（水声工程专业论文）矢量水听器确定声源目标方位技术研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 ；i e e 目目i ；i i i i e ；i i i j j i ；i ；i j i i i i i i i i i i i i i j = ；置 a b s t r a c t t h ev e c t o rs e n s o ri san e w t y p eu n d e r w a t e ra c o u s t i cs e n s o r i th a sm a n y v i r t u e s ，s u c ha ss m a l lb u l k ，h i g hs e n s i t i v i t ya n dd i r e c t i o no f d i p o l es o u r c e a n d i t i san e wm e t h o do f e s t i m a t i n gt h eb e a r i n g so f t h e t a r g e tw i t h t h ev e c t o rs e n s o r i n t h i s p a p e r , w es t u d yt h ep e r f o r m a n c eo fl o c a l i z a t i o n w i mt h i sm e t h o db y s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t t h ev e c t o r h y d r o p h o n e i sc o m b i n e d b y t 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 lp r e s s u r eh y d r o p h o n ea n di n d e p e n d e n to nf r e q u e n c yb a n da n d n a t u r a ld i p o l e p a r t i c l ev e l o c i t yh y d r o p h o n e ，w h i c hc o l o c a t i n ga n ds i m u l t a n e o u s l y m e a s u r e sp r e s s u r ea n dp a r t i c l ev e l o c i t y , s oa c o u s t i ci n t e n s i t yv e c t o ri so b t a i n e d u s i n gt h o s ei n f o r m a t i o n ，w i f i c hc o n s i s t so fi n t e n s i t ya n dd i r e c t i o no fs o u r c e s 、 i nt h et h e s i s ，t h ep h y s i c a ls i g n i f i c a t i o no fa c o u s t i ci n t e n s i t y ( a c o u s t i ce n e r g y f l u x ) i se x p a t i a t e di nt h ev e c t o rh y d r o p h o n et e c h n o l o g yu s i n gc o n c e p to f c o m p l e x a c o u s t i ci n t e n s i t y c o r r e l a t i o n sb e t w e e n p r e s s u r ea n dp a r t i c l ev e l o c i t yi sd e r i v e d i nt h i sp a p e r , w ep r e s e n tt h ev e c t o r i a lc h a r a c t e r i s t i co fa c o u s t i cf i e l d t h e a c o u s t i cf i e l di sb o t hs c a l a rf i e l da n dv e c t o r i a lf i e l d m o r e o v e r , w ea l s op r e s e n t e d t h ev e c t o rs e n s o rb r i e f l y ；w ed i s c u s st h e t h e o r ya n dm e t h o dt h a t i su s e dt o e s t i m a t et h ed i r e c t i o no ft h et a r g e tw i t l lt h ev e c t o rs e n s o r a tt h es a m et i m e w e a n a l y z e t h ee n g e n d e r i n ga b 一3 u tt h ee r r o ro f t h el o c a l i z a t i o n , t h ep r i m a r yf a c t o r sa r e t h er e l a t i v ep o s i t i o nb e t w e e nt h et a r g e ta n dt h es o u r c e ，t h ed i s t u r bo fn o i s e sa n d t h ed i f f e ro ft h e p r e s s u r es e n s o r ；w ea d o p ts e v e r a lt e c h n i q u e st os i m u l a t et h e e s t i m a t i o no ft h ed i r e c t i o n ，s u c ha st h ed i r e c t ，t h ea v e r a g ea c o u s t i ci n t e n s i t ya n d t h ec o r r e l a t i v ea n a l y z e a n dw ec o n s i d e rf o u rs i t u a t i o n s - - k n o w n s i g n a lt a r g e t ， n o i s ys i g n a lt a r g e t ，m u l t i t a r g e ta n dm o t o r i a lt a r g e t a tl e n g t h ，w ec o m p a r et h e s i m u l a t e dr e s u l t sf r o ms e v e r a l t e c h n i q u e s f i n a l l y , w ep r e s e n tt h ep r o c e s s i n g r e s u l t sw i t ht h ee x p e r i m e n l n ld a t a ，w h i c hw a sa t t a i n e db yt h ee x p e r i m e n to ft h e s o n g h u a l a k e t h er e s u l tb e a r st h et h e o r yt h a tt h i s p a p e r h a sl o d g e d k e y w o r d s ：v e c t o rs e n s o r ；a c o u s t i ci n t e n s i t y ；e s t i m a t i n gb e a i i n go f s o u r c e i i 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经公开 发表的作品成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均 已在文中以明确的方式标明。本人完全意识到本声明的法律 结果由本人承担。 作者( 签字) ：垄荔 日期：辨岁月z 日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 1 绪言 第1 章绪论 早在上世纪，科学家就已经预言：2 1 世纪将是海洋的世纪，人类将更多 地依靠海洋资源，更多地从海洋中获取食物、能源、矿产，并通过对海洋的 研究探索地球的奥秘。因止二，与上世纪相比，本世纪人类的海洋活动将越发 频繁，水下探测、定位导航、目标识别、通信等技术将有越来越多的应用。 在人们熟知的各种能量形式中，声能在海洋中具有最佳的传播性能。虽 然电磁波在大气中获得了广泛的应用，可以毫不夸张地说，现代人类已离不 开电磁波。但是在水中，电磁波就无能为力了。由于电磁波在水中的传播衰 减太大，它的传播距离十分有限，远不能满足人们的需要。例如电视，在能 见度很好的海水中，其作用距离也只有十米左右，在混浊的海水中，其作用 距离仅为数十厘米。相比之下，声波在水中的传播性能就要好得多，有报道 说“1 ，在海水中，1 磅t n t 的爆炸声可以在5 0 0 0 公里以外的水中清晰地接收到。 正是由于以上原因，水下探测、定位导航、目标识别、通信等作业都是藉助 于水声技术来完成的。 精确确定声源的方位，在人们的海洋活动中具有十分重要的应用，有众 多的应用场合。例如，被动声纳接收敌方潜艇所辐射的噪声，确定出它相对 于自己的方位和距离，就可以定出它相对于自己的位置，为实施攻击、规避 或跟踪提供决策依据，取得战斗主动。又如，深潜器、水下机器人离开母船、 自沿航行和完成预定的作业，这时母船就要对这类水下目标进行定位跟踪， 即知道它的方位、距离，字= 据此对它的航行或作业进行必要的人工干预，使 之顺利完成预定的任务。 精确确定声源的方位，是水声技术的一个重要研究课题。由于声压是标 量，单个声压水听器不能用来测量声波的传播方向，即测定声源的方位。长 期以来，都是用由多个声压水听器组成的声基阵来确定声源的方位。这样， 哈尔滨工程大学硕士学位论文 若要确定低频线谱目标的方位，就必须用大基阵形成尖锐的指向性。例如， 若要利用目标3 0 h z 的线谱辐射，线谱波长为5 0 米。当基元数目为3 0 个，阵 元间距为半波长2 5 米，则基阵尺度达7 5 0 米，这样巨大的一个接收阵，技术 实现和实际作业都存在很大困难，耗资也十分巨大。 声场兼具标量和矢量特性。虽然声压是标量，但介质质点的振速是矢量， 与传播方向一致。单个振速传感器就能提供声场的方位信息，不一定要采用 很大的基阵，这无论在技术和实际作业方面，还是在经费上，都是很有意义 的。 1 2 声场的矢量特性 流体中的声场是一种很特殊的物理场，它兼有标量场和矢量场的特性。 声场中，任意一点附近的物质状态可用声压p ，密度风和介质质点速度伊来 表示。声场中，与质点振速相关的物理量还有质点位移量、质点加速度及声 压梯度v p 。以简谐平面波为例，它们之间具有以下关系。1 ： 。伊 x - i - 国 a = ，缈伊， ( 卜1 ) 即= 一j c o p o 萨 上式中，i 是质点位移，j 是质点加速度，国是声波角频率，岛是介质密度。 由式( 卜1 ) 可见，虽然声：荔中的声压是标量，但与之相联的介质质点位移、 振速及振动加速度则是矢量。由此可知，声场不但具有标量场的属性，同时 也具有矢量场的属性。 声学中，声强是一个十分重要的物理量，它表示了单位时间内垂直通过 某一截面单位面积的声能量，它定义为： ，：土fp i 西 ( 卜2 ) ? 。 式中t 是平均时间。声强与声能量直接相联系，是声波强弱的度量，另一方 面声强又是一个矢量，它表示了声能传播的方向，因此，测量声强的方向就 可知道声源的方位。 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 鑫拳声学闽毽激来，拳寿工终麓尼乎潘一色童| 蠡餐糕瑶了声场豹标量藩魏， 而忽略了声场的矢掇特性。于是，在水声工程中，几乎无一例外地都使用声 蜃瘩瞬器溅瞬声绩号。交予声压是棘量，鼙令声逡东爨器不霹能溅定声潦方 位，不能用来理解接收信号的方位信息。水声技术中，为了得到声源的方位 售怠，嘉要裂用多个声压乐瞬器缀成一个蒸阵，才越褥到声源数方位售怠。 1 。3 声强测量 声强熊给出声波强弱芹h 声波传播方向鼹秘信息，鞋：较全面地反映了声场 的特性，潮此它成为描述声场的一个重要物理量。虽然，声学是一门古老的 科学，但凌于介质质点振遴测量技术存在的困难，直到十九世纪米期，声学 界才开始研究声强测量技术。迄今，声强测量技术已发展褥比较完善，水声 中，有三秘方法经常用于水中声强的测量，它们题声压一振速法；声压一声 藤法和振逮振速法。 1 3 j l 声凝一攘速法测瓣声强 这是一释直接瓣量法，秘建突闻共煮阏步瓣褥静声鼹p 和鏖点菝速v ， 代入式( i - 2 ) 直接得到声强。这方法的茨键在于： ( 1 ) 精礁戆壹接溺褥蒺熹豹振蘩邃凄； ( 2 ) 振速和声压必须是空间共点同步测量值，即必须是空间同一点上 同一时亥l 豹声压帮援这篷。 1 3 2 声援声援法测爨声强 上世纪7 0 年代，尽管声压梯发球瞬载憋性鹱蠢了一定的握毫，但是盛l 予 其工作稳定性差和灵敏度偏低，难以满足工程化要求，因此，人们在实际测 量中都用字压一声愿法进行声强测爨，这秘方法至今还在使用。下面篱要介 绍该方法的基本原理。 为简便计，只考虑一缎馕况，如图1 1 所示。在空闻襁距廿的位置奠秘 哈尔滨工程大学硕士学位论文 r 2 上分别布放两个声压传感器a 和b ，测得声压为p ，和p ：，它们的平均近似 给出两传感器中点r 处的声压。利用线性的动量守恒公式( 卜1 ) 和有限差分 近似得到时间简谱时的质点振速为： i ( r ) 一j v p ( r ) ( 卜3 ) 风。 其中，成为介质密度，g - t ) 为角频率，声压梯度为： v p ( r ) 。p 2 堕) 二丛业 ( 卜4 ) 两传感器中点r 处的声压由两传感器的声压平均值近似： p ( ，) ：一p 2 ( i 尝旦盟( 1 - 5 ) 将公式( 卜3 ) 、( 卜4 ) 和( 卜5 ) 代入公式( 1 - 2 ) 得： m ) = 2 p o l ( o a r p z - p l 】 p ：+ p 卜赤 屹嗝吨吨 ( 1 _ 6 ) 其中，鼻，一声压n 的自功率谱；e ：一声压p ：的自功率谱：曩：一声压n 和 声压p ：的互功率谱；一声压p ：和声压p 。的互功率谱。有功声强为 i a ，) i r a _ - ( e 2 ) ( 卜7 ) 卢o ( h i z m 无功声强为： “，) - 5 裂 s ， 上世纪7 0 年代后期，c h u n g 。”推导了基于声压法声强测量的互谱公式 ( 卜7 ) ，并利用该公式使用f f t 信号分析仪和相位近似匹配的声压水听器开 始了可靠的声强测量。声压一声压法要求两声压传感器的间距满足下列关系： a r 兰0 1 五( 1 9 ) 其中， 为入射声波的波长。当间距保持不变，入射声波频率降低时，两声 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i i i i i i ；- _ - i i _ ；j _ - l _ i i i i i i i i _ ；i i i ；| _ - - 目i i i i i i i i 压传感器测量的信号非常接近，差值非常小，此时要求两声压传感器在灵敏 度和相位特性上严格一致。因此，声压一声压法的工作频带较窄，灵敏度偏 低，多用于近场、高信噪比条件下的声强测量。为扩展测量频带，可以使用 多对声压传感器组合，如匡1 2 所示，图1 3 给出t - - 维声压一声压法声强 探头的示意图。 图1 1 声压一声压法一维声强测量示意图 t w o p a j so fx m l - r 呐d m s 口em r e n g c dd g ac o 删叫mm 6 sc o s et 凸e a c ho d l e r ) n e 一 r i d ”r 悯“h 。加劬。 一尹一甲一冒 m k2 m i o 寻m i 0 4 图1 2 声压一声压法一维声强宽频带测量示意图 哈尔滨工程大学硕士学位论文 y _ d 佗嘶o n - - , i m c t j o n 。 _ l j m i c - + z - d r e c t i o n j e3 图1 3 三缝声压一声压法声强探头示意图 1 3 3 振速振速法测量声强 1 9 9 5 年m c c o n n e l i t , j 等人提出了利用振速一振速法进行声强测量，其原 理和推导类似于声压一声压法。利用线性的质量守恒公式。1 和有限差分近似 得到如下结果： 质量守恒公式：挲+ v 户刃：0 ( 卜1 0 ) ，nr 一 简谐波声压：p = ：! ! 二( v 萨) ( 卜1 1 ) 质点振动的速度：v - i ；。会兰+ 全笠+ 会兰 ( 1 1 2 ) 缸幽 其中，y ，和a i ，f - x ，y ，z 分别表示f 方向上振速差值和间距。只考虑一维情 况，将( 卜1 1 ) 和( 卜1 2 ) 代入( 1 2 ) 得有功声强和无功声强分别为： “班一曩等i n l 暇：】 ( 1 - 1 3 ) “归篆j 阪：吨】 ( 1 - 1 4 ) 振速一振速法与声压一声压法有类似的缺陷，即利用了相位和有限差分近似。 三者对比表明，尽管声压一声压法和振速一振速法结构简单、操作方便，但 哈尔滨工程大学硕士学位论文 _ _ _ i i i i i ；# i i _ _ _ _ i i i j ；i 一_ i i ；j _ - _ i i i ；_ - - _ e ；_ _ i i ；j ；_ _ _ _ - i ；_ # i i ；自_ - _ _ i 楚蒸稳健一致蟊驽隈差分涎酝菠譬致豹狡能缺疆严重束缚了它稍豹工程应翔 和推广；声压振速法在突破了振速测量的瓶颈之后，测凝频带熙宽，接收 灵敏度更蠢，技校本上潜羧了有袋莲努运锻豢来懿洼琵缺麓，是声强测量菠 术的一次革命。 1 4 矢鼙水听器 1 4 t 矢羹水听器的优越性 矢量水听器由声压传嬲器和振速传感器组成，因此，也将其称为组合传 惑器。声鹾传感器给出声场的声嚣信息，振速传感器给出介质质点振速的三 个分量。凼声压信息和振速信息，又可派生出另外的描述声场的声学量，如 声强，它飘驻量静角度搐述了声秘，表示了声信号的强弱，同对又给出了声 波传播的方向。因此，与单个声压水听器相比，矢最水听器更多地给出了声 场的信惠，这藏为更深裁翁理解声场帮声源的特缓提供了可麓。 单个矢量水听器可以硪定声源的方向，而且不存在声愿水听器阵测声源 方靛所圈套静左右簸模糊瀚题，这是矢量承瞬器麓又一突獭优越褴。对予舰 艇的被动声呐来说，为了棱测低频线谱目标( 如潜艇) ，测爨舰艇往往拖曳一 个长遭数秀采甚至上千米豹声压承褥器线弼阵，鲶疆阵戆输密蓬号，可敬褥 到目标与线阵之间的夹角，但分辨不了目标是在线阵的右舷还是左舷，这就 是被动声穗豹左右舷模凝瓣题。矢覆永舞耩震不然，因羹羧速簧惑器可戳绘 出振速的三个分量，因此，单个矢滠水听器就能确定被检测目标的方位，而 登不存在焘右舷模獭闯题。萎努，擎令矢纛承瞬器瓣足寸卡分有隧，与长遮 上干米的线列阵相比，无论在技术上、经费和实际作业上，矢量水听器都具 毒卡分鹱爨静优越瞧。 被动声纳检测水下目标时，采用声压水听器阵的一个煎要目的就是形成 撵趣性，以提裹接浚售号戆售噪魄。声压窳褥器黪戆指两性蓬频率嚣变，援 在设定的频率上可得到预想的指向性，在戴它频率上，指向性将变坏。矢激 承瞬嚣懿王终骧理，决定了它天然藏具有搬悫瞧，且这秘捺囱挂不受工l 乍撅 哈尔滨工程大学硕士学位论文 率的影响，在很低的频率上照样有指向性。矢量水听器的这种指向性，使其 具备了良好的抗干扰特性，提高了接收信号的信噪比。 水听器的灵敏度用来度量在单位声压作用下，它输出的开路电压的大小， 是水听器的一项重要技术指标，就单个声压水听器而言，其灵敏度约在 2 0 0 d b 一2 1 0 d b 左右，i i 矢量水听器的灵敏度则要高出许多，约在一1 7 0 d b 一1 9 0 d b ，因而它可以检测到微弱信号，增加了声纳的作用距离。 1 4 2 矢量水听器的分类 矢量水听器由声压水听器和振速传感器复合而成，声压水听器测量空间 的声压，振速传感器测量声场中的质点振动速度，因此，矢量水听器共点、 同步测量声场的声压标量和质点振速矢量。振速传感器是矢量水听器的核心 和基础，它的性能很大程度上决定了矢量水昕器的性能。 根据质点振速传感器的分类，矢量水听器按照结构可分为同振型和不动 外壳型。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，如图1 4 ( a ) ：不动外壳型矢 量水听器，声波直接作用在敏感元件上，如图1 4 ( b ) ： 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。压电式矢量水听器，利用压电效应，如图1 5 ( a ) ：电动式矢量水昕 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，如图1 5 ( b ) 电磁式矢量水听器，膜片振动时线圈中的磁通量发生变化，产生感应电动势， 如图l _ 5 ( c ) ：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之间的距离发生变化而产生电流，如图 1 5 ( d ) ：光纤式矢量水听器利用力光效应。 按照维数可分为一鲑、二维、三维矢量水听器。按照测量的物理量可分 为质点振速式、质点振动加速度式、质点位移式。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( a ) 振型( 或陵睫) 矢蘸水听器( b ) 不动乡 壳溅矢量水听器 卜外壳；2 一质点振速传感器；3 声压传艨器；4 一弹性连接 图1 4 同掇型和不动外壳型矢量水听器示意图 ( a ) 压电式( b ) 电动式 ( c ) 电磁忒( d ) 电容式 卜复合棒；2 一惯性旗渔；3 一外壳：4 - ：动n ：5 一永磁铁；6 - 电枢： 7 一弹馥连接；8 - 线圈；9 一弹瞧连接；1 0 ，l 卜乎板组 蚕1 。5 霹援越矢量东昕器示意图 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 现代水声工程中应用的质点振速传感器主要特点在于，在宽频带内保持 恒定的偶极予指向性且具有高灵敏度和高可靠性，质点振速传感器的这种偶 极子指向性有别于传统声压水听器阵列的指向性，这种偶极子指向性是自然 指向性，与接收声波的频率无关。矢量水听器对声场的声压和质点振速的正 交分量进行空间共点、同步测量，为建立新的时空信号处理框架奠定了基础。 下面简要叙述同振型矢量水听器( 见图1 4 ( a ) 和图1 5 ( a ) ) 的工作原理 和有关参数。矢量水听器是直径2 0 0 r a m 的刚性硬球，内部充满玻璃微珠，在 球内三个正交轴x ，y ，z 上对称的安装6 个压电加速度换能器，它们将硬球的 振动转换为电信号，硬球用弹性元件固定在导流罩内。硬球( 平均密度p ) 位于液体( 平均密度p 。) 中，随液体一起运动。理论分析表明，当球的直径 小于六分之一入射声波波长时，球的振速矿和质点振速k 的关系由下式确定 f m 队= 蔫 ( 1 1 5 ) 由上式可以得出，如果球的平均密度p 接近液体密度岛，那么球的振速矿将 趋近质点振速k 。 1 5 矢量水听器的应用与现状 俄罗斯太平洋海洋技术研究所海洋环境噪声实验室利用联合接收器的底 站系统和浮标系统( 见图 6 ) 在日本海、库页岛、勘察加半岛和南中国海 等海域的大陆架和深海处进行了声强测量，分析的频带多在l o 1 0 0 0 h z ，研 究结果表明，与单水听器相比声强的信噪比可以提高约l o 2 0 d b 。美国 s c r i p p s 海洋技术研究所舰船物理实验室在加利福尼亚附近海域利用 s w a l l o w 浮体( 见图1 7 ) 和矢量水听器的准垂直线阵( 见图1 8 ) 测量水下 次声( 低于2 0 h z ) ，八个阵元以1 5 0 米的间距垂直布放在4 0 0 - - 1 3 0 0 米的深 度上，分析频带0 6 2 0 h z ，结果表明，对于舰船辐射声的次声分量，声强信 哈尔滨工程大学硕士学位论文 噪比的增益比单纯的声压测量高3 6 d b “2 1 0 a ) 固定系统；b ) 自给式浮标系统 卜测量体；2 一锚；3 电缆；4 一浮子；5 一无线电浮标 6 一发射声源；7 - 重物负载；8 一试验船；9 - 岸站 图1 6 俄罗斯的矢量水听器测量系统示意图 e 卜天线；2 一无线电发射机；3 一环；4 一灯；5 一贯穿接头；6 - 外壳 7 一内壳；8 一前放；9 一可释放重物；1 0 一定位换能器 图1 7s w a l l o w 浮体示意图 矢量水听器体积小、重量轻、布放方便，适合于声纳浮标的使用要求。 浮标自噪声较低，其实际性能甚至优于某些舰载声纳系统。美国和俄罗斯都 发展了基于矢量水听器的无线电声纳浮标系统，如美国的 d i f a r ( d i r e c t i o n a lf 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 ) 系统a n s s q 一5 3 、 a l a d ( v e r t i c a ll i n ea r r a yd i r e c t i o n a lf 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 ) 系统a n s s q - 7 7 b 和俄国的prb 一2 6 。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 为了提高潜艇的隐蔽性，必须降低水下航行辐射噪声，为使噪声降低到 最低限度，各国都把减振降噪置于重要的位置上，对核潜艇和常规潜艇分别 实施减振降噪方案，使潜艇的噪声水平大大降低，噪声级基本接近三级海况， 甚至低于三级海况，如美国的s s n 2 1 “海狼( s e a w o l f ) 级”和俄罗斯改进的 “阿库拉( a k u l a ) 级”攻击型战略核潜艇。以往研究实艇辐射噪声测试问题， 分析处理所用的数据均采自于传统的声压水听器或声压水听器阵列输出的信 号。随着减振降噪技术的发展，水下运动目标的辐射噪声水平不断下降，都 对辐射噪声测试技术提出了新的挑战，尤其是对低频辐射噪声的测试。国内 外的研究表明，矢量水听器技术是解决这一问题的有效途径之一。 在拖线阵中使用矢量水听器可以改善拖线阵的噪声抑制能力，消除单次 定向中的左右舷模糊( 见图1 9 ) ，切实改善目标定位精度，可以进行水面舰 艇和潜艇的分类等。据资料表明，美国在s u r t 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。 前苏联在上世纪八十年代末开始研制矢量水听器的拖线阵，如 bra 1 0 - 4 ，5 - 3 2 ，1 3ra1 1 - 9 1 7 5 和sfa 2 4 9 6 4 ，系统地研究了矢 量水听器拖线阵的姿态、拖曳速度和流噪声对矢量水听器检测性能的影响等。 矢量水听器在双基地声呐( 见图1 1 0 ) 中的应用得到了重视，可以利用 大功率发射机，甚至可以使用高爆炸药产生强声源级进行远程探测，且传播 损失比收发合置的双程传播损失要小得多，再借助于矢量水听器的干扰抑制 能力，有可能实现水下弱信号检测。上世纪八十年代末和九十年代初俄罗斯 在巴伦支海进行了多次矢量水昕器双基地声呐系统试验，据称取得了满意的 结果。 矢量水听器体积小且笮氏频指向性，在水雷声引信中也有用武之地，见 图1 1 1 。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 卜姿态仪：2 一矢量水听器 图1 8 矢量水听器垂直线阵示意图 图1 9 线阵左右舷模糊示意图 图1 1 0 双基地声纳示意图 一 ec l e t e mt h o m i c 5 i g n i t 一口f _ “n e 图1 1 1 声感应式水雷 】3 ；硫 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章矢量水听器确定声源方位的理论及误差 分析 流体介质中的声场既具标量场特性，又具有矢量场特性。声压是标量， 介质质点的振速是矢量，它们之间通过一定的内在关系相联系，这种内在联 系，成为矢量水听器确定声源方位的物理基础。本章首先讨论流体介质中声 压与介质质点振速的这种内在联系，然后给出矢量水听器确定声源方位的基 本理论及相关的误差分析。 2 1 流体介质中的声压与质点振速 流体介质中的声压是描述声场的一个基本物理量，它是一个标量，标征 介质中压力的变化规律。介质质点振速也是描述声场的基本物理量，它是矢 量，既有大小，又有方向，这方向就是声能量传播的方向。流体介质中的声 压p 和振速i 通过以下关系相联系： 1一 i ( 尹，r ) = 一l v p a , ( 2 1 ) p o 式中：t 一时间变量f 一矢径 p 介质密度v 一拉普拉斯计算 由声学理论可知，流体介质中的平面波，柱面波和球面波分别可以写为： 口= a e y ( “一“) p = 爿硎2 ( 扫) e “ 刀：兰p j ( 一b ) ( 2 2 ) 式中：卜常量 k = 出c 是波数，c 分别是声波角频率和介质中的声传播速度 磁2 一零阶第二类汉克尔函数 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 考虑远场情况，h 】，将式( 2 2 ) 代入( 2 一1 ) 并忽略时间因子后可 得到： 平面波i ：孑l p o c 柱面波哥：自日j z ( 扫) 一上 j o 球面波哥：彳旦( 1 一；) 穗x 方向单位向量 害是点径芦方向的单位矢量 厅是点径i 方向的单位矢量 ( 2 3 ) 式中，科2 ( 打) 是一阶第二类汉克尔函数。式( 2 3 ) 具体给出了质点振速与 声压之间的关系。若不计振速的方向，仅计及它的大小，则得到声压与振速 的比值为： 平面波 旦= 岛( 柱面波 旦= 讽二硪2 ( 打) h f 2 1 ( 扫) v 球面波詈= p o c 毒杀熹知l + i 打l 一 ( 2 4 ) 由此可以看出，由于波阵面形状的不同，比值旦也有很大不同，对平面波而 v 言，比值旦是实数，而柱面波、球面波的旦比值则是一个复数，这就表示， vv 平面波的声压与振速是同相位的，柱面波与球面波的声压和振速则有相位差。 2 2 流体介质中声压与质点振速的相关性 声学中，将比值旦称为波阻抗，风c 称为介质的特性阻抗。为了讨论声 v 压与质点振速的相关特性，将式( 2 4 ) 改写成指数形式，得： 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 i i i ；j 自i i i i ；j j _ i ；i i i i i i i i i i ；j _ 平面波 柱面波 里= p 。c 旦：r l e 确 弘焉彳瓜i 丽可丽 磊= q - 面j c 等器) 球面波 旦= r 2 p 脯 v r 2 = j 雨d - 驴辔1 ( 2 - 5 ) 式中：j o = j o ( 打k 正= 。( 知) 是零阶和一阶贝塞尔函数， n o = n o 晒工1 = n i ( 纠是：零阶和一阶纽曼函数。唬，戎分别是柱面波、球面 波声压与振速的相位差，它与声波频率、传播距离有关。由式( 2 - 5 ) 可以看 出，平面波的波阻抗是一个常数，等于介质的特性阻抗p 。c ，柱面波和球面 波的波阻抗不为常数，随船而变。由式( 2 - 5 ) ，可以得到极近场陋 1 ) 条件下，柱面波和球面波波阻抗的近似表达式： 柱面波 打 1 知 1 r i = p o c r ，= 譬丽 1 l ” r 2 = p o e 打 1 r 2 = 风c 打 相位差 螽= 0 相位差西= t g 。( n 。) 相位差欢= 0 相位差晚：t g 一丫三 l l c r ( 2 - 6 ) 由此可见，在远场条件下，球面波、柱面波的波阻抗与平面波一样，等 于介质的特性阻抗，且磊= o ，：= 0 ，即声压与振速之间无相位差，这表示它 们的波形是一样的( 差一个常数因子风c ) 。在近场，r 。，破，r ：和屯与扫值有 哈尔滨工程大学硕士学位论文 关，声压与振速之间存在相位差。在极近场，相位差值趋于么。 利甩式( 2 5 ) ，计算了r o 。，r y 二p o 。，办和丸随打的变化曲线，结果示于 图2 一l ( a ) 和图2 1 ( b ) 。 图2 1 ( a ) 柱面波多o c 和疵随打的变化，p 巾 图2 1 ( b ) 球面波“形，和妒：随打的变化 ，一0 。 由图2 1 可以看出，在近场( 打 1 0 ) ，柱面波和球面波的波阻抗的模r ，和 月，小于风c ，其振速与声压之间存在相位差，在极近场( 打寸0 ) ，这相位差 趋于口2 ，这表明，声压与振速是不相关的。在远场陋i 0 ) ，柱面波尺。风。 趋于1 ，球面波月：p 。c 也趋于1 ，声压与振速间的相位差疵，屯趋于零，这表 明，在远场，球面波和柱面波的声压与振速是完全相关的。 2 3 声场中的质点振速 以平面波为例，考察无限流体介质中的质点振速表达式。由声学理论可 知，平面波声压可表示为： 1 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 p o ，f 三p 2 8 e x 旺p 。 ： o c c o s o 。c o s t 9 + k y c o s a s i n o + k zs i m x 一。 b ( z 一，) =o + 一耐j 式中k 是波矢量，表示声波传播的方向，它与水 平面的夹角为口，它在水平面内的投影与x 轴的 夹角为口，口取值范围为【- 么，么j ，臼取值范围 为【o ，2 z 】。波矢量的值为k = 形，国是声波的角 频率，c 是介质中的声速。在均匀介质中，声场 的运动方程为“1 ： 堡+ 上v p ：0 ( 2 8 ) a t p 4 y 图2 2 波矢量k 在直角坐标 式中i 是介质质点振速，风是介质密度，p 是声 系中的投影 压。将( 2 - 7 ) 代入( 2 - 8 ) 式后有： 哥= 望生( c o s o c o s 口手4 - s i n 目c o s 口矛+ s i n 口芋) ( 2 9 ) 风c 上式中芋，开，茹h ，y ，z 轴上的单位矢量，式( 2 9 ) 表明，平面波的声压与质点 振速三分量之间仅差一个常数，两者的波形则是一样的，因而对平面波来说， 声压与振速是完全相关的。 由( 2 9 ) 式，可以得到质点振速的三个分量为： v ，= 兰l c o s 口c o s 口 p o c v 。= l s i n 口c o s 口 。 岛c v 一：旦s i n 瑾 p o c 并有 ( 2 1 0 ) 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ，、 t g o ：生或目：t g t f 蔓1 v z l v ， 妣2 南或一留。1 l 赢j 2 - 1 厂、 (1 ) 由此可见，只要测得质点振速在水平面内的二个分量v ，v 。就可以由( 2 1 1 ) 式得到声源在水平面内的方位角0 ，这就是矢量水听器确定声源方位的基本 原理。与此类似，有三个速度分量v ：，v 。，v ：就可得到声源的俯仰角a 。 2 4 各向同性噪声的声压一振速相关性 声纳总是工作在噪声环境中的，它的接收信号由两部分组成，一部分是 声源发出的信号，这是我们所需要的，另一部分是干扰信号，它起着干扰的 作用，是我们所不需要的。声纳信号处理的基本目的就是充分利用信号和噪 声的不同特性，在己接收信号的基础上尽可能的提高信噪比，以利于从噪声 干扰中将有用信号检测出来。在2 2 节，我们讨论了声源辐射声场中声压和 振速的相关性，结果表明，在声源辐射声场的远场，声压与质点振速总是相 关的，两者的波形是一样的，仅差一个常数因子。本节中，我们将讨论各向 同性噪声场的声压振速相关特性。 设在各向同性噪声场中，存在大量的噪声源p l o ) ，每个噪声源互不相关、 各态历经，但有相同的噪声强度，即p ? = 占：。又设每个噪声源的入射方向与 水平面的夹角为口，入射方向在水平面内的投影与x 轴的夹角为谚，它们是 _ 州2 ，万2 】和【0 ，2 万】内均匀分布的随机变量。忽略常数因子岛c ，由( 2 1 0 ) 式可得到噪声场中声压和质点振速的表达式，这里仅以声压和振速的x 轴向 分量为例进行讨论： p o ) = 见o ) ( 2 - 1 2 ) v ，o ) = nc o s o jc o s 它们的相关系数为： l _ 翮= 一l _ 历丽忑孤面丽面面 ( 2 1 3 ) o 口o “ o p o v x 1 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 上式中的横线表示时间平均，口。，盯。是声压p 和振速v ，的标准差。式( 2 1 3 ) 中，p 1 0 ) 的取值可正可负，考虑到三角函数的周期性，因而交叉项的时间平 均应为零，于是得： l 翮：1 _ o 尹v to 尹v x p ? ( f ) c o s 只c o s o e ， ( 2 1 4 ) 同样由于三角函数的周期性，上式的时间平均也应等于零，这就表明，各向 同性噪声场中的声压p 和v 。是不相关的。类似可证，p 和v ，v ，也是不相关的。 各向同性噪声场中声压与振速互不相关这一性质具有重要的意义。工 程上，常将海洋环境噪声视为各向同性干扰噪声，它的声压和噪声是相互独 立的，而声源辐射声场的声压和振速是完全相关的，信号与干扰这一不同性 质，成为声压一振速联合信号处理抗干扰的物理基础。 2 5 矢量水听器的指向性 对于声压水听器来说，为了形成接收指向性，用以提高接收信号信噪比 和确定目标的方位，就需要用多个水听器组成一个接收阵。如果被检测的是 低频线谱目标，则接收阵的尺度就非常庞大。 因，单个矢量水听器就具有指向性，而且其 指向性不受频率影响。 图2 3 中，a 、b 是两个声压水听器，它 们距原点为d 且d 波长 ，声源位于s 处， 它辐射球面波，则a 、b 两水听器的输出差 为： e 觏e j h p 2 p o 一p o t 式中：p 。：声源辐射声压幅度， 矢量水听器因其工作原理的原 j| 魏、。夕 dd ， ( 2 1 5 ) 图2 3 矢量水昕器接收示意图 以下为简单，取p 。= 1 ： 女：2 形是波数： 几 ：护i 丽面，r 2 = 护i 万丽 哈尔滨工程大学硕士学位论文 将( 2 - 1 5 ) 式中的二项作出级数展开，并忽略高次项得： 睾= 了e ) k r + 昙( 孚 ( _ 班了e j k t + 导( 孚 ( - d ，昙 生：生+ 旦f 生1 d ：生- i - 旦f 丝k 生 = + i i d = i 旧 r 2 r a x lrj r 加lr 知 ( 2 1 6 ) 注意到6 = c o s o ，则将( 2 1 6 ) 式代入( 2 1 5 ) 式后得： p ：捌旦f 生1 c o s 口 ( 2 1 7 ) o rl ， 由式( 2 - 1 7 ) 可见，由两个这样的声压水听器组成的接收系统的接收声压随 方位角0 作余弦规律变化。 另外，若有条件2 d l s 。 i 匕( f ) e 扫。o ) 嵋( hr ) 1 s 。驴) w | v ，)| 确定拶t 羚g t l l l | 圈3 。3 互谱法估计目标方位的信号流攫图 3 1 6 相关分析用于目标方位估计 相关分析是信号处理中一种常用的方法，它能提高信号的倍噪比。对于 确知信号蠢耘来说，发射信号戆形式是逛麓豹，按投痿譬蕊形竣粥是笈辫痿 号和干扰噪声之和，对它们进行相关分析，可抗各向同性干扰，提高接收信 号信臻魄。设发袈声压落号为p 。，稳纛戆振速德号戈毪，裂接收售号为： p = ps + p 。 v = v j + v n ( 3 - 1 4 ) 式中p 。和k 是干扰信号声压及相应的搋速。将几和p ，v 作相关运算，得 r r p , ) = e 试章) + p 簪十r ) = e 为。o ) 。，：o + t ) + e 扫，( f ) p ：( f + r ) ) r 。，0 ) = e p ，盼r 蠢十f 磅 = e 为。( ) ，o + r ) ) + e 扫。o ) v ：e + r ) 注意到p ，和p 。、p 。和v 。是相互独立的，因此眩们的相关系数麓于零，而n 稠p 。、p ；积也是完全棚关的，予是： 啥尔滨工程大学硕士学位论文 裂老 删 r 。，( ) = e 扫，( f ) t v ：( f + r ) f 式( 3 - 1 5 ) 第二式表示的互相关函数可分解为： r p , ，x ( r ) = e 伽。e ) v 二o + r ) ) r p ，v y ( r ) = e 扫，o ) v ：o + r ) r 。0 ) = e 扫，o ) v 二o + r ) ( 3 1 6 ) 应用式( 3 1 ) 和( 3 - 3 ) 可以z 1 4 ： 班 ) ( 3 - 1 7 ) 也可进行互谱处理，得到0 的估值，结果见式( 3 - 1 2