單矢量傳感器對(duì)聲源的定位技術(shù)研究

張國(guó)鋒 陳希星 遼寧大連測(cè)控技術(shù)研究所 116013

單矢量傳感器對(duì)聲源的定位技術(shù)研究

張國(guó)鋒 陳希星 遼寧大連測(cè)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(duì)聲源進(jìn)行定向技術(shù)研究已成為一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。本文首先說(shuō)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(duì)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(chǎng)信息，以此來(lái)估計(jì)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(chǎng)和非相干（各向同性）場(chǎng)中，目標(biāo)信號(hào)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(hào)處理抗各向同性干擾的基礎(chǔ).也是矢量傳感器對(duì)水下目標(biāo)進(jìn)行定向的物理基礎(chǔ)[1]。聲場(chǎng)中介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)振速是一個(gè)矢量，它的方向就是聲波傳播的方向。矢量水聽(tīng)器既能得出聲場(chǎng)的聲壓信息，又能給出質(zhì)點(diǎn)振速信息，應(yīng)用矢量水聽(tīng)器的輸出，經(jīng)過(guò)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(wú)模糊地確定聲源的方向[2]。本文主要討論了利用單個(gè)矢量水聽(tīng)器所提供的聲壓和振速信息，進(jìn)行聲源方位估計(jì)的多種算法，并通過(guò)仿真計(jì)算得到處理結(jié)果。

圖1 角空間表示

1 矢量水聽(tīng)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(duì)矢量水聽(tīng)器測(cè)得的三個(gè)振速分量進(jìn)行簡(jiǎn)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(duì)有限尺度的聲源的輻射聲場(chǎng)，稱(chēng)之為相干源信號(hào)，聲壓和振速是完全相關(guān)的；而對(duì)于各向同性噪聲場(chǎng)，稱(chēng)之為非相干信號(hào)，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(hào)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(hào)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(gè)分量可以表示為：

注意到信號(hào)場(chǎng)中聲壓與振速完全相關(guān)，而各向同性噪聲場(chǎng)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(tīng)器的多信息輸出，計(jì)算聲強(qiáng)的三個(gè)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(cè)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(shí)域上對(duì)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(duì)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(duì)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(hào)源與各向同性干擾場(chǎng)聲壓－振速相關(guān)特性的不同，可得到：

由此可見(jiàn)，通過(guò)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(duì)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(duì)矢量水聽(tīng)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(jì)，特別是當(dāng)存在多個(gè)目標(biāo)時(shí)，而每個(gè)目標(biāo)又工作于不同頻段時(shí)，可用本方法同時(shí)確定多個(gè)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(hào)和相干干擾的頻帶或線譜頻率互不重疊。

2 矢量水聽(tīng)器確定聲源方位的仿真研究

仿真計(jì)算中，信號(hào)采用正弦脈沖信號(hào)，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(gè)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(gè)頻率，水平方位角設(shè)置為45°，俯仰角設(shè)置為30°。通過(guò)三種不同的方法估計(jì)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(jì)角度。

2.1 對(duì)水平角的仿真估計(jì)

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

圖3 平均聲強(qiáng)法在-10dB和10dB時(shí)的水平方位角估計(jì)

圖4 互譜聲強(qiáng)法在-10dB和10dB時(shí)的水平方位角估計(jì)

2.2 對(duì)俯仰角的仿真估計(jì)

圖5 質(zhì)點(diǎn)振速法在-10dB和10dB時(shí)的俯仰角估計(jì)

圖6 平均聲強(qiáng)法在-10dB和10dB時(shí)的俯仰角估計(jì)

圖7 互譜聲強(qiáng)法在-10dB和10dB時(shí)的俯仰角估計(jì)

3 結(jié)語(yǔ)

本文主要為利用矢量水聽(tīng)器對(duì)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(shí)，三種定向方法在低頻段上方位角的估計(jì)值變化較大，結(jié)果不準(zhǔn)確。當(dāng)噪聲功率比較低時(shí)，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(hào)處理基礎(chǔ)[M]. 國(guó)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(cè)量與分析[M]. 國(guó)防工業(yè)出版社,2004.11：66～187頁(yè)

[3]楊德森，洪連進(jìn). 矢量水聽(tīng)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