MEMS矢量水聽器陣列的仿真與實(shí)驗(yàn)研究

馮 飛

(中國(guó)人民解放軍91388部隊(duì),廣東湛江 524022)

低頻、小型化、陣列化、低功耗、低成本是水聽器和矢量水聽器發(fā)展的重要方向,基于微電子機(jī)械系統(tǒng)(Microelectro-mechanical systems, MEMS)水聽器和矢量水聽器能滿足這一要求[1]。低頻、小型化、陣列化、低功耗、低成本是矢量水聽器的發(fā)展方向,MEMS矢量水聽器具有體積小、功耗低等優(yōu)勢(shì)[2],能夠滿足這類平臺(tái)對(duì)體積、功耗等的要求。目前多數(shù)方位估計(jì)方法均是基于等間距均勻直線陣列的,本文利用MEMS矢量水聽器進(jìn)行了組陣仿真實(shí)驗(yàn)研究,因?yàn)檫@類型陣列的信號(hào)遵循范德蒙行列式的形式,能夠方便地進(jìn)行數(shù)據(jù)處理[3]。因此,研究小尺度均勻直線陣列是研究其他形式陣列的基礎(chǔ),具有重要的實(shí)際意義。本文以6元矢量水聽器均勻直線陣列為例,通過優(yōu)化設(shè)計(jì),以較小的陣元間距構(gòu)成線型陣列,在給定的仿真參數(shù)下,對(duì)其性能進(jìn)行了仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 六元垂直陣列增益理論與仿真

矢量水聽器具有“8”形方向性,可以提供聲場(chǎng)的方向信息,因此本文將矢量水聽器組成的陣列與標(biāo)量水聽器陣列進(jìn)行比較。它在信噪比處理增益方面具有優(yōu)勢(shì)。由于矢量水聽器可以同時(shí)提供聲壓和振動(dòng)速度信息,因此可以通過波束形成方法獲得多個(gè)波束形成的輸出及其組合。這里,僅分析由二維矢量水聽器組成的均勻線性陣列。

假設(shè)信號(hào)與噪聲不相關(guān),并且信號(hào)的入射方位角與引導(dǎo)方位角一致,即對(duì)于任何方向的入射信號(hào),其中的信號(hào)分量通過波束形成同相疊加。波束形成后的聲壓和振動(dòng)信號(hào)的順序表示為

Vci=Vxicosθ′+Vyisinθ′

(1)

式中,θ為信號(hào)的入射方位角,θ′為引導(dǎo)方位角,Vyi為聲壓信號(hào),Vxi為振束信號(hào)。

1.1 組合形式選擇

對(duì)于常用的組合形式,其理論增益如表1所示[4]。

表1 組合形式

從表1可以看出,當(dāng)θ=θ′=π/2時(shí),四種組合的組合增益分別為4.26 dB,3.01 dB,4.52 dB和4.52 dB。當(dāng)θ′=θ=0時(shí),組合1,3增益很小,組合2增益是負(fù)無(wú)窮大。組合4利用兩種振動(dòng)速度,并且組合增益不受角度變化的影響。因此,這里處理組合4以處理矢量水聽器陣列輸出信號(hào)以實(shí)現(xiàn)最大增益。

1.2 矢量陣增益仿真

在相同條件下,不同頻率的矢量陣列的增益高于聲壓陣列的增益[5]。這里,Matlab用于模擬6元素矢量水聽器陣列的矢量組合增益。陣元間距為0.5 m,有效陣列長(zhǎng)度為3 m,實(shí)際陣列長(zhǎng)度為3.5 m,聲速為1 500 m/s。信號(hào)頻率為1 kHz,采樣頻率為10 kHz,低頻白噪聲上限截止頻率為4 kHz。當(dāng)θ=θ′=π/2時(shí),結(jié)果表明,當(dāng)使用四種不同組合的形式時(shí),6元矢量水聽器的增益分別為10.0 dB、8.7 dB、10.3 dB、10.3 dB;當(dāng)θ=θ′=π/4時(shí),結(jié)果表明,當(dāng)使用四種不同組合的形式時(shí),6元矢量水聽器的增益分別為8.6 dB、7.2 dB、7.9 dB、10.3 dB。結(jié)合兩組數(shù)據(jù)可以看出,組合4形式的增益不受方位角的影響,所以采用組合4形式處理矢量水聽器陣列輸出信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)最大增益,即使用組合4形式的 6元矢量水聽器的增益為10.3 dB。

1.3 波束指向性圖仿真

本次實(shí)驗(yàn)使用的矢量水聽器包含二維矢量通道,且含有標(biāo)量通道,為了得到具有較高增益較窄波束的組合指向性,采用聲壓振速聯(lián)合處理選擇(P+VC)*VC組合方式。

其中，P為聲壓,Vx、Vy分別為xy路振速,θ為方位角,Vc=Vxcosθ+Vysinθ。

其指向性波束如下[6]:

(2)

R(n)=w*(1+cos(θ-θ0))cos(θ-θ0)

(3)

對(duì)波束指向性數(shù)據(jù)處理,結(jié)果如圖1所示。

圖1 波束指向性仿真圖

仿真結(jié)果如圖1所示,橫坐標(biāo)對(duì)應(yīng)著方位角關(guān)系,縱坐標(biāo)對(duì)應(yīng)著波束指向性關(guān)系,由圖1中兩點(diǎn)數(shù)據(jù)可知,1 kHz信號(hào)在陣元間距為0.5 m時(shí),波束寬度為20°。

2 陣列增益測(cè)試

在開闊水域進(jìn)行實(shí)驗(yàn),測(cè)試水深,水面相對(duì)平靜,可以認(rèn)為噪聲是各向同性的。MEMS矢量水聽器陣列由MEMS矢量水聽器、支架、指南針等組成。實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地是開放式水庫(kù),底部是倒梯形結(jié)構(gòu)。岸邊建有浮橋構(gòu)成的碼頭伸入水中 ,碼頭處水深約15 m,水庫(kù)中央深度約50 m。 使用支撐框架組成矩形支撐結(jié)構(gòu),將6支矢量水聽器以間隔0.5 m方式固定在支架上,1個(gè)標(biāo)量水聽器從頂部固定在與第三個(gè)水聽器相同的位置。它們剛性固定,電子羅盤固定在水聽器支架上。使用采集卡實(shí)時(shí)采集采集數(shù)據(jù),采樣軟件中的采樣率設(shè)置為10 K/s,實(shí)驗(yàn)示意圖如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)方案示意圖

將水聽器陣列從碼頭1處放入水中,采集設(shè)備放置于碼頭1上,發(fā)聲換能器置于碼頭2上。聲源與水聽器陣列間距17.6 m。其中聲源入水深度6.75 m,陣列入水深度5 m。聲信號(hào)發(fā)射頻率1kHz,波型為正弦。采用數(shù)據(jù)采集卡記錄每個(gè)頻點(diǎn)數(shù)據(jù),采樣頻率10 K/s,采樣時(shí)間為連續(xù)信號(hào)1 s。

在計(jì)算時(shí)使用聲壓振速聯(lián)合處理的方式取得陣列信號(hào),并通過功率譜密度圖像計(jì)算信噪比。組合方式如式(4)

P0=vi(n)(P(n)i+vi(n))

(4)

對(duì)陣列增益數(shù)據(jù)處理,結(jié)果如圖3所示。

圖3 信號(hào)的功率譜密度

圖3a)為陣列信號(hào)的功率譜密度圖,橫坐標(biāo)對(duì)應(yīng)著頻率關(guān)系,縱坐標(biāo)對(duì)應(yīng)著功率譜密度關(guān)系,由圖中兩點(diǎn)數(shù)據(jù)可知,陣列信號(hào)信噪比為61.75 dB,圖3b)為單支矢量水聽器信號(hào)的功率譜密度圖,橫坐標(biāo)對(duì)應(yīng)著頻率關(guān)系,縱坐標(biāo)對(duì)應(yīng)著單支矢量水聽器信號(hào)功率譜密度關(guān)系,由圖2中兩點(diǎn)數(shù)據(jù)可知,單支矢量水聽器信噪比為51.46 dB。綜合a)、b)圖對(duì)應(yīng)的信噪比分別為61.75 dB,51.46 dB可知,陣列增益為10.3 dB。

3 波束寬度測(cè)試

實(shí)驗(yàn)示意圖如圖2所示。將水聽器陣列從碼頭1處放入水中,采集設(shè)備放置于碼頭1上,發(fā)聲換能器置于碼頭2上。兩碼頭間距17.6 m,聲源入水深度6.75 m,陣列入水深度5 m,聲信號(hào)發(fā)射頻率1 kHz,波型為正弦。采用數(shù)據(jù)采集卡記錄每個(gè)頻點(diǎn)數(shù)據(jù),采樣頻率10 K/s,采樣時(shí)間為連續(xù)信號(hào)1 s。

對(duì)陣列波束寬度數(shù)據(jù)處理,結(jié)果如圖4所示。

本文使用矢量水聽器波束形成算法,對(duì)陣列信號(hào)進(jìn)行波束測(cè)試,結(jié)果如圖4所示,橫坐標(biāo)對(duì)應(yīng)著方位角關(guān)系,縱坐標(biāo)對(duì)應(yīng)著陣列波束寬度關(guān)系,由圖中兩點(diǎn)數(shù)據(jù)可知,陣列的波束寬度為17.6°。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)所設(shè)計(jì)的6元件MEMS矢量水聽器陣列的陣列增益和波束寬度進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。 表明其具有較好的一致性,這為應(yīng)用開拓帶來(lái)了可行性。矢量水聽器陣列對(duì)于提高水聽器的可靠性非常重要,為MEMS矢量水聽器的工程應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。 MEMS矢量水聽器陣列可進(jìn)一步應(yīng)用于水下聲學(xué)對(duì)抗,并且需要可進(jìn)一步研究安裝在魚雷、潛艇和艦船上進(jìn)行水下目標(biāo)檢測(cè)。