聲壓振速聯(lián)合信息處理及其物理基礎初探

王雪嬌 李朝朝 王通 楊霞松

摘要：聲壓振速聯(lián)合信息處理是我國水下聲場聲壓和信息獲取處理的基本途徑，以往信息處理中基本上以聲壓為主，忽略了振速，信息獲缺乏完整性，現(xiàn)如今隨著科技和信息技術的發(fā)展，聲壓振速聯(lián)合信息處理中正在積極加強振速信息處理，并對物理基礎進行深入研究。本文主要是從現(xiàn)代科技發(fā)展角度對聲壓振速聯(lián)合信息處理方法和物理基礎急性分析，針對信息處理的矢量以及信息收集的物理基礎進行分析，用水聲物理實驗對聲壓場進行分析，從目標和環(huán)境方位進行研究，探討應如何利用聲矢量場對聯(lián)合信息處理進行深入研究，通過聯(lián)合處理聲壓和振速獲取有效的信息數(shù)據(jù)，以此獲取更加具有參考價值和實用價值的數(shù)據(jù)信息，從而得到聲壓和振速共同含有的環(huán)境與目標信息。

關鍵詞 生涯振速 聯(lián)合信息處理 物理基礎

1聲壓振速聯(lián)合信息處理的意義

自從1918年法國物理學家郎之萬研制出第一個聲吶裝置后，水聲物理實驗就廣泛地利用聲吶裝置，通過聲壓場以及水聽器的聲吶信息接收，專門對聲壓信息進行處理，但比對無線電波的磁場和電場，聲吶的聲波兩句標量場和矢量場，只針對聲壓信息進行處理所獲取的數(shù)據(jù)比單一，聲波還具有振速信息，所以水聲信號處理和聲場研究中要錄利用振速的獨特性，發(fā)揮聲場研究和水聲信號研究的特色，利用振速實現(xiàn)聯(lián)合信息處理，采用振速的信息處理優(yōu)勢，利用振速矢量信息，將矢量中包含的環(huán)境和目標信息挖掘出來，通過振速在其他軸上的投影分量，得到與頻率無關的偶極子指向性，這種指向性有效補充了目標信息，所以即使是在低頻下依舊可以得到目標和環(huán)境信息，有效彌補了聲壓信息的單一性。振速信息處理，不能再采用單一的小尺度水聽器，要利用多個聲壓接收器從得到目標和環(huán)境的方位聲信息，比對以往的無線電信號處理的物理基礎，振速信息處理是矢量信息，其處理所需的物理基礎和信息處理方式和聲壓信息不同，現(xiàn)如今聲吶浮標中已經(jīng)利用了多偶極子傳感器和矢量傳感器用于研究拖曳線列陣聲基陣，專門用于分析振速信息，但要實現(xiàn)振速和聲壓信息的聯(lián)合處理，還需要進一步展開深入研究。目前聯(lián)合信息處理的研究進展不明，一方面是俄國雖然對聯(lián)合信息處理有多年的研究，但始終沒有公開研究結果。另一方面美國雖然率先關注振速信息，研制出振速傳感器和積極研究振速處理方法，但沒有進行振速和聲壓的聯(lián)合處理。要實現(xiàn)振速和聲壓信息的聯(lián)合處理，需要從聲吶技術領域加強對振速的關注，但還要開發(fā)出聯(lián)合處理機制，實現(xiàn)聲壓信息和振速信息的同步處理，保證聲場環(huán)境的內(nèi)部矢量和標量信息收集完整，得到聲壓和振速中所蘊含的環(huán)境和目標信息。

2聲壓振速聯(lián)合信息處理方法

聲壓振速聯(lián)合信息處理需要將聲壓和振速，通過現(xiàn)代科學技術進行傳感收集，按照一定的規(guī)模聲矢量傳感裝置的聲壓傳感無指向性特征和質(zhì)量指向功能的振速測量裝置進行復合處理，對聲場內(nèi)部環(huán)境的標量和矢量信息籌集，加利用聲矢量傳感器對聲場主體的控制優(yōu)勢，解決水下寬帶源的遠程側向問題，通過聲壓與振速的互矩陣的聲矢量陣，對相干信號子空間進行測量和信息收集，從而實現(xiàn)聲壓和振速聯(lián)合處理。聲矢量矩陣相干信號子空間方法，是將現(xiàn)有的聲矢量傳感器的振速信息，采用獨立矩陣元進行聲矢量陣測向，這種新方法則是完全在聲壓和振速聯(lián)合處理，獲得充分且完整的信息，發(fā)揮聲矢量的矢——V互譜的方法，清除噪聲的影響，利用相干信號子空間的寬帶高分辨能力，去相干能力和聲矢量陣的抗噪聲能力，從多個維度進行寬帶源的遠程和高方位分辨估計。理論上，矢——V互譜矩陣的寬帶聚焦原理和特征分解原，通過信源檢測準則，對水下測量數(shù)據(jù)的仿真實驗進行檢測，用3元聲矢量矩陣，能對信噪比為-10dB以及觀測時間在205h的數(shù)據(jù)進行方位跟蹤，采用這種新方法估計方位所得到的均方根誤差僅有50，顯著優(yōu)于以往的信息處理方法，且能實現(xiàn)聲壓和振速的聯(lián)合處理，有利于優(yōu)化整個測量和預估精準度，保證數(shù)據(jù)處理符合要求，畢竟噪聲中的單頻信號對信息聯(lián)合處理影響較大，例如水下目標定位和導航等時候，水聲通信載波檢測和恢復以及水下移動通信頻編估計等都無法滿足分辨頻率估算要求。為達到聲壓和振速的聯(lián)合處理，要利用子空間類超分辨頻率估算方法，通過聲矢量傳感器進行同步共點進對聲場和質(zhì)點進行聯(lián)合處理，通過拾取聲場聲壓和質(zhì)點振速信息，充分利用目標和各向同性干擾之間的鵝差別，利用聲壓和振速的指向性差異進行信息聯(lián)合處理，目前空域的聯(lián)合信息處理，是從波達方向的估計入手，在對時頻域進行分析。例如Tichavsky就對于單個矢量傳感器的目標反向和頻率進行聯(lián)合估計，通過對性能的CRLB（Cramer- RaoLower Bound）下限進行分析，得出了能用于實際數(shù)據(jù)分析聯(lián)合估計方法，文在此基礎上通過類似的思想，對目標方位的已知頻率進行估計，先對聲吶西信號進行處理，然后再對波束輸出信息進行時頻參數(shù)估計，用先驗已知的目標方位，對聲壓振速的聯(lián)合處理進行驗算，發(fā)現(xiàn)將聲壓振速的協(xié)方差矩陣引入旋轉不變子空間利用頻率估算的方法，能夠在不影響算法性能的前提下，降低運算量并實現(xiàn)聲壓振速的聯(lián)合處理。

3結語

綜上所述，利用旋轉不變子空間、子空間類超分辨頻率估算方法、相干信號子空間等算法可以實現(xiàn)聲壓振速聯(lián)合信息處理，利用聲矢量陣和聯(lián)合信息處理的側向方法，能克服噪聲和頻率的干預，拾取聲場的聲壓和振速信號并完成信息聯(lián)合處理。

作者簡介：王雪嬌1989.3，女，回，山東青州人，研究生，山東師范大學歷山學院，助教，研究方向，物理學;楊霞松，女，山東師范大學歷山學院，助教，研究方向：智能技術與自動化裝置;李朝朝，女，山東師范大學歷山學院，助教，研究方向：機械設計與制造;王通，男，山東師范大學歷山學院，助教。

參考文獻

[1] 白興宇，楊德森，趙春暉.基于聲壓振速聯(lián)合信息處理的聲矢量陣相干信號子空間方法[J]. 聲學學報，2016（05）：410-417.

[2] 孫國倉，惠俊英，郭龍祥.聲壓振速聯(lián)合頻率估計[J].計算機工程與應用，2018（10）：154-156.