標(biāo)矢量水聽(tīng)器陣列的定向性能對(duì)比研究

陳桂英，劉慧敏，邢麗萍，張國(guó)軍，張文棟

(1．中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室電子測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太原　030051；2．北京航天控制儀器研究所，北京　100854；3．北方自動(dòng)控制技術(shù)研究所，山西太原　030006)

0　引言

水聲檢測(cè)及定位系統(tǒng)是利用水聽(tīng)器陣列拾取聲場(chǎng)信息，對(duì)其進(jìn)行處理，從而判斷是否存在目標(biāo)，估計(jì)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)參數(shù)，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行定位。隨著信號(hào)頻率的不斷降低，標(biāo)量水聽(tīng)器陣列在保持一定增益、束寬的條件下，陣列孔徑越來(lái)越大；而且，標(biāo)量水聽(tīng)器陣列的方位分辨存在左右舷模糊的問(wèn)題。而矢量水聽(tīng)器陣列能夠解決上述問(wèn)題[1]。

矢量水聽(tīng)器能夠接受振速和聲壓信號(hào)，標(biāo)量水聽(tīng)器只能接受聲壓信號(hào)。在水下聲場(chǎng)中，噪聲可以分為各向同性噪聲和各向異性噪聲，由于振速具有與頻率無(wú)關(guān)的自然指向性，能很好的抑制各向同性噪聲，而聲壓是標(biāo)量，不能抑制各向同性噪聲，所以矢量水聽(tīng)器在接收聲場(chǎng)信號(hào)上要比標(biāo)量水聽(tīng)器優(yōu)越。將矢量水聽(tīng)器組成陣列，并對(duì)陣列輸出的聲壓和振速矢量進(jìn)行加權(quán)組合處理，能夠提高測(cè)量方位角的精確度。矢量水聽(tīng)器陣列能夠在發(fā)現(xiàn)距離上對(duì)目標(biāo)進(jìn)行左右舷分辨，在端射方向具有更好的指向性，可以有效抑制拖線(xiàn)陣的托船噪聲[2-3]。同時(shí)，矢量水聽(tīng)器陣的陣列效果要優(yōu)于標(biāo)量水聽(tīng)器陣，更加適合于小型基陣的應(yīng)用。在工程應(yīng)用中，矢量水聽(tīng)器陣列被應(yīng)用于水聲對(duì)抗與反對(duì)抗，裝載于魚(yú)雷、潛艇、艦船和直升機(jī)上進(jìn)行目標(biāo)的檢測(cè)、定位和跟蹤等。

文中利用課題組自主研制的MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems)矢量水聽(tīng)器進(jìn)行了組陣實(shí)驗(yàn)研究。這種MEMS矢量水聽(tīng)器具有體積小、靈敏度高、一致性好、易于組陣，其陣列化不受二分之一波長(zhǎng)限制，滿(mǎn)足小孔徑等優(yōu)點(diǎn)[4-5]。MEMS矢量水聽(tīng)器陣列和標(biāo)量水聽(tīng)器陣列采用相同的三元陣列，在同等實(shí)驗(yàn)條件下，對(duì)兩種陣列進(jìn)行了信噪比測(cè)試、單頻定向以及靜、動(dòng)態(tài)目標(biāo)方位歷程估計(jì)實(shí)驗(yàn)。驗(yàn)證MEMS矢量水聽(tīng)器陣列能夠克服標(biāo)量水聽(tīng)器陣列不能克服的左右舷模糊問(wèn)題，具有更高的信噪比，能夠正確估計(jì)靜、動(dòng)態(tài)目標(biāo)方位歷程[6]。

1　陣列信號(hào)處理模型

1．1標(biāo)量水聽(tīng)器陣列信號(hào)處理模型

(1)

假設(shè)接收陣為聲壓水聽(tīng)器等間距線(xiàn)陣，則陣列各陣元的輸出表達(dá)式為：

xp(t)=ap(θ)s(t)+np(t)

(2)

(3)

(4)

1．2矢量水聽(tīng)器陣列信號(hào)處理模型

(5)

圖1　平面波俯仰角示意圖

可知，聲壓與振速的關(guān)系為：

(6)

式中：v(r，t)是t時(shí)刻r處的聲振速；p(r，t)是聲壓；ρ0是介質(zhì)密度；c是信號(hào)在介質(zhì)中的傳播速度；u=[cosΦcosφ，sinΦcosφ，sinφ]T。

由此可知，p(t)和v(t)有相同的波形，二者完全相關(guān)。接收聲壓強(qiáng)度為：

p=Aexp(jkTr)

(7)

式中k為波矢量。

由式(5)和式(7)可得出矢量水聽(tīng)器陣列中每個(gè)水聽(tīng)器的輸出：

(8)

式中：yp(t)為聲壓傳感器的輸出；yv(t)振速傳感器的輸出；np(t)、nv(t)為噪聲；τk為陣元間的延時(shí)，τk=-(rTuk)/c．

由式(8)可知，相對(duì)于標(biāo)量傳感器而言，矢量傳感器測(cè)得的信息包括聲壓分量和振速分量[7]。

由式(8)可得陣列的輸出，用矩陣的形式表示為：

y(t)=A(θ)S(t)+N(t)

(9)

式中：S(t)為信號(hào)源矢量；

A(θ)=[a(θ1)，…，a(θn)]

(10)

a(θk)=ap(θk)?h(θk)

(11)

(12)

(13)

h(θk)則可以看作是每個(gè)傳感器對(duì)聲壓和振速的方向響應(yīng)，與傳感器的位置關(guān)，對(duì)于傳統(tǒng)的聲壓傳感器：h(θk)=1。

假設(shè)信號(hào)和噪聲是零均值，平穩(wěn)隨機(jī)獨(dú)立，服從高斯分布，則陣列輸出的協(xié)方差矩陣為：

(14)

信號(hào)協(xié)方差矩陣為：

E{S(t)SH(t)}=P

(15)

噪聲協(xié)方差矩陣為：

“綠色”的與“保護(hù)地球、環(huán)境及其各種生物的安全和可持續(xù)性發(fā)展相關(guān)”的意義內(nèi)容在“綠色2”的基礎(chǔ)上獲得了長(zhǎng)足地發(fā)展，漸漸突破像“綠色革命”、“綠色和平組織”、“綠色食品”類(lèi)的固定模式，進(jìn)入到更為廣闊的構(gòu)詞領(lǐng)域。

(16)

2　標(biāo)矢量水聽(tīng)器組陣實(shí)驗(yàn)對(duì)比

2．1實(shí)驗(yàn)測(cè)試

為了驗(yàn)證矢量水聽(tīng)器陣能夠克服左右舷模糊，能夠提高信噪比，對(duì)目標(biāo)方位估計(jì)更精確。實(shí)驗(yàn)組分別采用標(biāo)量水聽(tīng)器和矢量水聽(tīng)器進(jìn)行組陣實(shí)驗(yàn)對(duì)比。標(biāo)量陣由標(biāo)量水聽(tīng)器組成，矢量陣由課題組自主研制的MEMS仿生矢量水聽(tīng)器組成。實(shí)驗(yàn)在開(kāi)闊的水域，測(cè)試水域較深，且水面比較平靜，可以認(rèn)為噪聲是各項(xiàng)同性的。實(shí)驗(yàn)采用均勻3線(xiàn)陣，各陣元間距為0.9 m，標(biāo)量水聽(tīng)器和矢量水聽(tīng)器并排，電磁羅經(jīng)安裝在水聽(tīng)器的支架上，用來(lái)實(shí)施監(jiān)測(cè)水聽(tīng)器的姿態(tài)，保持基陣水平。

標(biāo)量水聽(tīng)器輸出聲壓信號(hào)，矢量水聽(tīng)器輸出聲壓和x路、y路振速信號(hào)，發(fā)射換能器被固定在與基陣垂直的方位且與基陣保持水平，吊深于水下7 m，距離測(cè)量基陣10 m，采集卡的采樣頻率設(shè)置為20 kHz．實(shí)驗(yàn)陣列測(cè)原理框圖如圖2所示。

圖2　實(shí)驗(yàn)原理框圖

2．2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

2．2．1陣列單頻信號(hào)定向?qū)Ρ?/p>

實(shí)驗(yàn)用信號(hào)發(fā)生器發(fā)射600 Hz的信號(hào)，經(jīng)功率放大器放大，由發(fā)射換能器發(fā)射出信號(hào)，水聽(tīng)器接收信號(hào)，發(fā)射換能器正對(duì)于陣列。圖3為利用Music算法[8]對(duì)陣列定向的方位估計(jì)結(jié)果。

圖3　目標(biāo)方位估計(jì)(90°)

由圖3可知，矢量陣空間譜圖的主瓣較窄，旁瓣較低，且可以消除左右舷模糊，抑制干擾能力增強(qiáng)。

利用數(shù)據(jù)采集卡空采環(huán)境噪聲，再由發(fā)射換能器發(fā)射600 Hz，900 Hz的連續(xù)單頻信號(hào)，經(jīng)水聽(tīng)器接收信號(hào)，數(shù)據(jù)采集卡采集。圖4、圖5為積分時(shí)間為5 s時(shí)，聲壓陣和矢量陣的實(shí)驗(yàn)增益結(jié)果。

圖4　標(biāo)量陣和矢量陣信噪比(600 Hz)

圖5　標(biāo)量陣和矢量陣信噪比(900 Hz)

由圖可知，在同等條件下，不同頻率的矢量陣的增益比聲壓陣高，則矢量陣能夠獲得更高的信噪比，對(duì)目標(biāo)的定向精度精確。

2．2．3陣列的靜、動(dòng)態(tài)目標(biāo)方位歷程估計(jì)對(duì)比

實(shí)驗(yàn)由發(fā)射換能器發(fā)射600 Hz的信號(hào)，經(jīng)水聽(tīng)器陣列接收，由數(shù)據(jù)采集卡采集，采樣率為20 kHz，采用MUSIC算法對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。圖6和圖7為目標(biāo)位于90°方位的靜態(tài)歷程方位估計(jì)結(jié)果。由圖7和圖8可知，聲壓陣估計(jì)靜態(tài)歷程方位存在左右舷模糊的問(wèn)題，無(wú)法正確估計(jì)波達(dá)方向，而矢量陣能解決180°模糊的問(wèn)題，由陣列的各項(xiàng)指標(biāo)不一致、環(huán)境噪聲等的影響，角度變化較大，存在一定誤差，基本能正確估計(jì)靜態(tài)歷程方位。

圖6　標(biāo)量陣靜態(tài)方位歷程估計(jì)(90°)

圖7　矢量陣靜態(tài)方位歷程估計(jì)(90°)

由實(shí)驗(yàn)可知，矢量陣可以對(duì)靜態(tài)目標(biāo)進(jìn)行方位歷程估計(jì)。為了驗(yàn)證矢量陣能否對(duì)動(dòng)態(tài)目標(biāo)進(jìn)行方位歷程估計(jì)，實(shí)驗(yàn)采用某運(yùn)動(dòng)船，船速為10 km/s，在距離線(xiàn)陣20 m正前方處作往返航行，截取一段數(shù)據(jù)，利用相應(yīng)的算法估計(jì)柴油機(jī)往返的方位歷程。圖8和圖9為實(shí)驗(yàn)結(jié)果，從圖中可以看出，對(duì)柴油機(jī)的航跡進(jìn)行跟蹤時(shí)，聲壓陣的方位估計(jì)結(jié)果有兩個(gè)主瓣，存在左右舷模糊，MEMS矢量陣列能夠解決左右舷模糊的問(wèn)題，由陣列的各項(xiàng)指標(biāo)不一致、環(huán)境噪聲等的影響，角度變化較大，存在一定誤差，但基本能正確估計(jì)動(dòng)態(tài)目標(biāo)的方位。

圖8　標(biāo)量陣動(dòng)態(tài)方位歷程估計(jì)(90°)

3　結(jié)束語(yǔ)

文中從原理上介紹了標(biāo)量水聽(tīng)器陣列和矢量水聽(tīng)器陣列的區(qū)別，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試。在保證實(shí)驗(yàn)條件相同的前提下，對(duì)標(biāo)量水聽(tīng)器陣列和矢量水聽(tīng)器陣列同時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括陣列單頻信號(hào)定向?qū)Ρ?、陣列增益?duì)比和陣列的靜、動(dòng)態(tài)目標(biāo)方位歷程估計(jì)對(duì)比，通過(guò)這些實(shí)驗(yàn)比較了標(biāo)量水聽(tīng)器陣和矢量水聽(tīng)器陣的信噪比和定向性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：矢量水聽(tīng)器陣列能夠獲得更高的信噪比，在弱信號(hào)的前提下，矢量陣可以更有效的獲得有用信號(hào)，對(duì)目標(biāo)的定向和定位更精確；矢量陣能夠克服聲壓陣所存在的左右舷模糊問(wèn)題，不僅可以對(duì)靜態(tài)目標(biāo)進(jìn)行方位估計(jì)，而且對(duì)動(dòng)態(tài)目標(biāo)也能進(jìn)行方位估計(jì)。文中的工作為矢量水聽(tīng)器陣列在工程上的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

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