應用匹配場實現單矢量水聽器被動定位*

張 宇， 孫大軍， 師俊杰， 王 琦

(哈爾濱工程大學 水聲技術重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150001)

應用匹配場實現單矢量水聽器被動定位*

張 宇， 孫大軍， 師俊杰， 王 琦

(哈爾濱工程大學 水聲技術重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150001)

將匹配場原理應用到單矢量水聽器上，實現對目標聲源的被動定位。對常用的2種Bartlett處理器進行仿真分析，提出了一種改進的Bartlett處理器，可以抑制旁瓣個數并提高主瓣強度。通過試驗數據分析，在1.3 km的范圍內，接收信噪比不低于10 dB時，測距和測向誤差可以控制在10 %以內。該研究為單矢量水聽器的實際應用提供了重要的參考依據。

水聲； 矢量水聽器； 匹配場處理

0 引 言

水聲學研究中包含3個最基本的研究要點：目標輻射聲源、傳播聲信道以及接收換能器。作為聲場的源頭，聲源在水中輻射出的聲信號，其傳播特征受海洋聲信道的制約，并最終被水聽器所采集接收。這3個研究要點彼此互相聯系，構成了一個不可分割的整體。當已知水聽器的接收數據，同時利用聲傳播信道特性和海洋環境參數對聲場進行建模計算，通過數據間的匹配處理可以得到聲源的位置信息，這就是匹配場被動定位的基本原理[1～3]。

在水聲工程領域，傳統的接收傳感器為標量換能器，只能測量聲場中的聲壓等標量參數，無法完整地采集聲場信息。矢量水聽器的研究工作始于20世紀50年代，是近期國內外水聲換能器領域的研究熱點。除聲壓外，矢量水聽器還可以測量質點振速等矢量參數，有助于研究者完整的了解聲場信息。相對于傳統的標量系統，矢量水聽器可以同時共點地測量聲壓和振速信息，具有良好的抗相干干擾能力與線譜檢測能力，并且單矢量水聽器在方位估計上具有天生的優勢[4]。

目前，通用的匹配場定位是采用聲壓垂直陣或水平陣的方式進行，該種方法主要有兩方面因素影響限制定位性能，一是聲壓水聽器無法提供任何的目標聲源的角度信息，必須依靠陣列信號處理的方式獲取方位信息；二是對于陣列處理，尤其是匹配場定位中常用的垂直陣列，會存在傾斜、陣元深度、陣元間隔等失配問題，嚴重影響定位效果。針對以上問題，本文研究如何應用單矢量水聽器進行寬帶信號的匹配場定位。

1 匹配場處理與仿真

由于基于單矢量水聽器的測向算法已非常成熟[5,6]，所以，接下來的研究重點在于如何使用匹配場方法進行單矢量水聽器的測距和測深。常用的匹配場處理方法有線性匹配場處理和自適應匹配場處理2種。本文主要討論使用最為成熟的Bartlett線性匹配場處理器，其工作原理是：通過環境參量和聲場模型得出拷貝場向量，然后采用拷貝場數據和實際測量數據直接相關的方法得出目標聲源的估計位置，測量場數據由水聽器端接收到的時域信號做FFT所得的互譜密度矩陣表征。相比于自適應處理器，Bartlett方法對環境的敏感度較弱，穩健性較強，但旁瓣較高[7]。典型的匹配場Bartlett處理方法如圖1所示。

圖1 典型匹配場處理Fig 1 Typical matched field processing

式(1)和式(2)給出了2種Bartlett處理器匹配表達式[8]，其中,式(1)為聲壓p與水平合成振速Vr進行Bartlett匹配處理，式(2)為聲壓p與垂直振速Vz進行Bartlett匹配處理

(1)

(2)

式中p為聲壓向量，Vr為水平方向振速向量，Vz為垂直方向振速向量，r為目標距離，z為目標深度，H表示共軛轉置，上標c表示拷貝場，上標d表示測量場。

針對式(1)和式(2)做仿真分析，仿真條件如下：聲源頻率為10～100 Hz，接收信噪比20 dB，聲源深度55 m，聲源距接收矢量水聽器距離1 320 m，矢量水聽器布放深度45 m，海深80 m。為了更真實地反映海洋環境，使用快速場算法計算拷貝聲場，聲速剖面與環境模型如圖2、圖3所示。

圖2 聲速剖面Fig 2 Sound speed profile

圖3 環境模型Fig 3 Environmental model

其中，z軸是深度方向，水層厚度h0為80 m，沉積層厚度h1為50 m，聲速為1 644 m/s，底質密度為1 595 kg/m3，基底層聲速為1 780 m/s，基底層層密度為1 900 kg/m3，距離搜索范圍為500～2 000 m，深度搜索范圍為40～80 m。匹配場定位結果如圖4與圖5所示，其中，圖4聲壓p與水平合成振速Vr進行Bartlett匹配處理的結果，圖5為聲壓p與垂直振速Vz進行Bartlett匹配處理的結果。

圖4 Bartlett 處理器(pVr) Fig 4 Bartlett processor(pVr)

圖5 Bartlett 處理器(pVz) Fig 5 Bartlett processor(pVz)

從以上的仿真結果可以看出:2種方法都可以完成基于單矢量水聽器的寬帶信號定位，pVr方法的主瓣相對尖銳些，干擾旁瓣的個數較多，pVz方法的主瓣明顯鈍化，干擾旁瓣個數較少，二者的主旁瓣比皆為1︰0.6左右。

為了最大限度地發揮以上2種算法的優點并回避其缺點，從水平通道與垂直通道數據融合的角度，提出了一種改進的Bartlett處理器算法，計算方法如式(3)所示，對應仿真結果如圖6所示。

圖6 改進Bartlett處理器 Fig 6 Improved Bartlett processor

(3)

從圖中可以看出:經過二次擬合處理后的定位模糊面，主峰尖銳，且基本上完全消除了旁瓣的影響。

2 海試試驗

2013年7月，于某海域進行了海試試驗，試驗海域海深85 m左右，搭載矢量水聽器的潛標布放深度為45 m，使用線性調頻聲源信號作為目標信號，發射頻率為40～100 Hz，聲源深度55 m與潛標水平距離在1 km，試驗期間試驗船錨定，具體位置信息和深度信息由GPS和深度計獲取。圖7為接收信號聲壓和道互譜的時間歷程圖，從圖中可以看出：信號接收信噪比不低于10 dB。

圖7 接收信號頻譜圖Fig 7 Frequency spectrum of receiving signal

使用改進Bartlett方法進行匹配場定位，依然使用快速場計算軟件計算聲場，環境參數與仿真分析時一致，底質參數源自對試驗海域匹配場反演得到的數據。最終的定位結果的模糊面圖如圖8所示，圖9和圖10給出了距離和深度多次測量的結果。

圖8 定位結果Fig 8 Localization result

圖9 距離測量結果Fig 9 Results of distance measurement

圖10 深度測量結果Fig 10 Results of depth measurement

3 結 論

本文給出了利用低頻矢量水聽器估計低頻(40～100 Hz)聲目標距離和深度的方法，并進行了海上試驗驗證。海試結果表明：單矢量水聽器可以利用匹配場處理方法有效的對目標聲源的距離及深度進行估計，在1.3 km圍內，接收信噪比不低于10 dB測距和測向誤差可以控制在10 %以內。

[1] Baggeroer A B,Kuperman W A,Mikhalevsky P N.An overview of matched field methods in ocean acoustics[J].IEEE Journal of Oceanic Engineering,1993,18:4-16.

[2] Mecklenbrauker C F,Geravanchizadeh M,Bohme J F.Broadband matched field processing using robust prewhitening and multiple window techniques[C]∥Proceedings of ICASSP’96 Conference,Atlanta,GA,USA,1996:3081-3084.

[3] Yang Kunde,Ma Yuanliang,Yang Yixin.A novel adaptive matched field processor with environmental mismatch and under-sampling[C]∥2005 Fifth International Conference on Information,Communications and Signal Processing,Bangkok,2005:1269-1273.

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[5] 陳 川.低頻矢量水聽器目標絕對方位估計海上試驗研究[J].傳感器與微系統，2012,31(7):58-60.

[6] 姚直象.單矢量水聽器目標方位估計[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2005.

[7] 楊德坤.水聲陣列信號的匹配場處理[M].西安：西北工業大學出版社,2008.

[8] 王學志，涂 英，吳克桐，等.應用匹配場實現單矢量水聽器的三維定位[J].聲學技術，2012,31(1):72-76.

Passive location realization of single vector hydrophone by applying matched field*

ZHANG Yu, SUN Da-jun, SHI Jun-jie, WANG Qi

(Science and Technology on Underwater Acoustic Laboratory,Harbin Engineering University,Harbin 150001,China)

Matched field principle is applied to single vector hydrophone to realize passive location of target acoustic source .Two kinds of commonly used Bartlett processor are simulated.An improved Bartlett processor which can both restrain the side lobe numbers and improve the main lobe intensity is proposed.Through analyzing experimental data,at the range of 1.3 km,when the SNR is not less than 10 dB,error of ranging and direction finding can be controlled within 10 %.The study provides important reference for practical application of single vector hydrophone.

underwater acoustics; vector hydrophone; matched field processing

2014—01—20

國家“863”計劃資助項目(2012AA090901)

TN 911

A

1000—9787(2014)04—0021—03

張 宇(1984-)，男，黑龍江哈爾濱人，博士研究生，主要研究方向為純方位被動定位、單矢量水聽器匹配場定位技術等。