瞬時(shí)相關(guān)積分法在矢量水聽器方位估計(jì)中的應(yīng)用研究

廖述?！”R治強(qiáng)　張瑤

摘 要： 矢量水聽器可以同軸共點(diǎn)的測量聲場信息，單個(gè)水聽器即可完成對目標(biāo)方位的無偏估計(jì)，但在各通道的相位不一致時(shí)，其估計(jì)精度會(huì)受到很大影響。針對這一問題，提出了將瞬時(shí)相關(guān)積分作為預(yù)處理算法的解決辦法。各通道的信號(hào)在經(jīng)過瞬時(shí)相關(guān)積分后，其相位保持了一致，并且輸入信號(hào)的信噪比也得到了有效提高，從而可以保證對目標(biāo)方位的有效估計(jì)。理論分析與仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了算法的有效性。

關(guān)鍵詞： 矢量水聽器； 相位； 瞬時(shí)相關(guān)積分； 信噪比

中圖分類號(hào)： TN911.7?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2016）07?0060?03

Abstract： The vector hydrophone can measure the sound field information coaxially and concurrently. Since the single vector hydrophone can accomplish the unbiased estimation of target azimuth， the inconsistent phase of each channel will greatly affect on the estimation precision. To solve this problem， the solution of using the instantaneous correlation integral as the preprocessing algorithm is proposed. The phase of each channel is consistent after signal′s instantaneous correlation integral， and the signal?to?noise ratio （SNR） of the input signal is improved to guarantee the effective estimation of target azimuth. The effectiveness of this algorithm is verified by theoretical analysis and simulation experiment.

Keywords： vector hydrophone； phase； instantaneous correlation integral； SNR

0 引 言

聲矢量傳感器可以在空間中共點(diǎn)、同步、獨(dú)立獲得聲場中的聲壓和質(zhì)點(diǎn)振速信息。不同于傳統(tǒng)的聲壓水聽器，單個(gè)矢量水聽器即可實(shí)現(xiàn)對多個(gè)不相關(guān)信號(hào)波達(dá)方向角的無偏估計(jì)。基于以上特點(diǎn)，對聲矢量傳感器及其陣列系統(tǒng)的研究成為近些年來的熱點(diǎn)，相繼有很多相關(guān)研究成果發(fā)表[1?4]。

在聲矢量傳感器的實(shí)際應(yīng)用中，由于制作工藝、放大量等原因，會(huì)造成其輸出的聲壓、振速通道的幅度和相位的不一致，這會(huì)影響其方位估計(jì)的精度，因此在其工程應(yīng)用之前都要對其進(jìn)行不同頻率靈敏度與相位的測定，從而進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)償[5?7]。

本文針對聲矢量傳感器相位不一致的情況，提出了一種前置處理算法，通過利用瞬時(shí)相關(guān)積分方法使得各通道的信號(hào)保持一致，從而可以獲得對于目標(biāo)方位的估計(jì)，同時(shí)此方法還能有效提高信噪比。理論分析及仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了算法的有效性。

1 矢量水聽器方位估計(jì)方法

1.1 矢量水聽器測量模型

式中：[Re]表示取實(shí)部運(yùn)算。由于在頻域進(jìn)行計(jì)算，能夠?qū)⒉煌l率的信號(hào)區(qū)分開來，從而可以實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)分辨。

以上方法中均假設(shè)矢量傳感器各通道的相位是一致的，但在實(shí)際應(yīng)用中，不可避免地會(huì)出現(xiàn)幅度及相位不一致的情況，此時(shí)將會(huì)對目標(biāo)方位估計(jì)產(chǎn)生極大影響[7?8]。

2 瞬時(shí)相關(guān)積分算法

瞬時(shí)相關(guān)積分法的處理增益與信號(hào)的平均功率、噪聲的平均功率和帶寬、短時(shí)積分時(shí)間長度等有關(guān)。其中，通過積分獲得的增益恒為[10lg（Bt）]。當(dāng)信號(hào)功率和短時(shí)積分時(shí)間長度不變時(shí)，總的處理增益隨噪聲功率增加而減小，亦即處理增益隨輸入信噪比降低而減小。

3 仿真分析

對本文提出的算法進(jìn)行仿真分析。仿真條件：發(fā)射的CW信號(hào)頻率為4 kHz，信號(hào)脈寬[T=]0.2 s，系統(tǒng)的采樣頻率[fs=]40 kHz。

從圖2中可以明顯看出，經(jīng)過了瞬時(shí)相關(guān)積分，噪聲得到了有效抑制，信噪比得到了明顯提高。

分析算法對聲矢量傳感器方位估計(jì)的有效性不失一般性，僅考慮水平方向上的方位估計(jì)。假設(shè)兩聲壓通道[Vx，][Vy]的幅度增益均為1，目標(biāo)的角度[θ]分布在（0°，90°）范圍內(nèi)，兩聲壓通道的相位差[Δφ]分布在（0°，60°）范圍內(nèi)，其余條件與之前的實(shí)驗(yàn)相同。利用互譜法得到的方位估計(jì)，直接計(jì)算得到的方位估計(jì)誤差用[e1]表示，經(jīng)過瞬時(shí)相關(guān)積分后得到的角度估計(jì)誤差用[e2]表示，進(jìn)行200次蒙特卡羅仿真，得到的結(jié)果如表1所示。

從表1中可以看出，直接算法的誤差隨著相位差的增大而增大，在相同條件下，目標(biāo)的方位越接近45°估計(jì)誤差越大。而經(jīng)過了瞬時(shí)相關(guān)積分后，無論相位差及目標(biāo)方位如何變化，估計(jì)誤差均保持在一個(gè)較小的水平上，此時(shí)影響其精度的主要因素為信噪比。

4 結(jié) 論

針對聲矢量傳感器各通道相位不一致情況下的方位估計(jì)問題，本文提出了將瞬時(shí)相關(guān)積分作為前置處理方法，通過瞬時(shí)相關(guān)積分，各通道的相位保持了一致，且其信噪比也得到了有效提高。通過仿真分析對本方法進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果證明了本文方法的有效性。

參考文獻(xiàn)

[1] 楊德森，洪連進(jìn).矢量水聽器原理及應(yīng)用引論[M].北京：科學(xué)出版社，2009.

[2] 孫貴青.矢量水聽器檢測技術(shù)研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2001.

[3] 孫貴青，李啟虎.聲矢量傳感器信號(hào)處理[J].聲學(xué)學(xué)報(bào)，2004，29（6）：491?498.

[4] 姚直象.單矢量水聽器信號(hào)處理研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2005.

[5] 劉伯勝，田寶晶.矢量傳感器估計(jì)目標(biāo)方位的誤差的仿真研究[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，24（5）：191?194.

[6] 師俊杰，孫大軍，呂云飛，等.甚低頻矢量水聽器水池校準(zhǔn)方法研究[J].兵工學(xué)報(bào)，2011，32（9）：1106?1112.

[7] 時(shí)勝國.矢量水聽器及其在平臺(tái)上的應(yīng)用研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2007.

[8] 張瑤.淺海條件下主動(dòng)聲吶目標(biāo)探測若干方法研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2013.