張國鋒 陳希星 遼寧大連測控技術(shù)研究所 116013

單矢量傳感器對聲源的定位技術(shù)研究

張國鋒 陳希星 遼寧大連測控技術(shù)研究所 116013

隨著潛艇減震降噪技術(shù)的不斷發(fā)展，運(yùn)用單矢量傳感器對聲源進(jìn)行定向技術(shù)研究已成為一個發(fā)展趨勢。本文首先說明矢量傳感器由于振速分量具有偶極子指向性，為定向技術(shù)研究提供理論基礎(chǔ)。隨后，闡述三種基本的定向理論，并對其進(jìn)行仿真研究，證明互譜聲強(qiáng)法在聲源定位中的優(yōu)越性。

矢量傳感器；定向技術(shù)；互譜聲強(qiáng)法

引言

目標(biāo)定向就是利用矢量傳感器接收水下目標(biāo)向外輻射的聲場信息，以此來估計目標(biāo)的方位角和俯仰角，具體表示如圖1。在相干（各向異性）場和非相干（各向同性）場中，目標(biāo)信號和干擾噪聲的聲壓與振速相關(guān)性的差別是聲壓、振速聯(lián)合信號處理抗各向同性干擾的基礎(chǔ).也是矢量傳感器對水下目標(biāo)進(jìn)行定向的物理基礎(chǔ)[1]。聲場中介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)振速是一個矢量，它的方向就是聲波傳播的方向。矢量水聽器既能得出聲場的聲壓信息，又能給出質(zhì)點(diǎn)振速信息，應(yīng)用矢量水聽器的輸出，經(jīng)過一定的處理，就可以得到聲源的方位，從而實(shí)現(xiàn)三維空間內(nèi)無模糊地確定聲源的方向[2]。本文主要討論了利用單個矢量水聽器所提供的聲壓和振速信息，進(jìn)行聲源方位估計的多種算法，并通過仿真計算得到處理結(jié)果。

圖1 角空間表示

1 矢量水聽器目標(biāo)定向的基本理論[3]

1.1 質(zhì)點(diǎn)振速法定向原理

由上式可知，只要對矢量水聽器測得的三個振速分量進(jìn)行簡單的運(yùn)算，就可以得到聲源方位角和俯仰角a。

1.2 平均聲強(qiáng)法定向原理

對有限尺度的聲源的輻射聲場，稱之為相干源信號，聲壓和振速是完全相關(guān)的；而對于各向同性噪聲場，稱之為非相干信號，它的聲壓與振速是不相關(guān)的。這是聲壓與振速聯(lián)合信號處理抗干擾的基礎(chǔ)。平均聲強(qiáng)法可以抗各向同性干擾，提高信號的信噪比，這為高精度確定聲源方位提供了基礎(chǔ)。平均聲強(qiáng)在坐標(biāo)軸上的三個分量可以表示為：

注意到信號場中聲壓與振速完全相關(guān)，而各向同性噪聲場的聲壓與振速互不相關(guān)這一性質(zhì)，由式(2)得到：

利用矢量水聽器的多信息輸出，計算聲強(qiáng)的三個分量，就可得到聲源的方位角 和聲傳播方向與水平面的夾角a。由于平均聲強(qiáng)法具有良好的抗各向同性干擾的能力，式(4)給出的測量精度將遠(yuǎn)優(yōu)于式(1)。

1.3 互譜聲強(qiáng)法定向原理

質(zhì)點(diǎn)振速法和平均聲強(qiáng)法都是在時域上對目標(biāo)聲源進(jìn)行定位，本節(jié)研究在頻域上利用互譜聲強(qiáng)法定向。聲壓-振速互相關(guān)分析具有抗各向同性干擾的能力，對互相關(guān)函數(shù)進(jìn)行傅氏分析得到互譜函數(shù)，從而可以實(shí)現(xiàn)在頻域上對目標(biāo)進(jìn)行定向。由已知聲壓及振速分量，可得相關(guān)函數(shù)為

同樣利用信號源與各向同性干擾場聲壓－振速相關(guān)特性的不同，可得到：

由此可見，通過互相關(guān)分析，其互相關(guān)函數(shù)僅保留了聲源的信息，干擾信息則被“剔除”了。對式(7)進(jìn)行傅氏變換，得到聲壓－振速互譜密度函數(shù)：

應(yīng)用式(8)得到：

上式表明，對矢量水聽器的輸出進(jìn)行互譜分析，由聲壓－振速的互譜密度函數(shù)同樣能得到聲源方位角及俯仰角a。由上面的推導(dǎo)可知，互譜法本質(zhì)上是一種分頻段處理方法，因而特別適用于線譜目標(biāo)的方位估計，特別是當(dāng)存在多個目標(biāo)時，而每個目標(biāo)又工作于不同頻段時，可用本方法同時確定多個目標(biāo)的方位。這里還應(yīng)指出，互譜法除能抗各向同性干擾外，還具有抗相干干擾能力，只要信號和相干干擾的頻帶或線譜頻率互不重疊。

2 矢量水聽器確定聲源方位的仿真研究

仿真計算中，信號采用正弦脈沖信號，噪聲為各向同性高斯白噪聲。仿真條件為：在低頻段設(shè)置多個線譜分量，并在此基礎(chǔ)上疊加寬帶連續(xù)譜。低頻段選取50Hz，200Hz，500Hz三個頻率，水平方位角設(shè)置為45°，俯仰角設(shè)置為30°。通過三種不同的方法估計水平方位角。分別疊加信噪比分別為-10dB和10dB兩種噪聲，其中橫坐標(biāo)代表頻率，縱坐標(biāo)代表估計角度。

2.1 對水平角的仿真估計

圖2 質(zhì)點(diǎn)振速法在-10dB和10dB時的水平方位角估計

圖3 平均聲強(qiáng)法在-10dB和10dB時的水平方位角估計

圖4 互譜聲強(qiáng)法在-10dB和10dB時的水平方位角估計

2.2 對俯仰角的仿真估計

圖5 質(zhì)點(diǎn)振速法在-10dB和10dB時的俯仰角估計

圖6 平均聲強(qiáng)法在-10dB和10dB時的俯仰角估計

圖7 互譜聲強(qiáng)法在-10dB和10dB時的俯仰角估計

3 結(jié)語

本文主要為利用矢量水聽器對聲源進(jìn)行定向技術(shù)研究。由仿真結(jié)果可以看出：當(dāng)信噪比比較低時，三種定向方法在低頻段上方位角的估計值變化較大，結(jié)果不準(zhǔn)確。當(dāng)噪聲功率比較低時，可以看出三種方法都不同程度上有所改善，互譜聲強(qiáng)法定向比較理想。

[1]惠俊英，惠娟. 矢量聲信號處理基礎(chǔ)[M]. 國防工業(yè)出版社,2009

[2]王之程，陳宗歧，于沨，劉文帥. 艦船噪聲測量與分析[M]. 國防工業(yè)出版社,2004.11：66～187頁

[3]楊德森，洪連進(jìn). 矢量水聽器原理及應(yīng)用引論[M]. 科學(xué)出版社,2009.7

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.07.023