交或基带波束形成 窄带波束形成 募鬈鋈麦鬈曩束形成 u p s a m p l i n g 波束形成 频域波束形成f 妻喜鎏案毳盏 图2 2 常规波束形成方法分类 f i 9 2 2c l a s s i f i c a t i o no f c o n v e n t i o n a lb e a m f o r m i n g 2 2 1 时域波束形成 时域延迟求和波束形成器是一种简单的波柬形成结构，如图2 3 所示。 为了在舔或方镶( 孳l 鼯方位) 形藏波束，黠每个簿元的浚壅需要延逡采糕润 隔f = 1 f 的整数倍。如果设定方位波束个数为h v 。，则图中的结构需要重笈 ，。次。对应每个渡柬方位，有一系列整数值置，f = 1 2 ，耐，表示需要簸 遮的整数倍数。在延迟运算羼，需对接收信号乘以一系列实数加权因子，飚 厝求和。一般情况，如果所有预成方位使用相同的加权因子，则可以对传感 1 6 第2 章矢量阵组合指向性设计 器输出直接加权，即在延迟求和运算( 形成不同波束) 前加权【7 1 。 对于等间隔的直线阵，如果希望在酿方向预成波束，则第i 个阵元所需 的时延量等于d ( f 1 ) c o s 酿c ，i = l 2 ，m 。但需要特别注意的是，对于 图2 3 前面已经提到，对每个阵元延迟的时延量必须是采样间隔的整数倍， 因此能够得到的引导波束方位必须满足d c o s 酿c = 肌f ，或表示为： 一c o s 岛= m c ( d f ) ，m = o ，1 ，2 ，3 ，( 2 5 ) ，一7 ，叫生! h ! 卜_ t 卜 o + 匦寸 图2 + 3 时域延迟求和波束形成器 f i 敢3t i m e d o m a i n - d e l a y - s u mb o r m f o i n g r 对于所关心的一定空间范围，通常要求目标源方位在相邻波束的最大响 斑辘阀交纯露，功率酾应攒失枣予3 d b ，渡蘸霹激确定覆盖就蓬圈掰需要静 波束个数。 很驻然，为了使相邻波束旋转的角度尽量小班满髭波束覆盖静簧求，就 爨要提建数据携采样率，即怼传感器的输出实现过采梯。一辩解决方法是在 每个阵冗采用高速的a d 转换器；另一种方法是对阵元的数字信号进行内插， 麸嚣提蒜采榉频率。莱襻凝攀熬掇褰，嚣疑会攘大诗舞量，嚣魏要我具髂貌 艨用场食而定。 由时域波柬形成的原鬻可知，就方法不受信号中心频率的陲捌，蠢予宠 带和窄带信号均适用。 2 。2 。2 频域波寒形成 对照线经系统褒论霹翔，渡索影残魄是一穗卷撰运算，因嚣可髑频域豹 乘积实现，所以波束也可以在频域内形成，这就是频域波束形成【4 】【7 】o 晗尔滨工程大学博士学位论文 对予m 元等间距声压水听器直线阵，对降元i 的输出信母置( f ) 进行采样， 取三煮 睾离教薅墨静变换( d f t 遮算) ，繇 置( 七) = 一( 啦一，i = o ，1 ，m 一1 ；f _ 0 , 1 ，l - 1 ( 2 6 ) 其中i 为阵元号，为线谱号，z 为时闽序号。因此羔；( ，j ) 表示第i 号阵元接收 静融阉净弼静谱。濑予有掰令褡元，透我，稼，6 ) 式豹运冀蜜进雩亍掰次。 其次，对同一净号后的谱线作空间傅里叶变换。将置( 詹) 重排为墨( f ) ， 进行下列计算 夏( 拼) = m - i 强邑( f ) g 。万8 ，m = o ，l ，m - 1 ( 2 7 ) 其中脚为波束号；为阵元的幅度权值；y a m ) 代表k 号频率分量的第m 号 波束输燃。由此可照，利用二维d f t 即可实城频域波束形成。 注意妥，( 2 7 ) e e 在截空润d f t 对，不论赣率五为嚣毽，对于第, t t t 譬渡 束，相邻阵元间补偿的相位角均为m 2 x m 。而实际上，对不同频率这个补 偿相位廪不相同，谮则各个不同频率同一m 号的波束将指向不同方位。在此 毒援f ，不可蹇菝褥闲一搬号懿务频率分量戆波紊辕出平方攘燕。 为了克服在空间d f t 逡算中鞭定相鄙阵元闻补偿相继为辨，2 ，r t m 姘日i 越懿阏憨，必缀在诗算鼍( 礅) 靛式中进行修蒸，帮谚正必 ( 搬) ：竖2 - ：1 毽最# 净一7 警”+ 。m 1 ( 2 8 ) ( 搬) = 乞毽最# 净。茹“” ( 2 * 8 ) 逡熙，我们省去对矗，的推导，直接给出两种修正方式的表达式 4 1 ： 一。- a k ：删掣( 2 - 9 ) 飞，一 = 等卜岛) - - m 象i ( 2 - 1 0 ) k垤“1 程( 2 - 9 ) 中，w 取信母盼死衙中心频率，耀= 以五( 石，五秀信 号下黻豢率) ，络炎设诗孵静参考频率。这耱掺正方遗势累保证冬渡寨在o 坐标轴上等间隔分步，而是在s i n 0 上等间隔分布。由予随波柬偏转角的搠大， 波索掩囱危0 麓闽麓逐游麓大，奁精覆较大辩不举l 于纛接鞠爨渡泰号避褥宠 瞧。鼗时，常希辇波东指向接0 辘均匀分蠢，阕此，彤按式( 2 - l o ) 避行修正。 强式稿1 0 ) 孛，玩为掰要求瓣两滚窳夹角域基本指齑旁。 8 第2 章矢量阵组合指向性设计 现在令( f ) = p 一百“，则( 2 8 ) 式可写为： y k ( m ) = d f t w , x a i ) 【( f ) 】1 = - 专y k ( m ) 圆u k ( m ) ( 2 - 11 ) 其中圆表示循环卷积，以( 珊) 是( f ) 的肼r 。 进而，可求出各波束的输出，即 巧= 了1 己l - i , ( 研) 1 2 ( m = o ，1 ，m 一1 ) ( 2 - 1 2 ) 若要恢复成时间序列，可不求平均，只要将y k ( m ) 转角重排成y 二( 七) ，求其逆 傅里叶变换( i d f t ) 得到第m 号波束，输出时间序列为： 口。( d = 面1m 己- i ( 埘。( z ：o ，1 ，m l ；肌= o ，1 ，m 一1 ) ( 2 - 1 3 ) 虫于频域波束彤成中的d f t 可以用数字信号处理中的快速傅量时变换 ( 灯r ) 加以实现，因而比时间域形成多个波束运算量要小。柱许多场台， 频域波束形成比时域波束形成效率更高些。 2 2 3 加校波束彩成 为了改善綦蓐黪指囊挫，铡热改善主旁瓣粒摆慰螟度等，可敬穗羚偿基 蓐各个阵嚣输出之趣豹射阕延迟的网封对其进行一定的幅度如权。常用的加 权标缎有：在给定旁瓣赢度的要浓下获得最窄的主瓣；在给定主瓣宽度要求 下获得最低的旁瓣：在定阵元数目下，满足给定的主旁瓣高度比等等 4 1 。 常用的加权方法有：均匀加权、道夫契比雪夫( d o l p h c h e b y s h e v ) 加权、 最小方差既失真响应加权( m i n i m u mv a r i a n c ed i s t o r t i o nl e s sr e s p o n s e m v d r ) 等。 均匀加较波束形成是指对鏊阵各个簿元豹输滋信号进行楣阕鹊幅度船 权，蔼只楚旌掇不溺鹣辩窝延迟的方式，采用这秘方法可以获彳罨窄圭瓣、裹 旁瓣。 对于均匀分布线到眸，通常采用d o l p h - c h e b y s h e v 加权，用这种加杈方 式可以得到相同的旁瓣级。d o l p h - c h e b y s h e v 加权具有以下两个主要特点： 1 在任意给定的旁瓣级下，d o l p h 。c h e b y s h e v 加权能使主瓣宽度最窄； 晗尔躐工程大学薄士学位论文 2 在给定主瓣宽度静条件下，d o l p h - c h e b y s h e v 翔权熊使旁瓣缀最低。 对于m ( 埘= m 一1 ) 元等间距线阵，契比雪夫加权的计算步骤 4 1 ： 1 根据主旁瓣比a ，利用下式求褥； a 界矿岵) 1 ，1 t ) 2 + 盘利用下式计算参数a ； 一 a 小专 ( 2 1 s ) 盖二 3 利用权值的计算公式计算相对予口的权系数，最后代入搿值得到各个 权篷磊。 喽= 糍积2 ( 等 矿。纠一叫， 黼防志皤p t 应该措出，黼度蕊敖所褥弼魏旁瓣级簿低楚豁主瓣赛度增窳为代侨懿。 当肖大嵇弩和小信号嗣时存谯予不问的波寐，采糟d o l p h - c h e b y s h e v 翻权熨 利予小德母的捻测：瓣予单豫热投，更适合分离或分辨功率褶近，入射方便 耀避的鼹个髫撂 7 1 。 2 3 各尚同性嗓声场中鑫誊矢麓耀关特憔 各囊矮毪噪声甥黟藤静整阕甥关半径簿盖，2 ，志为波长，激鞋，常震静 声缀基簿麓半波露疆终。这绦诞套簿元辕囊熬冬凄疑滢予技是曩不穗荚熬， i i i 秘标僚母是稻予豹。遴论上举已涟胡，在淫怒蘩箨下等投半波窝鼹线经礴 宓鞋声珏降赴瑾怒最佳静，它楚最大钕然浅薄箍爨+ 也楚输密激大信杂藏静静 处理。半波间躐声压眸的指囱性不会描现剿极大( 与波索主瓣旗度接近豹) 波寒旁瓣，毽巍工传凝察增耱一薅孵，簿籀起毪褥蹬瑷瓤极大。这旃导致簿 l 鑫囊于拨蘧热，势产生援标方姣搽测模糊，因她，鬻援瓣声援跨豹工作卷宽 必须小予一个镕撅程。矢量辫靛终嚣瓣疆豁痤戳