王雪嬌 李朝朝 王通 楊霞松

摘要：聲壓振速聯(lián)合信息處理是我國(guó)水下聲場(chǎng)聲壓和信息獲取處理的基本途徑，以往信息處理中基本上以聲壓為主，忽略了振速，信息獲缺乏完整性，現(xiàn)如今隨著科技和信息技術(shù)的發(fā)展，聲壓振速聯(lián)合信息處理中正在積極加強(qiáng)振速信息處理，并對(duì)物理基礎(chǔ)進(jìn)行深入研究。本文主要是從現(xiàn)代科技發(fā)展角度對(duì)聲壓振速聯(lián)合信息處理方法和物理基礎(chǔ)急性分析，針對(duì)信息處理的矢量以及信息收集的物理基礎(chǔ)進(jìn)行分析，用水聲物理實(shí)驗(yàn)對(duì)聲壓場(chǎng)進(jìn)行分析，從目標(biāo)和環(huán)境方位進(jìn)行研究，探討應(yīng)如何利用聲矢量場(chǎng)對(duì)聯(lián)合信息處理進(jìn)行深入研究，通過聯(lián)合處理聲壓和振速獲取有效的信息數(shù)據(jù)，以此獲取更加具有參考價(jià)值和實(shí)用價(jià)值的數(shù)據(jù)信息，從而得到聲壓和振速共同含有的環(huán)境與目標(biāo)信息。

關(guān)鍵詞 生涯振速 聯(lián)合信息處理 物理基礎(chǔ)

1聲壓振速聯(lián)合信息處理的意義

自從1918年法國(guó)物理學(xué)家郎之萬研制出第一個(gè)聲吶裝置后，水聲物理實(shí)驗(yàn)就廣泛地利用聲吶裝置，通過聲壓場(chǎng)以及水聽器的聲吶信息接收，專門對(duì)聲壓信息進(jìn)行處理，但比對(duì)無線電波的磁場(chǎng)和電場(chǎng)，聲吶的聲波兩句標(biāo)量場(chǎng)和矢量場(chǎng)，只針對(duì)聲壓信息進(jìn)行處理所獲取的數(shù)據(jù)比單一，聲波還具有振速信息，所以水聲信號(hào)處理和聲場(chǎng)研究中要錄利用振速的獨(dú)特性，發(fā)揮聲場(chǎng)研究和水聲信號(hào)研究的特色，利用振速實(shí)現(xiàn)聯(lián)合信息處理，采用振速的信息處理優(yōu)勢(shì)，利用振速矢量信息，將矢量中包含的環(huán)境和目標(biāo)信息挖掘出來，通過振速在其他軸上的投影分量，得到與頻率無關(guān)的偶極子指向性，這種指向性有效補(bǔ)充了目標(biāo)信息，所以即使是在低頻下依舊可以得到目標(biāo)和環(huán)境信息，有效彌補(bǔ)了聲壓信息的單一性。振速信息處理，不能再采用單一的小尺度水聽器，要利用多個(gè)聲壓接收器從得到目標(biāo)和環(huán)境的方位聲信息，比對(duì)以往的無線電信號(hào)處理的物理基礎(chǔ)，振速信息處理是矢量信息，其處理所需的物理基礎(chǔ)和信息處理方式和聲壓信息不同，現(xiàn)如今聲吶浮標(biāo)中已經(jīng)利用了多偶極子傳感器和矢量傳感器用于研究拖曳線列陣聲基陣，專門用于分析振速信息，但要實(shí)現(xiàn)振速和聲壓信息的聯(lián)合處理，還需要進(jìn)一步展開深入研究。目前聯(lián)合信息處理的研究進(jìn)展不明，一方面是俄國(guó)雖然對(duì)聯(lián)合信息處理有多年的研究，但始終沒有公開研究結(jié)果。另一方面美國(guó)雖然率先關(guān)注振速信息，研制出振速傳感器和積極研究振速處理方法，但沒有進(jìn)行振速和聲壓的聯(lián)合處理。要實(shí)現(xiàn)振速和聲壓信息的聯(lián)合處理，需要從聲吶技術(shù)領(lǐng)域加強(qiáng)對(duì)振速的關(guān)注，但還要開發(fā)出聯(lián)合處理機(jī)制，實(shí)現(xiàn)聲壓信息和振速信息的同步處理，保證聲場(chǎng)環(huán)境的內(nèi)部矢量和標(biāo)量信息收集完整，得到聲壓和振速中所蘊(yùn)含的環(huán)境和目標(biāo)信息。

2聲壓振速聯(lián)合信息處理方法

聲壓振速聯(lián)合信息處理需要將聲壓和振速，通過現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)進(jìn)行傳感收集，按照一定的規(guī)模聲矢量傳感裝置的聲壓傳感無指向性特征和質(zhì)量指向功能的振速測(cè)量裝置進(jìn)行復(fù)合處理，對(duì)聲場(chǎng)內(nèi)部環(huán)境的標(biāo)量和矢量信息籌集，加利用聲矢量傳感器對(duì)聲場(chǎng)主體的控制優(yōu)勢(shì)，解決水下寬帶源的遠(yuǎn)程側(cè)向問題，通過聲壓與振速的互矩陣的聲矢量陣，對(duì)相干信號(hào)子空間進(jìn)行測(cè)量和信息收集，從而實(shí)現(xiàn)聲壓和振速聯(lián)合處理。聲矢量矩陣相干信號(hào)子空間方法，是將現(xiàn)有的聲矢量傳感器的振速信息，采用獨(dú)立矩陣元進(jìn)行聲矢量陣測(cè)向，這種新方法則是完全在聲壓和振速聯(lián)合處理，獲得充分且完整的信息，發(fā)揮聲矢量的矢——V互譜的方法，清除噪聲的影響，利用相干信號(hào)子空間的寬帶高分辨能力，去相干能力和聲矢量陣的抗噪聲能力，從多個(gè)維度進(jìn)行寬帶源的遠(yuǎn)程和高方位分辨估計(jì)。理論上，矢——V互譜矩陣的寬帶聚焦原理和特征分解原，通過信源檢測(cè)準(zhǔn)則，對(duì)水下測(cè)量數(shù)據(jù)的仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行檢測(cè)，用3元聲矢量矩陣，能對(duì)信噪比為-10dB以及觀測(cè)時(shí)間在205h的數(shù)據(jù)進(jìn)行方位跟蹤，采用這種新方法估計(jì)方位所得到的均方根誤差僅有50，顯著優(yōu)于以往的信息處理方法，且能實(shí)現(xiàn)聲壓和振速的聯(lián)合處理，有利于優(yōu)化整個(gè)測(cè)量和預(yù)估精準(zhǔn)度，保證數(shù)據(jù)處理符合要求，畢竟噪聲中的單頻信號(hào)對(duì)信息聯(lián)合處理影響較大，例如水下目標(biāo)定位和導(dǎo)航等時(shí)候，水聲通信載波檢測(cè)和恢復(fù)以及水下移動(dòng)通信頻編估計(jì)等都無法滿足分辨頻率估算要求。為達(dá)到聲壓和振速的聯(lián)合處理，要利用子空間類超分辨頻率估算方法，通過聲矢量傳感器進(jìn)行同步共點(diǎn)進(jìn)對(duì)聲場(chǎng)和質(zhì)點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)合處理，通過拾取聲場(chǎng)聲壓和質(zhì)點(diǎn)振速信息，充分利用目標(biāo)和各向同性干擾之間的鵝差別，利用聲壓和振速的指向性差異進(jìn)行信息聯(lián)合處理，目前空域的聯(lián)合信息處理，是從波達(dá)方向的估計(jì)入手，在對(duì)時(shí)頻域進(jìn)行分析。例如Tichavsky就對(duì)于單個(gè)矢量傳感器的目標(biāo)反向和頻率進(jìn)行聯(lián)合估計(jì)，通過對(duì)性能的CRLB（Cramer- RaoLower Bound）下限進(jìn)行分析，得出了能用于實(shí)際數(shù)據(jù)分析聯(lián)合估計(jì)方法，文在此基礎(chǔ)上通過類似的思想，對(duì)目標(biāo)方位的已知頻率進(jìn)行估計(jì)，先對(duì)聲吶西信號(hào)進(jìn)行處理，然后再對(duì)波束輸出信息進(jìn)行時(shí)頻參數(shù)估計(jì)，用先驗(yàn)已知的目標(biāo)方位，對(duì)聲壓振速的聯(lián)合處理進(jìn)行驗(yàn)算，發(fā)現(xiàn)將聲壓振速的協(xié)方差矩陣引入旋轉(zhuǎn)不變子空間利用頻率估算的方法，能夠在不影響算法性能的前提下，降低運(yùn)算量并實(shí)現(xiàn)聲壓振速的聯(lián)合處理。

3結(jié)語

綜上所述，利用旋轉(zhuǎn)不變子空間、子空間類超分辨頻率估算方法、相干信號(hào)子空間等算法可以實(shí)現(xiàn)聲壓振速聯(lián)合信息處理，利用聲矢量陣和聯(lián)合信息處理的側(cè)向方法，能克服噪聲和頻率的干預(yù)，拾取聲場(chǎng)的聲壓和振速信號(hào)并完成信息聯(lián)合處理。

作者簡(jiǎn)介：王雪嬌1989.3，女，回，山東青州人，研究生，山東師范大學(xué)歷山學(xué)院，助教，研究方向，物理學(xué);楊霞松，女，山東師范大學(xué)歷山學(xué)院，助教，研究方向：智能技術(shù)與自動(dòng)化裝置;李朝朝，女，山東師范大學(xué)歷山學(xué)院，助教，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)與制造;王通，男，山東師范大學(xué)歷山學(xué)院，助教。

參考文獻(xiàn)

[1] 白興宇，楊德森，趙春暉.基于聲壓振速聯(lián)合信息處理的聲矢量陣相干信號(hào)子空間方法[J]. 聲學(xué)學(xué)報(bào)，2016（05）：410-417.

[2] 孫國(guó)倉(cāng)，惠俊英，郭龍祥.聲壓振速聯(lián)合頻率估計(jì)[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2018（10）：154-156.