聲傳感器陣列的實驗研究*

葛曉洋，張國軍* ，杜春暉，張 慧，張文棟

(1.中北大學儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室，太原030051;2.電子測試技術(shù)重點實驗室，太原030051)

海洋是地球的藍寶石，21世紀的人類將更多地依靠海洋資源。由于海洋的特殊環(huán)境，人們一般僅能借助于遙感遙測獲取和發(fā)送水下信息。迄今所熟知的各種能量形式中，聲波在海洋中有最佳的遠距離傳播性能。因而水聲就成為海洋中信息傳播的主要載體[1]。聲源發(fā)出攜帶信息的聲波，通過海洋到達水聲接收傳感器或傳感器陣，連同海洋環(huán)境噪聲被傳感器轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)過信號與信息處理，對目標存在與否做出判決，確定目標的個數(shù)、狀態(tài)參數(shù)、種類，或者恢復目標發(fā)出的源信息。

聲壓水聽器的研制成功解決了科學實踐的許多問題，現(xiàn)有的水聲系統(tǒng)尤其是聲吶，都為聲壓信息處理系統(tǒng)[2]。但是，隨著人們對海洋研究的深入，聲壓水聽器的不足越發(fā)體現(xiàn)出來。在測量微弱低信噪比信號時，常用的最直接有效的方法就是采用水聽器陣列，通過空間濾波獲得空間增益，從而提高檢測性能。但是隨著頻率的降低，如要保持一定的增益及束寬，陣元間距會越來越大，從而導致基陣龐大，不易實現(xiàn)。而且常規(guī)拖曳線列陣存在對目標方位分辨左、右舷模糊問題[3]?；诼晧宏嚢l(fā)展已經(jīng)很成熟的現(xiàn)狀，要解決聲壓陣存在的問題，人們必須從原理上進行改進，為此研制出能同時共點的拾取聲壓和振速信息的矢量水聽器[4]。目前，矢量水聽器是國內(nèi)外水聲傳感器研究的重點[5]。小尺度矢量陣即可達到大尺度聲壓陣的測向性能，單個矢量水聽器即可分辨兩個同頻信號。本課題組研制的一種MEMS硅微仿生矢量水聽器將壓阻原理，MEMS技術(shù)，仿生技術(shù)結(jié)合到一起，是一種新方法新原理的嘗試[6]。它具有體積小，靈敏度高，低頻檢測性能好，指向精度高，有良好的“8”字型指向性等優(yōu)點[7]。它以其高性能，低成本的優(yōu)勢順應了目前的矢量水聽器發(fā)展趨勢和需求。MEMS矢量水聽器被嘗試著應用于魚雷探測中，并取得了良好的效果。本文通過對矢量線陣與聲壓線陣的方位估計與陣增益的仿真與實驗對比，得出矢量陣目標方位估計的優(yōu)良性能、對水下運動目標的可靠跟蹤能力及其可獲得的高空間增益。

1 陣列仿真

1.1 陣列增益

聲陣列的任務之一是判決信號的有無，即對信號進行檢測。有目標時，接收到的為信號與噪聲，無目標時，接收到的僅為噪聲。當信噪比高時，傳感器陣列對有用聲信號的判斷把握較大，當信噪比低時，對有用聲信號的檢測就困難一些。因此，陣列信號處理的一個較重的任務就是極力提高其輸出信噪比，一個陣列的輸出信噪比與該陣列的增益大小直接相關。研究陣列的增益就是研究這個陣列的檢測性能。利用陣列能獲得的空間增益是人們所關心的[8]，所以，本文針對空間增益對標量陣與矢量陣進行研究。

1.1.1 聲壓陣增益

各向同性噪聲場聲壓的空間相關半徑為λ/2，λ為波長，所以，常用的聲壓基陣為半波長間距陣或大于半波長間距陣。這保證各陣元輸出的各向同性噪聲是互不相關的，而目標信號是相干的。聲壓陣基本波束形成為延時迭加，時域表達式為:

其中，M為時域數(shù)據(jù)點數(shù)，N為陣元個數(shù)。經(jīng)計算，由式(1)可推出聲壓陣列的增益為:

其中，B為信號處理帶寬，T為信號時間長度。

1.1.2 矢量陣增益

MEMS仿生矢量傳感器具有低頻性能好，靈敏度高，具有良好的“8”字形指向性等優(yōu)點，由它所組成的陣列與聲壓陣列相比，就會具有更好的指向性及更高的增益[9]。

對于陣列而言，將波束形成后的聲壓振速分別表示為Pi，Vxi，Vyi，矢量傳感器輸出的振速均可電子旋轉(zhuǎn)，所以還可得到其組合的輸出為:

其中，θ為聲源入射方位角。對上述量進行不同的組合就會得到不同的增益。根據(jù)之前的研究，根據(jù)波束指向性要具有主瓣窄、旁瓣低、抗目標方位左右舷模糊的優(yōu)點，而且在波束最大方向有較高的增益，在平穩(wěn)各項同性噪聲背景下，的組合是最好的組合方式[10]。其組合增益為:

取陣元數(shù)為3，處理帶寬為300 Hz時，聲壓陣、矢量陣的時間與增益的關系圖如圖1所示。由圖可知，矢量陣的增益明顯大于聲壓陣。

圖1 陣列增益

1.2 陣列方位估計

1.2.1 聲壓陣的方位估計

對于陣列信號處理，一般所關注的問題之一是波束形成技術(shù)，即使陣列方向圖的主瓣指向所需的方向[11]。對于聲壓陣一般采用延時加權(quán)相加的方法實現(xiàn)波束形成，通過預成多波束或者單波束掃描完成目標檢測和估計，它所用的指向性因子是合成信號的平均功率，不存在指向性因子的形成，因而聲波陣存在左、右舷模糊的問題，無法對信號的方位進行正確的估計。

仿真信號由兩個正弦信號疊加而成，然后加入高斯噪聲，信噪比為－10 dB。選取三個傳感器組成陣列，陣元間距為1 m，目標方位定位60°。圖2(a)所示為利用MUSIC算法對聲壓陣的方位估計。MUSIC算法可窄化波束，提高對目標方位估計的精度。

圖2 陣列目標方位估計

1.2.2 矢量陣的方位估計

對MEMS仿生矢量傳感器的定向算法仍選用波束形成法[12]。MEMS仿生矢量傳感器在波束形成時，除了對不同陣元信號的空間相位延遲因子進行補償外，還要對同一陣元的不同輸出分量信號進行加權(quán)處理。因為矢量水聽器同時獲得了聲壓量與振速量，具有與頻率無關的余弦指向性，該矢量傳感器可以進行水平面或垂直面無模糊的波束掃描。而且，矢量陣對目標方位估計較聲壓陣壓低了旁瓣。仿真條件與聲壓陣一致。圖2(b)所示為矢量陣的方位估計。由圖可看出，矢量陣克服了左右舷模糊的問題。

2 陣列實驗

基于對聲壓陣標量陣的增益及其目標方位估計的仿真研究，本文進一步的進行實驗對比研究。為了驗證聲壓陣與矢量陣的的增益及其目標估計性能，課題組進行了多次外場實驗。聲壓陣由標量水聽器組成，矢量陣由課題組研制的MEMS仿生矢量水聽器組成。實驗環(huán)境為汾河二庫，測試水域比較寬闊，水域較深，所以環(huán)境噪聲較為理想可以認為是各向同性噪聲場。實驗采用的是線陣。聲壓陣與矢量陣均由三個陣元組成，各陣元間距為1.9 m。實驗中水聽器陣列固定于碼頭左側(cè)，電磁羅經(jīng)固定在水聽器支架上，用來實時監(jiān)視水聽器自身姿態(tài)，保持基陣水平。每個聲壓陣陣元輸出為聲壓信號，每個矢量陣陣元輸出聲壓和x、y振速三路信號。發(fā)射換能器被固定在與測量基陣垂直的方位，陣列與換能器被吊深度均為水下6 m，兩者間隔10 m左右，采樣頻率設置為20 kHz，陣列分布圖及系統(tǒng)實驗框圖如圖3(a)、3(b)所示。

圖3 陣列分布及測試系統(tǒng)

2.1 陣列增益

利用發(fā)射換能器發(fā)射頻帶寬為300 Hz的寬帶信號。實驗環(huán)境可看做為各項同性噪聲。圖4(a)、4(b)分別為聲壓陣與矢量陣的實驗增益。由實驗結(jié)果可知，矢量陣增益大于聲壓陣增益，與理論值吻合。由于實際操作與理論研究存在一定的誤差，所以，實際得到的增益要小于理論增益。

圖4 陣列增益

2.2 目標方位估計

利用發(fā)射換能器發(fā)射500 Hz的單頻信號，實驗采用頻域波束形成技術(shù)。由實驗設置可知，目標在位于陣列90°方位處。圖5(a)、5(b)所示分別為聲壓陣與矢量陣的目標方位估計。

由圖5可知，矢量陣信號處理可消除左、右舷模糊的問題，且其定位更準確，抑制噪聲能力強于聲壓陣。

圖5 陣列目標方位估計

2.3 目標航跡跟蹤

由§2.2可知，矢量陣可實現(xiàn)對靜態(tài)目標的目標方位估計。為了驗證兩種陣列對水下動態(tài)目標的跟蹤可靠能力，實驗利用陣列對運動的船只進行軌跡跟蹤。實驗目標是某運動快艇，快艇航速為10 km/s，快艇在距離水聽器陣列30 m遠處航行，從水聽器所指的0°開始圍繞水聽器作圓周運動。所取的時間段為0～18 s。圖6(a)、6(b)所示為聲壓陣與矢量陣的時間方位歷程圖。

圖6 陣列目標航跡跟蹤

實驗結(jié)果表明，矢量陣消除了聲壓陣的左、右舷模糊，能夠有效的對船的目標航跡進行跟蹤，其可靠性較聲壓陣高。

3 結(jié)論

本文基于新型MEMS仿生矢量水聽器，創(chuàng)新性的對聲壓陣與矢量陣的增益及目標方位估計進行仿真，在此基礎上，通過兩者的對比實驗進一步對仿真結(jié)果進行驗證。仿真及實驗結(jié)果表明，兩者的實際增益均小于理論增益，矢量陣的增益較聲壓陣的增益大。在目標方位估計方面，仿真結(jié)果與實驗結(jié)果一致，矢量陣可以克服聲壓陣所存在的左、右舷模糊問題，且矢量陣抑制噪聲干擾能力較聲壓陣強，定位精度較聲壓陣高。矢量陣還可有效的對水下運動目標進行航跡跟蹤。本文從理論仿真與實驗驗證兩方面入手，驗證了矢量陣的優(yōu)越性，為今后MEMS仿生矢量水聽器的工程化應用奠定了基礎。

[1]呂錢浩.矢量傳感器陣列技術(shù)研究[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學，2004:1.

[2]陳新華.矢量陣信號處理技術(shù)研究[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學，2004:1.

[3]趙羽.矢量陣陣處理研究[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學，2004:1－2.

[4]王德俊.矢量聲場與矢量信號處理理論研究[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學，2004:2－3.

[5]許姣，張國軍，石歸雄等.纖毛式矢量水聽器新型封裝結(jié)構(gòu)的研究[J].傳感技術(shù)學報，2011，24(4):517.

[6]喬慧，劉俊，張斌珍等.一種新型壓阻式硅微仿生矢量水聽器的設計[J].傳感技術(shù)學報，2008，21(2):301－304.

[7]樊姣榮，王曉瑤，劉文怡等.MEMS矢量水聽器陣列信號處理研究[J].傳感器與微系統(tǒng)，2012，31(1):14－17.

[8]楊德森，洪連進.矢量水聽器原理及應用引論[M].北京:科學出版社，2009:134.

[9]陳尚，薛晨陽，張斌珍等.一種新型的MEMS單矢量水聽器研究[J].兵工學報，2008，29(6):673－677.

[10]楊德森，洪連進.矢量水聽器原理及應用引論[M].北京:科學出版社，2009:135－136.

[11]徐明遠，劉增力.MATLAB仿真在信號處理中的應用[M].西安:西安電子科技大學出版社，2007:290－291.

[12]關凌綱，張國軍，薛晨陽等.基于納機電矢量水聽器的水下目標估計[J].海洋技術(shù)，2009，28(2):43－45.