（水声工程专业论文）基于矢量水听器的宽带辐射噪声测量方法研究.pdf

a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fv i b r a t i o n a n dn o i s er e d u c t i o nt e c h n i q u e ，t h e r a d i a t e dn o i s ei n t e n s i t yf r o mu n d e r w a t e rt a r g e th a sb e e nr e d u c e dg r e a t l y t h e n t h e t e c h n 0 1 0 9 yo fn o i s em e a s u r e m e n t f a c e san e wc h a l l e n g e ，e s p e c i a l l yo nd e t e c t i o n s o fl o wf r e q u e n c ya n dl o n g d i s t a n c e an e wm e t h o dw a sp r o d u c e dw i t ht h e d e v e l o p m e n to ft h ev e c t o rs e n s o rt e c h n o l o g y t h i sp a p e rs t u d i e st h em e t h o do f n o i s em e a s u r e m e n tb yu s i n gv e c t o ra r r a y t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ec l a s s i f i c a t i o n s ，p r o p e r t i e sa n dc o m b i n e dd i r e c t i v i t y o fv e c t o rs e n s o r s b a s e do nt h e v i e wo ft h ea l g o r i t h mo fc o n v e n t i o n a l b e a m f o r m i n g ，t h ea l g o r i t h mo f t i m ed o m a i nb e a m f o r m i n g a n df r e q u e n c yd o m a i n b e a m f o r m i n ga r ed i s c u s s e d ，a n d ac o r r e c t i o nm e t h o do ft h e v e c t o ra r r a y b e a m f o r m i n g i s p r e s e n t e d t h e nt h r o u g ha n a l y z i n g t h e p r o p e r t i e s o ft h e w i d e b a n dr a d i a t i o nn o i s em e a s u r e m e n t s ，am e a s u r e m e n ts y s t e m w h i c hi su s i n ga c o r et e c h n o l o g yo fv e r t i c a lv e c t o ra r r a yi sp r e s e n t e d ，a n dt h ea l g o r i t h mo f w i d e b a n dc o n s t a n tb e a m w i d t hb e a m f o r m i n gi sp r e s e n t e d t h r o u g hp r o c e s s i n g s o u n dp r e s s u r ec o m b i n ew i t hp a r t i c l ev e l o c i t y , t h ei n f o r m a t i o no fu n d e r w a t e r t a r g e tr a d i a t i o nn o i s ef i e l di se n t i r e l yu s e d b yu s i n gt h ea p e r t u r es y n t h e t i c w i d e b a n db e a m f o r m i n ga l g o r i t h m ，t h et h e o r yo fd e s i g n i n gt h ec o n v e n t i o n a lf i l t e r i si m p r o v e d ，a n daw i d e b a n dc o n s t a n tb e a m w i d t hi sr e a c h e di nt h ea p p o i n t e d b a n d w i d t h b yu s i n gt h i sb e a m f o r m i n ga l g o r i t h m ，t h ep r o b l e mo fp o r t a n d s t a r b o a r da m b i g u i t yi ss o l v e d ，a n dt h ea n t ii n t e r f e r e n c ea b i l i t yi si m p r o v e d b a s e do nt h em e t h o di n t 1 1 i s p a p e r , t h es i m u l a t i o n i sc a r r i e da n dt h e m e a s u r e m e n td a t ai sp r o c e s s e d b yu s i n g an e wm e t h o do fs e n s i t i v i t y a m e n d m e n t t h ei n f o r m a t i o nl o s si sr e d u c e d i ti se f f e c t i v eu s i n gt h ea p e r t u r e s y n t h e t i cw i d e b a n db e a m f o r m i n ga l g o r i t h mb a s e do n v e r t i c a lv e c t o ra r r a yi nt h e w i d e b a n dr a d i a t i o nn o i s em e a s u r e m e n t so fu n d e r w a t e rq u i e tt a r g e t s k e y w o r d s ：r a d i a t e dn o i s e ；v e c t o rh y d r o p h o n e ；s y n t h e t i ca p e r t u r e 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、数据和文献的引用己在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中己注明引用的内容外， 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。 作者( 签字) ：橐蓉篡 日期： 口哪年；月2 0 日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 口在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：皋襄泉导师( 签字) ：方泳亚 曰期： 如研年弓月如日朋夕年弓月硼日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 引言 地球上的生命起源于海洋，海洋对人类文明的形成和发展有着极为深刻 的影响。第二次世界大战以后，海洋的价值和地位更加凸显，日益成为增强 国家综合国力的资源宝库和可持续发展的战略空间。2 1 世纪，海洋既是人类 发展的场所，同时也是竞争的场所；既给人类带来了发展的机遇，同时也带 来了极大的风险和挑战。我国面对广阔海洋的形势十分严峻，海洋安全也成 为国家安全的重要组成部分。海洋安全关系到国家的安全，维系着国家未来 的生存和发展利益。因此，应提高国民的海洋意识，加大国家海洋安全保护 的投入，建立独立的综合的海洋安全管理机构，采用信息技术，建立强大的 现代化的海洋安全保护体系，有效的保护我国的海洋权益，维护最根本的国 家利益。 在人们迄今所知的所有能量传播形式中，声波传播是在海洋中最佳的传 播方式。因此水声技术成为了当今研究和探索海洋的主要手段。最早的声纳 可以追溯到1 5 世纪末意大利科学家莱昂纳多达芬奇( l e o n a r d od a n c i ) 使 用的声管，距今已有5 0 0 多年口1 。声纳是应水下目标探测的需求而诞生，已 有几十年的发展历程。由于它具有全天时和全天候，并且容易进行远距离搜 索、检测和目标跟踪的特点，至今仍是一种广泛使用的探测系统d 1 。现代声 纳多是通过水听器接收信号来实现对目标的定位和测量，阵列技术也成为了 当今水声等系统的核心技术【q 。然而随着对测量目标辐射噪声的降低和测量 精度的提高，传统对标量处理的阵列技术，已经无法满足人们的需要，因此， 展开针对矢量场特性的传感器阵列及其技术的研究必将为阵列信号处理领域 带来新的活力，对于提升声纳系统的战术技术性能具有重要意义。 1 2 研究的背景和意义 阵列信号处理有着非常广泛的用途，如声纳、雷达、通信、图像处理、 地质勘探、天文探测和生物医学等领域，因此直是人们研究的热点。波束 形成技术是指将一定形状( 直线、圆柱等) 排列的多元基阵各阵元输出经过 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i i i iii i ；i i ；i ；i i ；i i i i ； 处理( 例如加权、延时、求和等) 形成空间指向性的方法垆1 。波束形成方法 一方面可以获得足够高的信噪比，另一方面也可以得到好的目标方位分辨力。 波束形成器只允许沿空间某一方向传播的信号通过，而抑制来自其它方向的 干扰和噪声，从而获得空间增益，提高信噪比。 被探测目标隐身能力的提高和声纳系统使用环境的日益恶化已成为阵列 系统的最大挑战嘲。其一，随着减振降噪技术的发展，水下目标的辐射噪声 不断下降，传统的辐射噪声测量多使用单个声压水听器或者多个声压水听器 构成的水听器阵列，但是声压阵存在许多无法克服的问题，在低频段为了获 得可观的空间增益和保持一定的束宽，所使用的声压水听器阵列一般都很庞 大；当阵元个数有限时，对低噪声目标的检测存在着定的困难；同时，声 压阵对目标定向存在左右舷模糊问题，如果要克服左右舷模糊，就需要将线 阵旋转9 0 。，对目标进行两次定向，这为实际操作带来了诸多不便，而且线 阵经调整后，需要有一定的稳定时间，容易丢失快速运动目标。由于上述问 题带来的诸多不便和在低信噪比条件下对检测能力要求的不断提高，人们想 到在测量声压标量的同时也可以测量振速矢量，于是矢量水听器应运而生。 矢量水听器是将声压和振速组合为一个整体，同时进行测量，所以又称为组 合水听器。矢量水听器的工程应用为声压阵存在的若干问题的解决提供了新 的思路。其二，水声信号处理正向宽带和低频方向发展，阵列接收到的信号 往往是宽带的，宽带信号所含的有用信息远比窄带信号丰富的多，这些信息 为信号的参数估计、特征提取及目标识别等提供了有利的保障。因此在目标 识别、生物医学及麦克风阵列等领域，常常要求基阵能够不失真的接收宽带 信号。但是阵列宽带信号的处理也比窄带信号处理复杂的多，如何合理、充 分地利用宽带信息，是阵列信号处理面临的研究课题。 从水声信号处理的发展来看，自八十年代以来，宽带水声信号处理成为 水声信号处理的发展方向p 1 。处理宽带信号往往是用宽带波束形成器，恒定 束宽的波束形成器设计就是其中的一类问题。针对噪声测量系统，基阵的主 波束应完全覆盖被测目标，若主波束过宽，则引进过多的噪声，若主波束过 窄，则不能完全测量水下目标的信息。那么主波束不随频率变化的噪声测量 系统就能满足完全覆盖被测目标的条件，由此可见，宽带恒定束宽波束形成 器在噪声测量中具有重大意义。 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 3 水下目标辐射噪声测量方法 海洋技术和航空技术在二十一世纪取得了前所未有的发展，舰船隐身技 术是其中之一，各种舰船辐射噪声显著减小。目前，一艘常规动力水下大型 结构的噪声级已经由2 0 世纪5 0 年代的1 6 0 - - 1 7 0 d b 降到1 1 0 1 2 0 d b ，相当 于2 - - 3 级海况的自然噪声级。由此看出，降低噪声、提高隐身性能是各大军 事强国追求的目标，于是出现了“安静型目标”、“隐身目标”、“无噪声目标” 等。美国成功的研制出隐形飞机后，又大力进行隐形舰艇的研究。在7 0 年代 研制了g p l i p s c o m p 安静型目标，在9 0 年代又研制出了s s n 2 1 ( 海狼级) 目标，其噪声级己降至9 0 d b 左右，已低于三级海洋环境噪声。同时俄罗斯 也设计出了被西方称为安静型目标的k i l o “基洛 级目标，其噪声级可淹没 于一级海洋环境噪声。另据法国、瑞典等国资料透露，它们的常规动力水下 大型结构的噪声在低速时，其辐射噪声可低于1 2 级海洋环境噪声惮1 。我国 的新型安静型目标的减振降噪技术也获得了飞速度发展。随着水下目标辐射 噪声的降低，对噪声测量技术也提出新的要求，为了能对安静型甚至极安静 型隐身目标进行有效的作战，迫切要求声纳系统提高对微弱目标的检测、定 位、识别和跟踪能力。水下目标辐射噪声的测量是世界各国都极为重视的研 究领域。对目标辐射噪声的精确测量不仅是正确掌握和评价水下目标的战术 指标的必须条件，同时对于不断提高和发展对于安静型目标的探测能力具有 重要意义。 由此可见，对于水下目标辐射噪声的测量，增大声纳阵列的处理带宽和 降低处理频段以便最大限度的利用水下目标降噪能力较弱的低频段信息，以 及采用各种新颖的布阵方式和高级信号处理方法以提高声纳阵列的空间处理 增益。显然，需要在较大的带宽上研究各种声纳阵列的宽带波束形成技术， 以便在有效的抑制宽带干扰和环境噪声的同时无失真的获取目标的宽带噪 声，这将是实现上述问题的关键。 1 3 1 垂直矢量水听器阵列应用于水下目标辐射噪声测量 目前，进行水下目标的辐射噪声测量，可以采用常规声压水听器组成的 声压基阵。但是，声压阵在测量弱信号时为得到较高的阵增益，往往体积庞 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 大，对布放、后处理以及成本都造成一定的负担。矢量水听器的出现，为此 问题带来了一丝曙光。采用矢量水听器作为水下目标辐射噪声测量的接收换 能器唧，是一项在七十年代后出现的获取水下噪声信号的新方法。矢量水听 器具有同时共点输出介质的质点振速信号和声压信号的能力，美国物理研究 所著名的噪声专家t h o m a sbg a b r e l e s o n 在1 9 9 5 年发表的一篇有关矢量水听 器的专门报告中指出：在噪声背景或微弱信号的测量中，速度和加速度或者 位移水听器的应用是最有效的。 在对水下目标辐射噪声测量的方法中，如果使用单个的矢量水听器，则 具有成本低廉、系统简单、布放使用方便、可靠性高等明显优点，但是由于 测量原理的限制，这种方法存在明显的不足。 第广，浅海波导产生的影响。使用单个矢量水听器测量的结果实际上是 基于某一波导条件的结果，随着深度、测量距离、海底底质、目标和水听器 深度等条件的变化，其测量结果会产生明显的差异。另外，在浅海环境下的 单点测量，界面反射信号和直达信号将产生叠加，信号中能量相对集中的窄 带成分会形成干涉，导致测量结果中的谱线强度不可靠。 第二，水下辐射目标体积。现代船只的长度日益增大，体积也同时随之 增大。对这种不可以近似为点源的体积源来说，测量结果对测量距离具有强 依赖性。 针对上述两点，本文采用矢量水听器组成垂直阵列测量水下目标辐射噪 声。垂直矢量阵列具有提高接收信噪比，减小波导效应的影响的能力。垂直 矢量阵列测量水下目标的辐射噪声具有如下几个优点u 川。 第一，垂直阵可以有效的屏蔽来自海面和海底的环境噪声。同时可以提 高对信号的测量能力，以及对水面上测量船的干扰有良好的抑制能力。 第二，在浅海环境中，被测目标信号的多途现象极为严重，使用垂直矢 量阵可以尽可能的减小由浅海波导导致的多途对测量的影响，使得测量结果 有良好的一致性和可信度。 第三，采用垂直矢量阵可以提高接收信号的信噪比，相对于传统的单声 压水听器或单矢量水听器而言，在同样的测量条件下，测量距离可以延长数 倍，那么就可以减少将体积源看作为点声源进行处理的误差。 当然，垂直矢量阵也存在一些不足，例如布放困难( 矢量水听器的姿态 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 在水中不容易控制) 、数据处理繁琐等，但是垂直矢量阵具有可以提高接收信 噪比、增大阵增益、去除左右舷模糊等优点。对于布放困难来讲，可以选择 固定的钢架结构来减缓其在水中所受的姿态影响，同时也可以在数据处理中 进行适当的补偿修正；对于数据处理繁琐，可以研究新的处理方法和对程序 进行优化，在一定程度上缓解此问题。 1 3 2 宽带波束形成技术应用于水下目标辐射噪声测量 采用垂直矢量阵测量水下目标辐射噪声是本论文选择的测量方法，那么 对其的设计及对接收信号的处理则需要满足以下几个条件u ： 第一，基阵的主波束必须完全覆盖被测目标，即主波束一定要和水下辐 射目标的尺寸相适应： 第二，基阵在测量频段上必须具有恒定的频率响应和与频率无关的指向 性。由于矢量水听器的指向性和频率无关，垂直矢量阵可以解决这个问题； 第三，根据水下目标辐射噪声的大致声源级范围来确定阵列需要的足够 的信噪比。另外，用一些加权的方法也可以获得一定的主旁瓣比。 为了满足以上几个条件，采用垂直矢量阵已经可以得到足够的信噪比且 指向性和频率无关，所以对于垂直矢量阵接收信号的处理成为了关键。经过 论证，本文对于信号处理采用的是矢量宽带波束形成技术。 线列阵的自然指向性是一频率函数，对于阵元间距不变的线列阵来说， 形成的自然指向性会随着频率的升高而变窄。若使用等间隔垂直线列阵测量 时，垂直阵形成的自然指向性比所测的水下目标窄，则不能获得目标全部辐 射噪声而导致测量错误；然而比所测的水下目标宽，则会引入过多的噪声而 导致信噪比的降低，进而使得测量结果不准确或无效。所以采用矢量的宽带 恒定束宽技术十分必要。 1 4 国内外发展概况 水下目标辐射噪声的测量、研究以及应用最初是伴随着水中兵器的发展 而提出来的。早在1 9 4 0 年，德国布设的音响水雷就是利用舰船辐射噪声而诱 发引爆的，紧随其后又出现了利用舰船辐射噪声作为信号的被动音响自导鱼 雷。二次大战期间英美等国对各种类型数百艘舰船的辐射噪声进行了上千次 5 哈尔滨工程大学硕士学位论文 测量，获得了许多的珍贵资料，对当代海战起到了重要的作用。 近年来，随着科学技术的发展及各个学科融合的进步，减振降噪技术得 到发展，辐射噪声强度不断下降，前面已经介绍了各国海军在大力发展的低 噪声的水下大型结构。与此同时，世界各国也很重视对水下目标辐射噪声的 测量技术的发展，不惜耗巨资开展测量系统集成技术研究和建造海上噪声试 验场及可移动式的测试平台。如美国建立的大西洋水下试验与鉴定中心，法 国与意大利海军设立了基于近场全息法的大型垂直线阵测试系统，俄罗斯在 远东和北海建有固定的大型综合试验场，研制了组合式矢量水听器测试系统。 世界各国也都研制出了成型的产品，美国已经研制出来a m f i p i i 水声测量系 统，其可以测量最新的海狼级的辐射噪声。该系统采用了1 0 0 0 多个水听器构 成透明圆柱阵，实时处理速度达1 6 0 m b y t e s 。俄罗斯研制的固定式水下警戒 声纳系统，其基阵采用1 0 0 m 7 m x0 8 5 m 的大型双排线列阵。其检测能力 相当强，对声源级为9 4 d b 的目标，可以达到2 0 k m 的作用距离。国内中科院 声学所和哈尔滨工程大学也一直在针对此问题进行研究。上述各国对辐射噪 声测量系统的重视，说明当前声纳基阵设计及其信号处理的发展趋势是使用 频域低频化、基阵尺度大型化、处理方法先进化、处理增益提高化。 针对水下目标辐射噪声的测量问题，不得不提到信号处理上来。在信号 处理方面，声纳信号的处理越来越受到各国的重视。 在1 9 6 4 年，美国电子与电气工程师协会( i n s t i t u t eo fe l e c t r i c a la n d e l e c t r o n i c se n g i n e e r s ：i e e e ) 第一本阵列信号处理专辑出版后u “，先后在相 关的重要刊物上有很多有关阵列处理的讨论专辑和大量的研究论文发表，大 量的阵列信号处理相关的专著相继问世n ”4 1 。1 9 9 8 年，i e e e 专文综述了水声 信号处理的历史和现状，展望了值得研究的若干方向，包括水声建模、匹配 场处理、自适应信号处理、被动定位、目标识别、快速运动目标轨迹的提取、 多目标跟踪、多途效应等，同年也发表了和水声信号处理密切相关的阵处理 领域的综述文章u5 1 。 波束形成系统是声纳的核心部件之一，是声纳具有良好的战术技术性能 的基础。波束形成通常具有以下几个功能：1 ) 抑制环境噪声干扰；2 ) 允许 对从多个不同方位到达的平面波信号进行独立的检测或分辨；3 ) 实现对目标 信号到达的方位估计。判断波束形成性能的一般指标是波束图的旁瓣级、主 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 瓣宽度和指向性指数。波束中过高的旁瓣会提高虚警概率，因而近年来低旁 瓣的波束设计问题越来越受到人们的关注。对于均匀线列阵，d o l p h 利用 c h e b y s h e v 多项式得到了一组经典的权值，它在给定旁瓣级的情况下，能够 得到最小的束宽，以增强基阵对从旁瓣区域入射的干扰信号的抑制能力，降 低声纳系统的虚警概率。但是上述方法只适用于阵元各向同性的均匀分布线 列阵。对于其他一些在声纳系统中常用的基阵，如均匀分布的圆阵和圆弧阵， 使用常规加权的方法无法获得较低的波束旁瓣级。若基阵结构任意，各个阵 元不是各向同性且幅度相位响应相互不一致时，波束图的设计变得非常困难。 若仍采用常规的方法，将会导致主瓣形状畸变，旁瓣级升高，致使整个声纳 系统的虚警概率急剧上升，且基于波束输出的测向方法的精度将严重下降。 目前宽带波束形成器的设计方法主要有两种，一种是线性组合子阵法， 它在m 个频率点上使用传统的窄带设计方法分别设计m 个子阵，并且使得 所有子阵具有相似的结构并在对应的频率上具有相同的波束图，而在其它频 率处的输出是这m 个子阵的线性组合；另一种方法是只使用一个阵列，而将 需要接收的宽带信号分成若干个窄带信号，对于不同的子带使用不同的加权 系数，以便各子带的波束图近似相同，基阵的输出为各子带输出之和。例如， d o l p h - c h e b y s h e v 加权法6 1 u 丌；乘幂法；线性组合法；基于空间重采样的均匀 分布直线阵的恒定束宽波束设计方法引；基于连续孔径基阵的恒定束宽波束 形成方法9 1 ；基于自适应波束优化设计的宽带恒定束宽波束设计方法2 0 1 ；利 用b e s s e l 函数分解设计任意阵列恒定束宽波束形成口u 等。这些方法都是频域 恒定束宽波束形成。 对于时域恒定束宽波束形成，针对均匀线列阵，一般都是设计f i r 滤波 器的方法来实现时域恒定束宽波束形成器。例如，通过设计f i r 滤波器来拟 合离散频率点上恒定束宽加权的方法设计时域恒定柬宽波束形成器伫2 1 ；直接 设计高阶f i r 滤波器组的方法设计时域恒定束宽波束形成器。 1 5 论文主要研究内容 下面将本文完成的主要工作及各章节的安排介绍如下： 第一章回顾了矢量传感器阵列技术和宽带信号处理的发展历程及国内外 研究现状，简述水下目标辐射噪声的测量方法，阐述了本文的研究目的和意 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 义，最后总结了本文的主要内容。 第二章介绍矢量水听器的分类和特点、灵敏度和相位特性，讲述了单支 矢量水听器的原理以及对矢量水听器的不同组合的指向性作出理论分析，同 时简述了矢量水听器的时域、频域波束形成，同时讲述了阵列信号处理的修 正问题。 第三章讲述了由于噪声测量系统需要矢量阵的工作频带较宽，因此矢量 阵的恒定束宽设计具有更加重要的意义。本章研究了矢量阵宽带波束形成器 的设计方法并给出了仿真结果。 第四章基于第三章理论分析和仿真结果，对湖试数据进行处理，给出结 果，得到结论。 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章矢量水听器阵列波束形成原理 现在水声技术领域比较常见的是声压型水听器，它可以把声场中的声压 信号转换成电信号。理论和实践都证明了，要完整的描述声场并充分利用声 场信息，不仅需要知道标量声压，还需要知道矢量振速，那么同时能检测声 压和振速的组合水听器即矢量水听器就能满足水声工程实践的要求。由于其 独特的优点和广泛的应用前景，一经问世就引起的人们的普遍关注，现在矢 量水听器的发展对各个领域都有一定程度的促进作用。美国、俄罗斯等国针 对矢量水听器已开展了广泛而深入的研究工作口4 1 ，同时国内也在此领域取得 了积极成果阱田1 。 2 1 矢量水听器概况 现代矢量水听器是美国贝尔电话实验室为美国海军实验室于1 9 4 2 年设计 的第一个动圈式振速水听器口9 1 ；1 9 5 8 年，在美国海军的大卫泰勒船模水池 ( d t m b ) 实验室，g l b o y e r 成功研制了第一个声压梯度水听器p 0 1 。随后的 几十年里，矢量水听器技术得到了飞速的发展，灵敏度高、工作频率达到 2 0 k h z 的矢量水听器已经问世。动圈式、压电式、光纤式和高分子式等多种 矢量水听器技术百家争鸣。 美国、俄罗斯等国投入大量精力对矢量传感器制作和应用技术进行研究， 国际上从事矢量传感器的研究机构有很多，在俄罗斯有俄罗斯科学院远东分 院太平洋海洋技术研究所、全俄无线电物理测量研究所，莫斯科罗蒙诺索夫 国立大学、俄罗斯科学院声学研究所。在美国有宾西法尼亚州立大学、伊利 诺斯大学、s c r i p p s 海洋技术研究所、海军水下战中心。此外，英国、日本、 法国、新加坡、以色列也有相关的机构从事矢量水听器技术研究。 2 1 1 矢量水听器的分类 矢量水听器的分类可以简单的表示为： 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 按所测物理量：声压梯度、位移、振速、加速度 按结构形式 謇差篓：。篙嘉量尹、不动外壳型 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、压电式 i 光纤式 按空间响应维数：一维、二维、三维 矢量水听器由声压梯度水昕器和声压水听器组成。声压梯度水听器用来 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听器的分类为基准。 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。质点振速的 测量可以直接由振速传感器或通过简单的微积分由加速度传感器或位移传感 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 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。因此，将以上各种水听器统称为声压梯 度水听器或振速水听器。 矢量水听器按其结构形式可分为：力学型和惯性型。力学型声矢量水听 器响应空间两点位置上的相位差，即是基于相位梯度的测量，双声压水听器 和不动外壳型水听器都属于力学型。双声压型是由有一定间隔的两只声压水 听器构成，电路输出反接，类似“双微音器”，不动外壳型具有固定不动的外 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 度作用下作弯曲振动。惯性型声矢量传感器响应其所在位置处质点的矢量信 息( 如位移、振速或加速度) ，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，所以惯性型声矢量水听器也称为同振型声矢量 水听器。 矢量水听器按照换能原理，可分为磁场性和电场性两类，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。由于压电陶瓷在水声史上的统治地位，以及压 1 0 哈尔滨_ t 程大学硕士学位论文 电加速度计结构简单、技术成熟，目前研制的矢量水听器多是基于压电加速 度计原理p q 叫的惯性型矢量水听器。 矢量水听器按照空间响应维数，可分为一维、二维和三维矢量水听器。 只能测量速度某一分量的速度传感器称为一维( 单轴) 速度矢量水听器，而 能测量两个速度分量的称之为二维( 双轴) 速度矢量水听器，能同时测量速 度全部分量的称之为三维( 三轴) 速度矢量水听器，速度水听器和声压水听 器共点放置而成的水听器称为矢量水听器。 2 1 2 矢量水听器的灵敏度和相位特性 质点振速水听器是声矢量水听器的核心部分，用来测量声场矢量( 质点 振速、声压梯度、质点位移或加速度) 。 在平面波场中，声波沿x 轴方向传播，声场中某点x 处在f 时刻的声压 p g ，f ) 可以表示为： p ( x ，f ) = p o p 。( e x - c * ( 2 一1 ) 式中风为声压的幅值，c o 为声波动角频率，k 为波数。 声压梯度为： g m ：v p ：掣掣：一砌。p 如删：竺p g ，f ) ( 2 - 2 ) 振速v ( x ，) 为： v = 一万1i v p d t = 1 i j k p o e y ( o x - k x ) d t = 去即肚删= 去p ( 2 - 3 ) 加速度口( x ，t ) 为： 口g ，乒亟掣：坦雕砌刊：j c o v ( x , t ) ：一三g r a ( 2 - 4 ) a t p c0 其中p 为介质密度。 根据( 2 - 2 ) 、( 2 3 ) 、( 2 - 4 ) 得到质点振速与声压之间关系，质点位移和 质点加速度与质点振速之间关系为： 哈尔滨工程大学硕士学位论文 印= 一p 尝 ( 2 5 ) v g ，) ：了o p ( r , t ) ( 2 - 6 ) 口g ，f ) ：o v i ( x , 一t ) ( 2 - 7 ) 静止均匀理想介质中的谐和声场，p 、v 、a 、即相位有确切的关系， 质点加速的的相位较声压和质点振速超前9 0 。，声压梯度的相位较质点振速 落后9 0 。，如图2 1 所示。 x ：一j 兰，口：j f 仞甲，v p = 一j c o p y ( 2 8 ) 0 9 - p v 口 v p 图2 1p 、v 、a 、v p 的相位关系 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( 2 1 ) ， 声压梯度水听器的声压灵敏度( m p ) 、声压梯度灵敏度( m g ) 、加速度灵敏 度( m o ) 、位移灵敏度( m ，) 以及质点振速灵敏度( m ，) 之间存在以下关 系： m p = 詈鸭= 去眠= 昙虬= 去m ， 仁 式( 2 9 ) 结果如图2 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。 1 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 亩 压 灵 敏 度 级 频率 图2 2 不同声压梯度水听器的灵敏度 从图2 2 中可以看出，加速度传感器测量的是振速加速度，其频响曲线 是一条斜率是每倍频程6 d b 的斜线，即频率每升高一倍，其灵敏度提高倍： 位移传感器测量的是振动位移，其频响曲线是一条斜率为每倍频程一6 d b 的斜 线，即频率每升高一倍，其灵敏度降低一半。 2 1 3 矢量水听器的指向性 2 1 3 1 。单矢量水听器的指向性 矢量水听器在符合远场条件时，声波可近似为平面波传播。在理想的流 体介质情况下，平面波声场中的声压函数为： p ( x ，) = 彳g ) e x p - j ( c o t 一缸) ) ( 2 1 0 ) 利用欧拉方程可求出振速函数： v g ，) ：一一1 陬g ，) 出：剑e x p 卜_ ，伽一概) ) ：旦亟尘( 2 - 1 1 ) p。pc 邸 其中，p 为介质密度，c 为声速，国为角频率，k = 缈知为波数，符号v 表示对空间坐标的梯度运算。 由上式可以看出，声压与振速之间只相差个系数波阻抗邸。假设 利用矢量水听器所测得的空间一点处声压和质点振速信号，已经消除波阻抗 1 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 的影响，归到相同的量纲中，忽略水听器声压与振速灵敏度的差异，可以 认为所测得的声压量p g ，) 与振速量v g ，) 相等。单个矢量水听器的指向性d 如图2 3 所示。 ( a ) 声压水听器圆形指向性( b ) 矢量水听器偶极子指向性 图2 3 单矢量水听器指向性 声压是标量，声压水听器无指向性( 圆指向性) ，如图2 3 中( a ) 所示。 矢量水听器振速的指向性p 4 1 具有c o s 8 形式，并且该指向性与频率无关，如图 2 3 中( b ) 所示。 2 1 3 2 矢量水听器的组合指向性 为了讨论的方便，这里只研究二维的情况。矢量水听器能够同时、共点 测量声场中的声压p 和相互正交的二个振速分量v ；、1 ，。根据上面的推导， 在平面波条件下有： fp ( t ) - - x ( f ) v ，o ) = c o s 6 7 x ( t ) ( 2 1 2 ) i v ，o ) = s i n 0 x o ) 式中，x ( f ) 代表声压，口为声波传播的水平方位角，即声源所在位置。 从( 2 1 2 ) 式中也可以看出v ，、v 。具有偶极子指向性。 对声压与振速进行适当的组合可形成矢量水听器各种指向性，例如 p v ，、v ；、妇+ y ，) 2 ) 2 、( ( p v ，) 2 ) v ，( f = x ，y ) 等。 二 ! ：；曷三c s 。i n s ：；! 二；譬； c 2 t 3 ， i v ；( ，) =2 秒x 2 0 ) 毕。u 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 渊：銮瓣棠( 1 + s 0 8 i n0 9 ) 鬻x 2 嫩 陆 【妇o ) + v ，o ) ) 2 ) 2 =2 o ) 4 卜”7 蹴z 嬲一v x ( 啦t ) = ( ( 1 1 + c o s o ) c o s 8 。x = o ( t ) 2 ) 2 + s i no ) s i n0 i 妇o ) + v ，o ) ) 2 ) v ，o ) = ( 1x 2 0 ) 2 u 1 圳 以上几种表达式由三角函数的组合指向性d 5 1 得到，1 ，；o = x ，y ) 的指向性 图如图2 4 ( a ) 所示；( c o v ，) 2 ) 2 ( f = x ，y ) 具有心形指向性，如图2 4 ( b ) 所示； 妇v ，) 2 ) v ，( f = x ，少) 组合可以形成蝌蚪形指向性，如图2 4 ( c ) 所 ( a ) 1 ，；的指向性图( b ) ( 0 v ，) 2 ) 2 的指向性图 ：+ 一 一。i 3 3 0 、：。、i 一。 z 、 i ( c ) ( c o v ，) 2 ) v ，的指向性图 图2 4 矢量水听器各种组合的指向性图 由上图可知，矢量水听器的振速具有“8 ，字形指向性，单个矢量水听器 哈尔滨工程大学硕士学位论文 就可以形成常规声压水听器阵才能形成的波束指向性，并且利用矢量水听器 的声压振速进行适当的组合可以形成不同的波束方向。振速指向性可以进行 电子旋转，对振速分量进行加权组合可以使波束在二维空间旋转。令： 世霉+ v y ( t ) 渤c o s 沙y 1 v ，= 叫，o ) s i i l y f 1 u 上式中，沙为“引导方位”，若目标方位为0 ，可以将上式写成如下的形 式： 踹 v s 嚣螂s i n ( p o 二留 lo ) = x g ) 一y ) 卜“ 由此可知，v 。和v ，也具有偶极子指向性，通过改变值，可以在全方位 进行角度搜索，当y = 0 时，即搜索到目标方位时，v 。具有极大值，同时v ，具 有极小值。由于v 。和v 。的指向性是随着目标方位变化的，这就实现波束在水 平面内的电子旋转。 假设目标方位秒为3 0 。，则1 ，；! ( 扛c ，s ) 的指向性图如图2 5 a 所示； ( c o v ，) 2 ) 2 ( f = c ，j ) 的心形指向性，如图2 5 ( b ) 所示；v ，) 2 ) 1 ，( f = c ，j ) 的蝌蚪形指向性，如图2 5 ( c ) 所示。 1 1 。 2 7 0 1 1 2 7 0 ( a ) 1 ，；的指向性图( b ) ( 1 ，。) 2 ) 2 的指向性图 1 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 7 0 ( c ) ( ( p v ，) 2 ) ，。的指向性图 图2 5 目标方位3 0 。时矢量水听器的指向性图 根据以上叙述可知矢量水听器指向性具有如下特点： ( 1 ) 振速水听器具有“8 ”字形指向性，由各向同性噪声的统计特性可 知，空间一点处的噪声振速矢量可以相互抵消，从而可以提高信噪比，抑制 各向同性干扰；对于目标信号而言，某一时刻来自某一固定方向，不存在相 互抵消的现象，这样就提高了测量增益。 ( 2 ) 0 + 1 ， ，2 ：； - 1 ：i b + 1 ，) 2 ) 2 ( f = x ，y ) 组合指向性分别为蝌蚪形和心形 的单边指向性，可抑制其反方向的各向异性噪声干扰。 ( 3 ) 组合振速，和v 。的波束能电子旋转，波束方向能跟踪目标方位。 同时0 + v ， ，2 , n ( 0 + v ，) 2 ) 2g = c ，s ) 分别为蝌蚪形和心形的单边指向性， 可抑制与目标方向相反的各向异性噪声干扰，如来自海面、海底、航道等方 向的相干干扰，而来自其正方向上的信号保持不变，从而提高测量增益。 综上所述，振速水听器的偶极子指向性及指向性电子旋转技术是声压、 振速联合信息处理抗干扰和目标分辨的基础。 2 1 4 矢量水听器的特点 矢量水听器独特的结构和指向性使其具有如下特点： 1 矢量水听器处理的对象是矢量场，矢量水听器的多路输出信号将为矢 量阵列的波束形成和波达方向估计提供更多的灵活性，为新的信号处理方法 1 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 提供了可能； 2 矢量水听器具备与频率无关的c o s o 指向性，一维矢量水听器可以区分 左右模糊或上下模糊，二维矢量水听器可以进行水平面或垂直面无模糊的波 束扫描，三维矢量水听器可以全空间无模糊地波束扫描；即单个三维矢量水 听器即可对目标进行全空间无模糊定向，因此，单个矢量水听器便具有测向 性能，具有很高的性价比和优良的实用价值； 3 矢量水听器具备抵消各向同性的噪声干扰能力，由于矢量水听器的指 向性零点可方便的电子旋转，可以将其指向性零点方向对准干扰源，这样就 能有效的用于抗相干干扰； 4 矢量阵空间增益大于同样尺寸的声压传感器阵，由于矢量阵能形成较 尖锐的指向性，从而增大了基阵地空间增益； 5 矢量场中含有目标声波传播方向较多信息，矢量水听器提取这些信息 后，就可以测定目标方位。 2 2 矢量水听器阵列波束形成 信号处理的一个重要分支是阵列信号处理，在通信、雷达、声纳、地震 勘探等领域获得广泛的应用和发展。阵列信号处理的主要问题包括：波束形 成技术使阵列指向性图的主瓣指向所需的方向；零点形成技术使阵 列指向性图的零点对准干扰方向；空间谱估计对空间信号的波达方向的 分布进行估计。其中，波束形成技术作为阵列信号处理的一个主要研究方向， 其目的是对接收信号进行空域滤波，增强期望信号的同时抑制干扰和噪声以 提高系统输出信噪比。波束形成技术将接收到的信号通过一定的加权，使阵 列方向图的主瓣指向期望信号方向以保证此方向的增益恒定，而使系统总的 输出功率最大，达到增强期望信号、抑制干扰和噪声的目的，通过改变阵列 的权值可使波束形状随之变化。 如果没有特殊说明，本论文中所述的各种方法均按照以下假设条件建立 阵列信号模型： ( 1 ) 传播介质均匀而且各向同性； ( 2 ) 接收基阵位于信号源的远场，可近似认为接收信号为平面波； ( 3 ) 接收基阵的阵元间距远远大于阵元的尺寸，各阵元间的相互影响可 1 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 以忽略不计； ( 4 ) 加性噪声为高斯白噪声，均值为0 ，方差为盯2 ，且各阵元接收的 噪声互不相关。 2 2 1 均匀线列阵模型 均匀线性阵( u n i f o r ml i n e a ra r r a y , u l a ) 的几何结构为个阵元等距离 排成一条直线，阵元间距为d 。假定信源位于远场，及其信号到达各阵元的 波前为平面波，如图2 6 所示。 图2 6 均匀线阵几何结构 三维矢量传感器是由三个互相垂直但却共点放置的速度水听器和一个声 压传感器组成。振速传感器可以测量x 向、】，向、z 向的质点振速，质点振 速