淺水多途環(huán)境下地震波傳感器二維DOA估計

郭虎生顏 冰吳志東李 響

①(海軍工程大學(xué)兵器工程系 武漢 430033)②(海軍蚌埠士官學(xué)校兵器系 蚌埠 233012)

1 引言

船舶地震波場是指航行船舶低頻噪聲耦合到海底并以彈性介質(zhì)波的形式在海底傳播所形成的矢量場，因其獨特的頻率特性和傳播特性可用于淺水環(huán)境下的目標(biāo)探測[1]。在淺海低頻環(huán)境下，由于地震波傳感器與水聽器接收信號的機理不同，同時又具有足夠遠(yuǎn)的探測距離，因此得到了日益廣泛地重視。目前，已有針對船舶地震波場的探測和定位方法，文獻[2]針對表面波速度低，波長小等特點，利用地聽器組成線陣對淺海環(huán)境下地震波場噪聲的空間相關(guān)特性以及波束形成方法進行了深入研究；文獻[3]在海底布放V型陣對傳統(tǒng)的波束形成方法和自適應(yīng)波束形成方法分別進行了檢驗。但是波束形成方法由于受到瑞利限的制約，無法突破高分辨率的限制。同時，利用地震波傳感器的矢量特性可實現(xiàn)單傳感器的目標(biāo)方位和運動參數(shù)估計；文獻[4]利用加權(quán)子空間的方法對目標(biāo)的運動參數(shù)進行了估計；文獻[5]利用地震波傳感器水平通道接收數(shù)據(jù)構(gòu)成協(xié)方差矩陣，求取源信號最大傳輸方向?qū)δ繕?biāo)方位進行估計，但該方法直接將水平通道當(dāng)做極化通道，未考慮淺海環(huán)境下目標(biāo)地震波傳播的多徑影響。

考慮到三軸地震波傳感器本身就具有陣列流型，將子空間分解理論應(yīng)用到該陣列流型中，利用單個三軸地震波傳感器可對目標(biāo)進行被動探測定位。MUSIC算法是最早的高分辨DOA估計方法之一[68]-，具有良好的估計性能。 MUSIC算法利用信號子空間和噪聲子空間的正交性，構(gòu)造空間譜函數(shù)，通過譜峰搜索來檢測信號的DOA。為了提高地震波傳感器的目標(biāo)分辨能力，將 MUSIC算法用于單地震波傳感器的方位估計中，并針對淺海環(huán)境下地震波多徑傳播，存在相干信號源使傳統(tǒng) MUSIC方法性能惡化的問題，提出斜投影極化分離方法對水中多徑傳播信號進行分離，通過波場極化特征差異構(gòu)建水中信號和表面波信號的極化子空間從而實現(xiàn)兩種傳播路徑信號的分離，并對目標(biāo)的空間譜進行估計從而實現(xiàn)目標(biāo)的高分辨方位估計。仿真結(jié)果表明，該方法依靠單個地震波傳感器便可實現(xiàn)窄帶信號和寬帶信號的高分辨方位估計。湖試數(shù)據(jù)的處理結(jié)果驗證了該方法的有效性。

2 目標(biāo)特性和輸出數(shù)據(jù)模型

2.1 淺海傳播特性

艦船在海水中行進時，輻射聲波與海底頻繁作用，導(dǎo)致水中聲能嚴(yán)重衰減并存在多途效應(yīng)制約了水聲換能器對目標(biāo)的探測和定位能力。同時，低頻聲波與海底介質(zhì)相互耦合，并以彈性波的形式向遠(yuǎn)處傳播，形成了海底地震波場，利用地震波傳感器可彌補淺水環(huán)境下水聽器探測的不足。但艦船地震波場成分復(fù)雜，是由大量不同類型和不同性質(zhì)的波線性或非線性疊加而成，不僅包含縱波、橫波，還包括沿海底分界面上傳播的表面波以及體波。由理論研究和實驗發(fā)現(xiàn)，用于接收艦船地震波的振動傳感器接收到的信號由兩部分組成：

(1)艦船聲源激發(fā)的能量以地震界面波和體波的地聲形式傳播，以沿固液分界面?zhèn)鞑サ?Scholte波為主，且由于能量衰減小，故可傳播很遠(yuǎn)距離，其水平方向振動與垂向振動相位相差/2π。

(2)艦船聲信號在水中傳播，在振動傳感器附近耦合的能量，其水平與垂直方向振動無相位差。如圖1所示為傳感器由不同路徑接收的艦船地震波信號，以及各自波場的所呈現(xiàn)的極化特征示意圖。

2.2 單地震波傳感器陣列流型

航行中的艦船因自身振動引起的水彈性效應(yīng)通過水介質(zhì)以波的形式在水中呈輻射狀傳播，同時，部分聲能耦合入海底以海底界面波的形式傳播[911]-。三軸地震波傳感器布放于海底，接收航行艦船的空間振動信息，輸出包含方位信息的振動分量：，如圖2所示。

圖1 不同傳播路徑信號的極化特征

圖2 波達方向

因此，聲源發(fā)出的聲波入射到三軸傳感器上，其三軸輸出分量為

3 基于極化空間分離的DOA估計

3.1 極化空間分離

MUSIC算法在理想條件下具有良好的性能，但在實際的多徑傳播環(huán)境下，算法的性能會嚴(yán)重下降。對此，利用地震波矢量波場所具有的極化特性[12]增加信號的可分離性以改善2維波達估計性能。對于接收艦船地震波場的矢量傳感器，其水平通道和垂直通道的振速輸出均包含經(jīng)過不同路徑到達的信號，因此本文提出斜投影分離算子方法，依據(jù)波場極化特征差異分別構(gòu)建水中信號和表面波信號的極化子空間實現(xiàn)兩種傳播路徑信號的分離，從振速信號中分離出直達壓縮波，最后在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)目標(biāo)的2維波達方向估計。與傳統(tǒng)的MUSIC方法相比，該方法由于先對不同路徑的傳播信號進行了分離，降低了相干信源的干擾，可提高單傳感器空間譜估計的精度。

對接收的船舶地震波是由具有不同極化參數(shù)的波場疊加形成的，主要由兩個途徑傳播的信號組成：以沿固液分界面?zhèn)鞑サ谋砻娌ê陀伤袀鞑ヅc傳感器耦合的壓縮波。不考慮加性噪聲下，假設(shè)壓縮波場信號，表面波場信號為，且壓縮波信號和表面波信號的極化參數(shù)為，結(jié)合斜投影算子[13,14]，定義信號

極化分離的思想是以不同傳播路徑信號的極化特征不同并利用兩者極化的區(qū)別進行信號的分離，若將極化特征視作一個域，則具有特定形式的極化波便落在相應(yīng)的極化域中。因此可以根據(jù)由壓縮波信號和表面波極化子空間構(gòu)建所對應(yīng)的斜投影算子將目標(biāo)信號和干擾進行抑制或者分離，則斜投影分離算子為[15,16]

從式(7)可以看出，壓縮波和表面波具有不同的極化狀態(tài)，經(jīng)過斜投影分離算子作用后波場可以完全分離，而信號的幅度和相位信息沒有發(fā)生任何變化，不影響后期的處理。

3.2 算法實現(xiàn)

利用單地震波矢量傳感器的 MUSIC算法其性能會受到多途環(huán)境的影響，考慮到地震波場的傳播途徑和矢量場極化特性，提出了一種先對接收數(shù)據(jù)進行斜投影分離，利用分離后信號對目標(biāo)的2維波達方向進行估計的方法。基于極化空間的 2維MUSIC方法的目標(biāo)估計的實現(xiàn)步驟為：

(1)對接收的傳感器三軸信號進行極化狀態(tài)估計，構(gòu)建斜投影分離算子；

(3)由分離信號計算協(xié)方差矩陣R，并對其進行特征值分解；

(4)確定噪聲子空間NU ，按式(8)構(gòu)造空間譜函數(shù)；

4 算法驗證

4.1仿真數(shù)據(jù)驗證

利用仿真數(shù)據(jù)對地震波傳感器的空間譜估計性能進行檢驗，仿真條件：噪聲為零均值的高斯噪聲，入射信號為相干信號包含方位角，俯仰角，極化參數(shù)，單頻20 Hz的水中直達壓縮波仿真信號以及方位角，極化參數(shù),，單頻20 Hz的仿真表面波信號，其中采樣頻率200 Hz，樣本點數(shù)512點，在不同信噪比下，計算結(jié)果為100次獨立實驗的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

圖 3給出不同信噪比(SNR)情況下方位估計的性能曲線。為了進行比較，同時給出 MUSIC方法的估計結(jié)果。可以看出與直接應(yīng)用 MUSIC相比，本文方法具有更好的估計精度。

4.2湖試數(shù)據(jù)角度估計

圖3 波達角估計的均方根誤差

為進一步說明該方法對船舶地震波場的分離效果，對實測數(shù)據(jù)進行分析。其中測試環(huán)境為開闊湖泊內(nèi)，水深約為20 m。利用氣槍激發(fā)地震波信號，其中氣槍聲壓級200 dB，頻帶5~50 Hz，中心頻率18 Hz，氣槍釋放點與檢測系統(tǒng)的距離為50~750 m，間隔100 m。由于水下多途環(huán)境的影響，接收信號不僅包含水中直達壓縮波還包括由地表傳播的表面波信號，湖試實測數(shù)據(jù)如圖4所示。

對實測數(shù)據(jù)進行2維方位估計，其中圖5分別是利用 MUSIC方法和本文方法計算得到的目標(biāo) 2維方位結(jié)果，其中單由 MUSIC方法對氣槍源方位估計計算其方位角=56θ°、俯仰角=36φ°，和目標(biāo)的真實方位的估計偏差＆gt;10°，而由本文中的方法計算得到的方位角=42θ°、俯仰角=23φ°，和目標(biāo)的真實方位的估計偏差＆lt;2°，由此可見改進方法給出的空間譜精度更高，湖試數(shù)據(jù)的處理結(jié)果充分地驗證了改進方法的有效性。

圖4地震波傳感器三軸輸出的湖試原始數(shù)據(jù)

圖5 對實測數(shù)據(jù)分別用MUSIC方法和本文方法得到的方位估計結(jié)果

5 總結(jié)

本文提出了一種基于單個地震波傳感器的目標(biāo)2維波達方位估計的方法，引用MUSIC空間譜方法對目標(biāo)方位進行估計，并針對淺海環(huán)境下地震波多徑傳播的特性，提出斜投影極化分離方法對水中多徑傳播信號進行分離，通過波場極化特征差異構(gòu)建水中信號和表面波信號的極化子空間從而實現(xiàn)兩種傳播路徑信號的分離，并對目標(biāo)的空間譜進行估計從而實現(xiàn)目標(biāo)的高分辨方位估計。仿真和實測數(shù)據(jù)驗證了該方法的有效性。

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