圆柱体障板对矢量阵列方位估计性能的影响

1、圆柱体障板对矢量阵列方位估计性能的影响    关键词:矢量水听器;障板;矢量阵列信号处理;方位估计 1、引言 随着矢量水听器技术的发展,国内矢量水听器技术在水声警戒系统、噪声测量、水声定位等领域已走向工程应用1。但是,当有障板时,矢量水听器应用结果并不理想,使得声场发生变化,破坏了矢量水听器的应用基础。因此国内外学者纷纷对此展开研究。然而,学者们多是对障板对矢量水听器接收性能影响的研究,以及单只矢量水听器的定向问题进行讨论,对障板对矢量水听器阵列方位估计性能影响的研究甚少,因而本文无限长圆柱障板的散射声场进行了理论推导。并且对带障板条件下矢量水听器阵列方

2、位估计性能的变化进行了仿真研究。为水声测量设备的工程应用提供理论基础。 2、圆柱体障板的散射声场计算 一个无限长圆柱体被置于柱坐标的原点(处),圆柱半径为,平面波沿正向垂直入射到圆柱体上,观察点径矢与投射方向夹角为,观察点坐标为。圆柱体的存在使声波产生散射作用。 入射的谐和平面波的声压函数为: (1) 将(1)式中的平面波分解成柱面波叠加: (2) 其中 因为柱为无限长柱,入射波为垂直柱体的平面波,因此在任意的z平面上散射波场的分布函数皆相同,与z轴无关(即)。散射波只有沿柱体向外的扩散波,而无收敛波,因此散射波场声压表示为 (3) 总声场为入射声场和散射声场的叠加 (4) 在此为利用边界条件

3、确定系数 刚硬边界条件下球体的散射声场的定解问题为 (5) 求得刚硬球体的散射声压 (6) 其中 由尤拉方程求取散射波场的径向质点振速和垂直径向振速。 (7) (8) 方向的质点振速分量和分别为 (9) (10) 3、矢量水听器阵列MVDR波束形成 假设有M个矢量水听器组成的矢量线阵接收远场目标发射的窄带信号,矢量线阵的输出数据为 (11) 其中为窄带信号,为噪声信号, 为扫描向量。 使M个矢量阵元均匀分布在坐标系的x轴的正半轴上,第一个阵元位于坐标系的原点,各个阵元之间的间距为d。,这个阵形使得阵元与阵元之间的相位只沿x轴变化,因此,相位延迟仅影响x轴方向的相位分量。当第个声源信号从方向入射

4、时,在第m个阵元上的延时为 采用不同分量进行波束形成时采用的阵扫描向量是不同的。定义以下几种扫描向量。 (1)声压扫描向量 (12) (2)振速扫描向量 (13) MVDR(最小方差无失真响应)波束形成器,它试图使噪声以及来自非观测方向方向的任何干扰所贡献的功率最小,但又能保持“在观测方向的信号功率”不变。因此,它可以看作是一个尖锐的空间滤波器。其可表述为一个主瓣方向增益约束的最优化问题,即在条件 下,使 达到最小。其中,为权向量。 通过求解得出矢量阵MVDR波束形成器为: (14) 最佳权向量为: (15) 4、仿真研究 经上述的理论分析可知,由于障板散射体的存在,使得平面波声场发生变化,变

5、化后的总声场为入射场和散射场的叠加。由此导致矢量水听器接收性能的下降,从而影响矢量水听器阵列方位估计性能。为了对矢量水听器阵列性能变化有所了解,对其进行了仿真分析,结果示于下列图中。计算时,使三个矢量水听器等间距组成线阵布放,阵元间距为,频率f=5kHz,信噪比SNR=15dB。 利用MVDR波束形成对目标进行方位估计,采用声压阵和矢量阵两种处理方式。为了对比分析,同时给出无障板条件下的目标方位估计仿真结果。 (a)声压阵MVDR波束形成 (b)矢量阵MVDR波束形成 图1 矢量水听器阵列MVDR波束形成 分析上述计算结果,图(a)为声压阵MVDR波束形成,图中的实线和虚线分别代表无障板和无限

6、长圆柱障板存在时的目标方位估计结果。由于障板的存在,使得声场发生变化,从而影响阵列方位估计性能。从图中可以看出,主瓣变宽,旁瓣有所升高。(b)为矢量阵MVDR波束形成,同样由于障板的影响,使得方位估计发生变化。对比图1中的(a)、(b),可以看出,矢量阵比声压阵的结果要好,矢量阵除去了左右模糊,波束主瓣变窄,而且障板对阵列方位估计性能的影响减小。因此可以通过矢量阵MVDR波束形成进行估计,减小障板散射的影响。 5、结论 对无限长圆柱障板的散射声场进行了理论推导。并且对障板散射对矢量水听器阵列方位估计性能的影响进行了仿真研究。通过仿真分析,由于散射体的存在,使得声场分布发生了变化,从而导致矢量(下转13页) (上接12页)水听器阵列方位估计性能发生改变。矢量阵MVDR波束形成进行方位估计时受障板影响较小,因而可以通过调整布阵来改善阵列方位估计性能。        参考文献: 1 孙贵青,