瞬時相關積分法在矢量水聽器方位估計中的應用研究

廖述常　盧治強　張瑤

摘 要： 矢量水聽器可以同軸共點的測量聲場信息，單個水聽器即可完成對目標方位的無偏估計，但在各通道的相位不一致時，其估計精度會受到很大影響。針對這一問題，提出了將瞬時相關積分作為預處理算法的解決辦法。各通道的信號在經過瞬時相關積分后，其相位保持了一致，并且輸入信號的信噪比也得到了有效提高，從而可以保證對目標方位的有效估計。理論分析與仿真實驗驗證了算法的有效性。

關鍵詞： 矢量水聽器； 相位； 瞬時相關積分； 信噪比

中圖分類號： TN911.7?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）07?0060?03

Abstract： The vector hydrophone can measure the sound field information coaxially and concurrently. Since the single vector hydrophone can accomplish the unbiased estimation of target azimuth， the inconsistent phase of each channel will greatly affect on the estimation precision. To solve this problem， the solution of using the instantaneous correlation integral as the preprocessing algorithm is proposed. The phase of each channel is consistent after signal′s instantaneous correlation integral， and the signal?to?noise ratio （SNR） of the input signal is improved to guarantee the effective estimation of target azimuth. The effectiveness of this algorithm is verified by theoretical analysis and simulation experiment.

Keywords： vector hydrophone； phase； instantaneous correlation integral； SNR

0 引 言

聲矢量傳感器可以在空間中共點、同步、獨立獲得聲場中的聲壓和質點振速信息。不同于傳統的聲壓水聽器，單個矢量水聽器即可實現對多個不相關信號波達方向角的無偏估計。基于以上特點，對聲矢量傳感器及其陣列系統的研究成為近些年來的熱點，相繼有很多相關研究成果發表[1?4]。

在聲矢量傳感器的實際應用中，由于制作工藝、放大量等原因，會造成其輸出的聲壓、振速通道的幅度和相位的不一致，這會影響其方位估計的精度，因此在其工程應用之前都要對其進行不同頻率靈敏度與相位的測定，從而進行相應的補償[5?7]。

本文針對聲矢量傳感器相位不一致的情況，提出了一種前置處理算法，通過利用瞬時相關積分方法使得各通道的信號保持一致，從而可以獲得對于目標方位的估計，同時此方法還能有效提高信噪比。理論分析及仿真實驗驗證了算法的有效性。

1 矢量水聽器方位估計方法

1.1 矢量水聽器測量模型

式中：[Re]表示取實部運算。由于在頻域進行計算，能夠將不同頻率的信號區分開來，從而可以實現多目標分辨。

以上方法中均假設矢量傳感器各通道的相位是一致的，但在實際應用中，不可避免地會出現幅度及相位不一致的情況，此時將會對目標方位估計產生極大影響[7?8]。

2 瞬時相關積分算法

瞬時相關積分法的處理增益與信號的平均功率、噪聲的平均功率和帶寬、短時積分時間長度等有關。其中，通過積分獲得的增益恒為[10lg（Bt）]。當信號功率和短時積分時間長度不變時，總的處理增益隨噪聲功率增加而減小，亦即處理增益隨輸入信噪比降低而減小。

3 仿真分析

對本文提出的算法進行仿真分析。仿真條件：發射的CW信號頻率為4 kHz，信號脈寬[T=]0.2 s，系統的采樣頻率[fs=]40 kHz。

從圖2中可以明顯看出，經過了瞬時相關積分，噪聲得到了有效抑制，信噪比得到了明顯提高。

分析算法對聲矢量傳感器方位估計的有效性不失一般性，僅考慮水平方向上的方位估計。假設兩聲壓通道[Vx，][Vy]的幅度增益均為1，目標的角度[θ]分布在（0°，90°）范圍內，兩聲壓通道的相位差[Δφ]分布在（0°，60°）范圍內，其余條件與之前的實驗相同。利用互譜法得到的方位估計，直接計算得到的方位估計誤差用[e1]表示，經過瞬時相關積分后得到的角度估計誤差用[e2]表示，進行200次蒙特卡羅仿真，得到的結果如表1所示。

從表1中可以看出，直接算法的誤差隨著相位差的增大而增大，在相同條件下，目標的方位越接近45°估計誤差越大。而經過了瞬時相關積分后，無論相位差及目標方位如何變化，估計誤差均保持在一個較小的水平上，此時影響其精度的主要因素為信噪比。

4 結 論

針對聲矢量傳感器各通道相位不一致情況下的方位估計問題，本文提出了將瞬時相關積分作為前置處理方法，通過瞬時相關積分，各通道的相位保持了一致，且其信噪比也得到了有效提高。通過仿真分析對本方法進行了驗證，結果證明了本文方法的有效性。

參考文獻

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