葛曉洋，張國軍* ，杜春暉，張 慧，張文棟

(1.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051;2.電子測試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051)

海洋是地球的藍(lán)寶石，21世紀(jì)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(yuǎn)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(dá)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(biāo)存在與否做出判決，確定目標(biāo)的個數(shù)、狀態(tài)參數(shù)、種類，或者恢復(fù)目標(biāo)發(fā)出的源信息。

聲壓水聽器的研制成功解決了科學(xué)實(shí)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(dǎo)致基陣龐大，不易實(shí)現(xiàn)。而且常規(guī)拖曳線列陣存在對目標(biāo)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(jìn)行改進(jìn)，為此研制出能同時共點(diǎn)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(diǎn)[5]。小尺度矢量陣即可達(dá)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(diǎn)[7]。它以其高性能，低成本的優(yōu)勢順應(yīng)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(yīng)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(shí)驗(yàn)對比，得出矢量陣目標(biāo)方位估計的優(yōu)良性能、對水下運(yùn)動目標(biāo)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(wù)之一是判決信號的有無，即對信號進(jìn)行檢測。有目標(biāo)時，接收到的為信號與噪聲，無目標(biāo)時，接收到的僅為噪聲。當(dāng)信噪比高時，傳感器陣列對有用聲信號的判斷把握較大，當(dāng)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(wù)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(guān)。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(guān)心的[8]，所以，本文針對空間增益對標(biāo)量陣與矢量陣進(jìn)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(guān)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(guān)的，而目標(biāo)信號是相干的。聲壓陣基本波束形成為延時迭加，時域表達(dá)式為:

其中，M為時域數(shù)據(jù)點(diǎn)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(diǎn)，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(jìn)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(biāo)方位左右舷模糊的優(yōu)點(diǎn)，而且在波束最大方向有較高的增益，在平穩(wěn)各項(xiàng)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(guān)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(guān)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(shí)現(xiàn)波束形成，通過預(yù)成多波束或者單波束掃描完成目標(biāo)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(jìn)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(biāo)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(biāo)方位估計的精度。

圖2 陣列目標(biāo)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(jìn)行補(bǔ)償外，還要對同一陣元的不同輸出分量信號進(jìn)行加權(quán)處理。因?yàn)槭噶克犉魍瑫r獲得了聲壓量與振速量，具有與頻率無關(guān)的余弦指向性，該矢量傳感器可以進(jìn)行水平面或垂直面無模糊的波束掃描。而且，矢量陣對目標(biāo)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(shí)驗(yàn)

基于對聲壓陣標(biāo)量陣的增益及其目標(biāo)方位估計的仿真研究，本文進(jìn)一步的進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對比研究。為了驗(yàn)證聲壓陣與矢量陣的的增益及其目標(biāo)估計性能，課題組進(jìn)行了多次外場實(shí)驗(yàn)。聲壓陣由標(biāo)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(shí)驗(yàn)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(rèn)為是各向同性噪聲場。實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)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(shè)置為20 kHz，陣列分布圖及系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)環(huán)境可看做為各項(xiàng)同性噪聲。圖4(a)、4(b)分別為聲壓陣與矢量陣的實(shí)驗(yàn)增益。由實(shí)驗(yàn)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(shí)際操作與理論研究存在一定的誤差，所以，實(shí)際得到的增益要小于理論增益。

圖4 陣列增益

2.2 目標(biāo)方位估計

利用發(fā)射換能器發(fā)射500 Hz的單頻信號，實(shí)驗(yàn)采用頻域波束形成技術(shù)。由實(shí)驗(yàn)設(shè)置可知，目標(biāo)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(biāo)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(zhǔn)確，抑制噪聲能力強(qiáng)于聲壓陣。

圖5 陣列目標(biāo)方位估計

2.3 目標(biāo)航跡跟蹤

由§2.2可知，矢量陣可實(shí)現(xiàn)對靜態(tài)目標(biāo)的目標(biāo)方位估計。為了驗(yàn)證兩種陣列對水下動態(tài)目標(biāo)的跟蹤可靠能力，實(shí)驗(yàn)利用陣列對運(yùn)動的船只進(jìn)行軌跡跟蹤。實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)是某運(yùn)動快艇，快艇航速為10 km/s，快艇在距離水聽器陣列30 m遠(yuǎn)處航行，從水聽器所指的0°開始圍繞水聽器作圓周運(yùn)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(biāo)航跡跟蹤

實(shí)驗(yàn)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(biāo)航跡進(jìn)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(biāo)方位估計進(jìn)行仿真，在此基礎(chǔ)上，通過兩者的對比實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步對仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，兩者的實(shí)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(biāo)方位估計方面，仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)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(qiáng)，定位精度較聲壓陣高。矢量陣還可有效的對水下運(yùn)動目標(biāo)進(jìn)行航跡跟蹤。本文從理論仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證兩方面入手，驗(yàn)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(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

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