單矢量傳感器對聲源的定位技術研究

2012-10-26 08:53:56張國鋒陳希星遼寧大連測控技術研究所116013

中國科技信息 2012年7期

張國鋒陳希星遼寧大連測控技術研究所 116013

單矢量傳感器對聲源的定位技術研究

張國鋒陳希星遼寧大連測控技術研究所 116013

隨著潛艇減震降噪技術的不斷發展，運用單矢量傳感器對聲源進行定向技術研究已成為一個發展趨勢。本文首先說明矢量傳感器由于振速分量具有偶極子指向性，為定向技術研究提供理論基礎。隨后，闡述三種基本的定向理論，并對其進行仿真研究，證明互譜聲強法在聲源定位中的優越性。

矢量傳感器；定向技術；互譜聲強法

引言

目標定向就是利用矢量傳感器接收水下目標向外輻射的聲場信息，以此來估計目標的方位角和俯仰角，具體表示如圖1。在相干（各向異性）場和非相干（各向同性）場中，目標信號和干擾噪聲的聲壓與振速相關性的差別是聲壓、振速聯合信號處理抗各向同性干擾的基礎.也是矢量傳感器對水下目標進行定向的物理基礎[1]。聲場中介質質點振速是一個矢量，它的方向就是聲波傳播的方向。矢量水聽器既能得出聲場的聲壓信息，又能給出質點振速信息，應用矢量水聽器的輸出，經過一定的處理，就可以得到聲源的方位，從而實現三維空間內無模糊地確定聲源的方向[2]。本文主要討論了利用單個矢量水聽器所提供的聲壓和振速信息，進行聲源方位估計的多種算法，并通過仿真計算得到處理結果。

圖1 角空間表示

1 矢量水聽器目標定向的基本理論[3]

1.1 質點振速法定向原理

由上式可知，只要對矢量水聽器測得的三個振速分量進行簡單的運算，就可以得到聲源方位角和俯仰角a。

1.2 平均聲強法定向原理

對有限尺度的聲源的輻射聲場，稱之為相干源信號，聲壓和振速是完全相關的；而對于各向同性噪聲場，稱之為非相干信號，它的聲壓與振速是不相關的。這是聲壓與振速聯合信號處理抗干擾的基礎。平均聲強法可以抗各向同性干擾，提高信號的信噪比，這為高精度確定聲源方位提供了基礎。平均聲強在坐標軸上的三個分量可以表示為：

注意到信號場中聲壓與振速完全相關，而各向同性噪聲場的聲壓與振速互不相關這一性質，由式(2)得到：

利用矢量水聽器的多信息輸出，計算聲強的三個分量，就可得到聲源的方位角和聲傳播方向與水平面的夾角a。由于平均聲強法具有良好的抗各向同性干擾的能力，式(4)給出的測量精度將遠優于式(1)。

1.3 互譜聲強法定向原理

質點振速法和平均聲強法都是在時域上對目標聲源進行定位，本節研究在頻域上利用互譜聲強法定向。聲壓-振速互相關分析具有抗各向同性干擾的能力，對互相關函數進行傅氏分析得到互譜函數，從而可以實現在頻域上對目標進行定向。由已知聲壓及振速分量，可得相關函數為

同樣利用信號源與各向同性干擾場聲壓－振速相關特性的不同，可得到：

由此可見，通過互相關分析，其互相關函數僅保留了聲源的信息，干擾信息則被“剔除”了。對式(7)進行傅氏變換，得到聲壓－振速互譜密度函數：

應用式(8)得到：

上式表明，對矢量水聽器的輸出進行互譜分析，由聲壓－振速的互譜密度函數同樣能得到聲源方位角及俯仰角a。由上面的推導可知，互譜法本質上是一種分頻段處理方法，因而特別適用于線譜目標的方位估計，特別是當存在多個目標時，而每個目標又工作于不同頻段時，可用本方法同時確定多個目標的方位。這里還應指出，互譜法除能抗各向同性干擾外，還具有抗相干干擾能力，只要信號和相干干擾的頻帶或線譜頻率互不重疊。

2 矢量水聽器確定聲源方位的仿真研究

仿真計算中，信號采用正弦脈沖信號，噪聲為各向同性高斯白噪聲。仿真條件為：在低頻段設置多個線譜分量，并在此基礎上疊加寬帶連續譜。低頻段選取50Hz，200Hz，500Hz三個頻率，水平方位角設置為45°，俯仰角設置為30°。通過三種不同的方法估計水平方位角。分別疊加信噪比分別為-10dB和10dB兩種噪聲，其中橫坐標代表頻率，縱坐標代表估計角度。

2.1 對水平角的仿真估計