陳桂英，劉慧敏，邢麗萍，張國軍，張文棟

(1．中北大學(xué)儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室電子測試技術(shù)重點實驗室，山西太原　030051；2．北京航天控制儀器研究所，北京　100854；3．北方自動控制技術(shù)研究所，山西太原　030006)

0　引言

水聲檢測及定位系統(tǒng)是利用水聽器陣列拾取聲場信息，對其進行處理，從而判斷是否存在目標(biāo)，估計目標(biāo)運動參數(shù)，對目標(biāo)進行定位。隨著信號頻率的不斷降低，標(biāo)量水聽器陣列在保持一定增益、束寬的條件下，陣列孔徑越來越大；而且，標(biāo)量水聽器陣列的方位分辨存在左右舷模糊的問題。而矢量水聽器陣列能夠解決上述問題[1]。

矢量水聽器能夠接受振速和聲壓信號，標(biāo)量水聽器只能接受聲壓信號。在水下聲場中，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，所以矢量水聽器在接收聲場信號上要比標(biāo)量水聽器優(yōu)越。將矢量水聽器組成陣列，并對陣列輸出的聲壓和振速矢量進行加權(quán)組合處理，能夠提高測量方位角的精確度。矢量水聽器陣列能夠在發(fā)現(xiàn)距離上對目標(biāo)進行左右舷分辨，在端射方向具有更好的指向性，可以有效抑制拖線陣的托船噪聲[2-3]。同時，矢量水聽器陣的陣列效果要優(yōu)于標(biāo)量水聽器陣，更加適合于小型基陣的應(yīng)用。在工程應(yīng)用中，矢量水聽器陣列被應(yīng)用于水聲對抗與反對抗，裝載于魚雷、潛艇、艦船和直升機上進行目標(biāo)的檢測、定位和跟蹤等。

文中利用課題組自主研制的MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems)矢量水聽器進行了組陣實驗研究。這種MEMS矢量水聽器具有體積小、靈敏度高、一致性好、易于組陣，其陣列化不受二分之一波長限制，滿足小孔徑等優(yōu)點[4-5]。MEMS矢量水聽器陣列和標(biāo)量水聽器陣列采用相同的三元陣列，在同等實驗條件下，對兩種陣列進行了信噪比測試、單頻定向以及靜、動態(tài)目標(biāo)方位歷程估計實驗。驗證MEMS矢量水聽器陣列能夠克服標(biāo)量水聽器陣列不能克服的左右舷模糊問題，具有更高的信噪比，能夠正確估計靜、動態(tài)目標(biāo)方位歷程[6]。

1　陣列信號處理模型

1．1標(biāo)量水聽器陣列信號處理模型

(1)

假設(shè)接收陣為聲壓水聽器等間距線陣，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矢量水聽器陣列信號處理模型

(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時刻r處的聲振速；p(r，t)是聲壓；ρ0是介質(zhì)密度；c是信號在介質(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)可得出矢量水聽器陣列中每個水聽器的輸出：

(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，τk=-(rTuk)/c．

由式(8)可知，相對于標(biāo)量傳感器而言，矢量傳感器測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)則可以看作是每個傳感器對聲壓和振速的方向響應(yīng)，與傳感器的位置關(guān)，對于傳統(tǒng)的聲壓傳感器：h(θk)=1。

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

(14)

信號協(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”類的固定模式，進入到更為廣闊的構(gòu)詞領(lǐng)域。

(16)

2　標(biāo)矢量水聽器組陣實驗對比

2．1實驗測試

為了驗證矢量水聽器陣能夠克服左右舷模糊，能夠提高信噪比，對目標(biāo)方位估計更精確。實驗組分別采用標(biāo)量水聽器和矢量水聽器進行組陣實驗對比。標(biāo)量陣由標(biāo)量水聽器組成，矢量陣由課題組自主研制的MEMS仿生矢量水聽器組成。實驗在開闊的水域，測試水域較深，且水面比較平靜，可以認(rèn)為噪聲是各項同性的。實驗采用均勻3線陣，各陣元間距為0.9 m，標(biāo)量水聽器和矢量水聽器并排，電磁羅經(jīng)安裝在水聽器的支架上，用來實施監(jiān)測水聽器的姿態(tài)，保持基陣水平。

標(biāo)量水聽器輸出聲壓信號，矢量水聽器輸出聲壓和x路、y路振速信號，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，距離測量基陣10 m，采集卡的采樣頻率設(shè)置為20 kHz．實驗陣列測原理框圖如圖2所示。

圖2　實驗原理框圖

2．2實驗數(shù)據(jù)處理

2．2．1陣列單頻信號定向?qū)Ρ?/p>

實驗用信號發(fā)生器發(fā)射600 Hz的信號，經(jīng)功率放大器放大，由發(fā)射換能器發(fā)射出信號，水聽器接收信號，發(fā)射換能器正對于陣列。圖3為利用Music算法[8]對陣列定向的方位估計結(jié)果。

圖3　目標(biāo)方位估計(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。

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，經(jīng)水聽器接收信號，數(shù)據(jù)采集卡采集。圖4、圖5為積分時間為5 s時，聲壓陣和矢量陣的實驗增益結(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，對目標(biāo)的定向精度精確。

2．2．3陣列的靜、動態(tài)目標(biāo)方位歷程估計對比

實驗由發(fā)射換能器發(fā)射600 Hz的信號，經(jīng)水聽器陣列接收，由數(shù)據(jù)采集卡采集，采樣率為20 kHz，采用MUSIC算法對實驗數(shù)據(jù)進行處理。圖6和圖7為目標(biāo)位于90°方位的靜態(tài)歷程方位估計結(jié)果。由圖7和圖8可知，聲壓陣估計靜態(tài)歷程方位存在左右舷模糊的問題，無法正確估計波達(dá)方向，而矢量陣能解決180°模糊的問題，由陣列的各項指標(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，基本能正確估計靜態(tài)歷程方位。

圖6　標(biāo)量陣靜態(tài)方位歷程估計(90°)

圖7　矢量陣靜態(tài)方位歷程估計(90°)

由實驗可知，矢量陣可以對靜態(tài)目標(biāo)進行方位歷程估計。為了驗證矢量陣能否對動態(tài)目標(biāo)進行方位歷程估計，實驗采用某運動船，船速為10 km/s，在距離線陣20 m正前方處作往返航行，截取一段數(shù)據(jù)，利用相應(yīng)的算法估計柴油機往返的方位歷程。圖8和圖9為實驗結(jié)果，從圖中可以看出，對柴油機的航跡進行跟蹤時，聲壓陣的方位估計結(jié)果有兩個主瓣，存在左右舷模糊，MEMS矢量陣列能夠解決左右舷模糊的問題，由陣列的各項指標(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，但基本能正確估計動態(tài)目標(biāo)的方位。

圖8　標(biāo)量陣動態(tài)方位歷程估計(90°)

3　結(jié)束語

文中從原理上介紹了標(biāo)量水聽器陣列和矢量水聽器陣列的區(qū)別，并進行了實驗測試。在保證實驗條件相同的前提下，對標(biāo)量水聽器陣列和矢量水聽器陣列同時進行實驗，實驗內(nèi)容包括陣列單頻信號定向?qū)Ρ?、陣列增益對比和陣列的靜、動態(tài)目標(biāo)方位歷程估計對比，通過這些實驗比較了標(biāo)量水聽器陣和矢量水聽器陣的信噪比和定向性能。實驗結(jié)果表明：矢量水聽器陣列能夠獲得更高的信噪比，在弱信號的前提下，矢量陣可以更有效的獲得有用信號，對目標(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題，不僅可以對靜態(tài)目標(biāo)進行方位估計，而且對動態(tài)目標(biāo)也能進行方位估計。文中的工作為矢量水聽器陣列在工程上的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

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