李 晉，王曉慶

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0 引言

聲壓、振速聯(lián)合處理是水聲信號(hào)處理的發(fā)展趨勢(shì)之一。矢量水聽器同點(diǎn)采集的聲壓和矢量信息不能直接應(yīng)用于聲壓、振速聯(lián)合處理，需要進(jìn)行各通道靈敏度和相位差的一致性補(bǔ)償(校準(zhǔn))，以保證其聲壓和矢量通道的幅相一致性。常規(guī)的校準(zhǔn)方法為駐波管計(jì)量，通過駐波管、單頻聲源以及旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)對(duì)待測(cè)矢量水聽器進(jìn)行靈敏度、相位差和指向性的測(cè)量[1]。駐波管測(cè)量方式操作復(fù)雜、耗時(shí)長(zhǎng)和費(fèi)用高，在一定程度上限制了實(shí)際工程的應(yīng)用。

駐波管測(cè)量結(jié)果一般作為矢量水聽器出廠時(shí)的性能考核依據(jù)，而后由于矢量水聽器的儲(chǔ)存、運(yùn)輸和使用，將會(huì)導(dǎo)致其性能隨時(shí)間發(fā)生一定程度的變化，即性能參數(shù)與出廠時(shí)的測(cè)試結(jié)果具有一定偏差，這部分偏差等效于引入了通道間的幅相不一致性，并使得聲壓、振速聯(lián)合處理出現(xiàn)失配，影響矢量聲納的目標(biāo)檢測(cè)和方位估計(jì)性能。因此，在矢量水聽器實(shí)際應(yīng)用前，應(yīng)首先對(duì)其各通道進(jìn)行校準(zhǔn)，而方便有效的校準(zhǔn)方法成為矢量水聽器工程應(yīng)用領(lǐng)域的一個(gè)研究重點(diǎn)[2]。

本文提出了一種適用于外場(chǎng)環(huán)境的矢量水聽器自校準(zhǔn)方法。通過復(fù)聲強(qiáng)流處理估計(jì)遠(yuǎn)場(chǎng)參考聲源的方位，根據(jù)參考聲源方位，利用振速通道的電子旋轉(zhuǎn)形成指向參考聲源的振速輸出，在矢量水聽器聲壓、振速通道輸出數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，計(jì)算得到矢量水聽器通道靈敏度和相位差的補(bǔ)償值。相比文獻(xiàn)[3-5]常規(guī)駐波管計(jì)量，只需要一個(gè)遠(yuǎn)場(chǎng)參考聲源，并可以在多數(shù)外場(chǎng)環(huán)境中使用，校準(zhǔn)過程不需要單獨(dú)拆解水聲系統(tǒng)搭載的矢量水聽器，降低了校準(zhǔn)對(duì)環(huán)境和測(cè)試儀器的限制[6]；利用數(shù)據(jù)擬合和野值剔除方法，降低了校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的測(cè)量誤差。

1 聲壓振速聯(lián)合處理

矢量水聽器可以共點(diǎn)采集聲場(chǎng)的聲壓、振速信息。以二維矢量水聽器為例，有聲壓和振速的2個(gè)水平正交分量，分別表示為p，vx，vy。在理想情況下，矢量水聽器接收遠(yuǎn)場(chǎng)平面波有如下輸出[7]：

(1)

式中，ρc為傳播介質(zhì)的平面波波阻抗；θ為聲源水平方位。在常規(guī)的矢量信號(hào)處理中，一般將波阻抗值視為1，形式簡(jiǎn)化為：

(2)

振速的電子旋轉(zhuǎn)可參考Givens旋轉(zhuǎn)[8]，設(shè)引導(dǎo)方位為φ，有合成振速輸出為：

vc(t)=vx(t)cosφ+vy(t)sinφ=

p(t)cosθcosφ+p(t)sinθsinφ=

p(t)cos(θ-φ)。

(3)

由上式可知，在聲源方位θ與引導(dǎo)方位φ一致時(shí)，合成振速有與聲壓通道一致輸出。

聲壓、振速聯(lián)合處理通過對(duì)矢量水聽器聲壓和振速輸出的組合處理，引入組合指向性增益，提高輸出信噪比。以組合方式(p+vc)為例，其歸一化指向性函數(shù)為[9]：

(4)

指向性函數(shù)的形態(tài)為心型，在θ=φ時(shí)具有極大值。上述聯(lián)合處理產(chǎn)生組合指向性增益的基礎(chǔ)為矢量水聽器聲壓輸出p(t)和振速輸出vx(t)，vy(t)具有完全的幅相一致性，振速通道輸出為聲壓在水平正交坐標(biāo)上的投影。然而在實(shí)際情況中，考慮到各通道在傳播介質(zhì)、放大電路和接收機(jī)理上的差異，通道的電壓輸出不能完全滿足上述條件，因此在工程應(yīng)用之前，對(duì)矢量水聽器各通道進(jìn)行靈敏度和相位差的校準(zhǔn)以實(shí)現(xiàn)聲壓、振速聯(lián)合處理顯得尤為必要[10]。

2 矢量水聽器校準(zhǔn)方法

在實(shí)際工程應(yīng)用中，從水下聲場(chǎng)到數(shù)字信號(hào)輸出，一般經(jīng)過了矢量水聽器、前置放大器和AD等，各通道輸出數(shù)據(jù)之間的靈敏度和相位差綜合了上述各模塊的共同作用[11]。因此，如果出廠時(shí)只利用駐波管進(jìn)行矢量水聽器靈敏度和相位差的計(jì)量，還需要知道前置放大器、AD等模塊的參數(shù)，通道最終補(bǔ)償系數(shù)的計(jì)算也較復(fù)雜[12]。利用外場(chǎng)參考聲源進(jìn)行通道靈敏度和相位差的校準(zhǔn)，是在系統(tǒng)層面上的通道校準(zhǔn)，因此不需要知道系統(tǒng)內(nèi)每個(gè)模塊的具體參數(shù)。

以浮標(biāo)平臺(tái)為例，矢量水聽器自校準(zhǔn)方法的基本場(chǎng)景如圖1所示。

圖1 矢量水聽器校準(zhǔn)應(yīng)用場(chǎng)景示意

在圖1中，聲源船搭載的參考聲源發(fā)射指定頻段的信號(hào)，由水聲系統(tǒng)(浮標(biāo)平臺(tái))的矢量水聽器接收，通過系統(tǒng)的校準(zhǔn)模式，處理接收信號(hào)完成各通道靈敏度與相位差的補(bǔ)償，整個(gè)處理過程在水聲系統(tǒng)中獨(dú)立完成。

在水聲系統(tǒng)中使用的矢量水聽器校準(zhǔn)算法流程如圖2所示。

圖2 矢量水聽器校準(zhǔn)算法流程

圖2的算法流程包含參考聲源方位估計(jì)、靈敏度和相位差補(bǔ)償值計(jì)算以及數(shù)據(jù)優(yōu)化操作，最終輸出靈敏度和相位差補(bǔ)償數(shù)據(jù)。

2.1 參考聲源方位估計(jì)

利用復(fù)聲強(qiáng)流估計(jì)參考聲源目標(biāo)的方位，通過輸出目標(biāo)方位的合成振速，提高振速通道輸出信噪比，復(fù)聲強(qiáng)流處理的基本流程如圖3所示。

圖3 復(fù)聲強(qiáng)流處理原理

以加速度型矢量水聽器為例，其振速通道輸出振速加速度，則參考聲源方位估計(jì)可通過下式實(shí)現(xiàn)：

(5)

式中，p(ω)，v(ω)為矢量水聽器聲壓、振速輸出的傅里葉變換；〈·〉為時(shí)間平均。相應(yīng)參考聲源方位的合成振速為：

vc(ω，θ)=jω[vx(ω)cosθ+vy(ω)sinθ]，

(6)

式中，θ為利用復(fù)聲強(qiáng)流估計(jì)的參考聲源方位。

2.2 靈敏度、相位差補(bǔ)償值計(jì)算

矢量水聽器振速通道數(shù)多于聲壓通道，以聲壓通道作為參考通道，對(duì)振速通道進(jìn)行校準(zhǔn)，可節(jié)省校準(zhǔn)運(yùn)算量，通過式計(jì)算，可得到針對(duì)振速通道的靈敏度和相位差補(bǔ)償值。

(7)

(8)

式中，p(ω)，v(ω)為矢量水聽器聲壓、振速輸出的傅里葉變換[13]。

2.3 數(shù)據(jù)優(yōu)化

由于外場(chǎng)環(huán)境中各種隨機(jī)噪聲的影響，將導(dǎo)致利用上述步驟計(jì)算得到的靈敏度和相位差補(bǔ)償值曲線存在隨機(jī)的起伏，利用此曲線進(jìn)行靈敏度和相位差的校準(zhǔn)將引入一定的誤差。在本文的方法中，采用多次測(cè)量取平均和低通濾波消除補(bǔ)償值曲線中的隨機(jī)起伏。低通濾波的方法原理上與功率譜白化的方法相同，均是對(duì)補(bǔ)償值曲線的低通濾波處理[14]。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

試驗(yàn)驗(yàn)證采用某次湖試試驗(yàn)數(shù)據(jù)。此次試驗(yàn)中，參考聲源為漁船航行時(shí)的寬帶噪聲，漁船與矢量水聽器的水平距離約200 m，湖深約10 m。

利用本文提出的方法對(duì)矢量水聽器的通道靈敏度和相位差進(jìn)行估計(jì)，并與出廠時(shí)的駐波管計(jì)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖4所示。

圖4 靈敏度、相位差數(shù)據(jù)對(duì)比示意

可見根據(jù)自校準(zhǔn)得到的靈敏度和相位差隨頻率變化曲線與矢量水聽器出廠時(shí)通過駐波管測(cè)量得到的靈敏度和相位差曲線基本一致，但在某些頻段仍有差異，通過理論和仿真分析，得出導(dǎo)致此差異的原因可有以下幾方面：波導(dǎo)邊界的反射；矢量水聽器隨時(shí)間的狀態(tài)變化；參考聲源與接收水聽器距離較近；振速x-y通道不一致性。

不難發(fā)現(xiàn)，自校準(zhǔn)方法在實(shí)際應(yīng)用中引入了一個(gè)重要的前提：假定振速x、y通道的特性基本相同，靈敏度和相位差可忽略。通過對(duì)駐波管測(cè)量記錄的觀察也可以表明這種假設(shè)的合理性。因此，可基本排除上述第4個(gè)原因。

使用另一組數(shù)據(jù)，通過自校準(zhǔn)得到的通道靈敏度和相位差補(bǔ)償值對(duì)振速通道進(jìn)行補(bǔ)償，可以得到通道一致性校準(zhǔn)后的復(fù)聲強(qiáng)流方位估計(jì)結(jié)果，如圖5所示。

圖5 校準(zhǔn)前后方位估計(jì)性能對(duì)比示意

由復(fù)聲強(qiáng)流估計(jì)結(jié)果的對(duì)比可知，通過對(duì)矢量水聽器通道一致性的校準(zhǔn)，使得矢量水聽器對(duì)50°方位處的目標(biāo)能夠形成更加尖銳的譜峰，使得估計(jì)精度進(jìn)一步提高。

在目標(biāo)方位(50°)和相反方向(-130°)分別形成(p+vc)波束，得到輸出功率譜如6圖所示。

圖6 目標(biāo)方位及其相反方向波束輸出對(duì)比示意

由(p+vc)輸出功率譜對(duì)比可知，在目標(biāo)方位及其相反方向，(p+vc)輸出功率譜在為局部峰值的線譜處可相差約20 dB，表明了聲壓、振速合成的有效性。以上述功率譜中典型的線譜頻率154.6，180.7，526.5 Hz為例，旋轉(zhuǎn)(p+vc)中振速的合成方位，得到不同水平方位的(p+vc)組合輸出功率曲線，如圖7所示。

圖7 試驗(yàn)數(shù)據(jù)組合指向性測(cè)試曲線

由圖7結(jié)果可知，在3個(gè)頻點(diǎn)的(p+vc)組合輸出在水平方位上形成了心型的指向性，與(p+vc)理論上的指向性圖案一致，從而證明了矢量水聽器通道一致性校準(zhǔn)的有效性。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種針對(duì)外場(chǎng)環(huán)境的矢量水聽器校準(zhǔn)方法，通過湖試、海試數(shù)據(jù)證明：此方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)矢量水聽器通道靈敏度和相位差的有效補(bǔ)償，并通過聲壓振速的組合實(shí)現(xiàn)了空間指向性，由于只需一個(gè)遠(yuǎn)場(chǎng)參考聲源，并可在外場(chǎng)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)，因此簡(jiǎn)化了校準(zhǔn)流程，縮短了校準(zhǔn)時(shí)間，提高了校準(zhǔn)效率，對(duì)矢量水聽器的實(shí)際應(yīng)用具有一定的參考意義。本文提出的方法相比駐波管測(cè)量方式，在測(cè)量精度方面還有待進(jìn)一步的改進(jìn)和提高。