标矢量水听器阵列的定向性能对比研究

陈桂英，刘慧敏，邢丽萍，张国军，张文栋

(1．中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室电子测试技术重点实验室，山西太原　030051；2．北京航天控制仪器研究所，北京　100854；3．北方自动控制技术研究所，山西太原　030006)

0　引言

水声检测及定位系统是利用水听器阵列拾取声场信息，对其进行处理，从而判断是否存在目标，估计目标运动参数，对目标进行定位。随着信号频率的不断降低，标量水听器阵列在保持一定增益、束宽的条件下，阵列孔径越来越大；而且，标量水听器阵列的方位分辨存在左右舷模糊的问题。而矢量水听器阵列能够解决上述问题[1]。

矢量水听器能够接受振速和声压信号，标量水听器只能接受声压信号。在水下声场中，噪声可以分为各向同性噪声和各向异性噪声，由于振速具有与频率无关的自然指向性，能很好的抑制各向同性噪声，而声压是标量，不能抑制各向同性噪声，所以矢量水听器在接收声场信号上要比标量水听器优越。将矢量水听器组成阵列，并对阵列输出的声压和振速矢量进行加权组合处理，能够提高测量方位角的精确度。矢量水听器阵列能够在发现距离上对目标进行左右舷分辨，在端射方向具有更好的指向性，可以有效抑制拖线阵的托船噪声[2-3]。同时，矢量水听器阵的阵列效果要优于标量水听器阵，更加适合于小型基阵的应用。在工程应用中，矢量水听器阵列被应用于水声对抗与反对抗，装载于鱼雷、潜艇、舰船和直升机上进行目标的检测、定位和跟踪等。

文中利用课题组自主研制的MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems)矢量水听器进行了组阵实验研究。这种MEMS矢量水听器具有体积小、灵敏度高、一致性好、易于组阵，其阵列化不受二分之一波长限制，满足小孔径等优点[4-5]。MEMS矢量水听器阵列和标量水听器阵列采用相同的三元阵列，在同等实验条件下，对两种阵列进行了信噪比测试、单频定向以及静、动态目标方位历程估计实验。验证MEMS矢量水听器阵列能够克服标量水听器阵列不能克服的左右舷模糊问题，具有更高的信噪比，能够正确估计静、动态目标方位历程[6]。

1　阵列信号处理模型

1．1标量水听器阵列信号处理模型

(1)

假设接收阵为声压水听器等间距线阵，则阵列各阵元的输出表达式为：

xp(t)=ap(θ)s(t)+np(t)

(2)

(3)

(4)

1．2矢量水听器阵列信号处理模型

(5)

图1　平面波俯仰角示意图

可知，声压与振速的关系为：

(6)

式中：v(r，t)是t时刻r处的声振速；p(r，t)是声压；ρ0是介质密度；c是信号在介质中的传播速度；u=[cosΦcosφ，sinΦcosφ，sinφ]T。

由此可知，p(t)和v(t)有相同的波形，二者完全相关。接收声压强度为：

p=Aexp(jkTr)

(7)

式中k为波矢量。

由式(5)和式(7)可得出矢量水听器阵列中每个水听器的输出：

(8)

式中：yp(t)为声压传感器的输出；yv(t)振速传感器的输出；np(t)、nv(t)为噪声；τk为阵元间的延时，τk=-(rTuk)/c．

由式(8)可知，相对于标量传感器而言，矢量传感器测得的信息包括声压分量和振速分量[7]。

由式(8)可得阵列的输出，用矩阵的形式表示为：

y(t)=A(θ)S(t)+N(t)

(9)

式中：S(t)为信号源矢量；

A(θ)=[a(θ1)，…，a(θn)]

(10)

a(θk)=ap(θk)⊗h(θk)

(11)

(12)

(13)

h(θk)则可以看作是每个传感器对声压和振速的方向响应，与传感器的位置关，对于传统的声压传感器：h(θk)=1。

假设信号和噪声是零均值，平稳随机独立，服从高斯分布，则阵列输出的协方差矩阵为：

(14)

信号协方差矩阵为：

E{S(t)SH(t)}=P

(15)

噪声协方差矩阵为：

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(16)

2　标矢量水听器组阵实验对比

2．1实验测试

为了验证矢量水听器阵能够克服左右舷模糊，能够提高信噪比，对目标方位估计更精确。实验组分别采用标量水听器和矢量水听器进行组阵实验对比。标量阵由标量水听器组成，矢量阵由课题组自主研制的MEMS仿生矢量水听器组成。实验在开阔的水域，测试水域较深，且水面比较平静，可以认为噪声是各项同性的。实验采用均匀3线阵，各阵元间距为0.9 m，标量水听器和矢量水听器并排，电磁罗经安装在水听器的支架上，用来实施监测水听器的姿态，保持基阵水平。

标量水听器输出声压信号，矢量水听器输出声压和x路、y路振速信号，发射换能器被固定在与基阵垂直的方位且与基阵保持水平，吊深于水下7 m，距离测量基阵10 m，采集卡的采样频率设置为20 kHz．实验阵列测原理框图如图2所示。

图2　实验原理框图

2．2实验数据处理

2．2．1阵列单频信号定向对比

实验用信号发生器发射600 Hz的信号，经功率放大器放大，由发射换能器发射出信号，水听器接收信号，发射换能器正对于阵列。图3为利用Music算法[8]对阵列定向的方位估计结果。

图3　目标方位估计(90°)

由图3可知，矢量阵空间谱图的主瓣较窄，旁瓣较低，且可以消除左右舷模糊，抑制干扰能力增强。

利用数据采集卡空采环境噪声，再由发射换能器发射600 Hz，900 Hz的连续单频信号，经水听器接收信号，数据采集卡采集。图4、图5为积分时间为5 s时，声压阵和矢量阵的实验增益结果。

图4　标量阵和矢量阵信噪比(600 Hz)

图5　标量阵和矢量阵信噪比(900 Hz)

由图可知，在同等条件下，不同频率的矢量阵的增益比声压阵高，则矢量阵能够获得更高的信噪比，对目标的定向精度精确。

2．2．3阵列的静、动态目标方位历程估计对比

实验由发射换能器发射600 Hz的信号，经水听器阵列接收，由数据采集卡采集，采样率为20 kHz，采用MUSIC算法对实验数据进行处理。图6和图7为目标位于90°方位的静态历程方位估计结果。由图7和图8可知，声压阵估计静态历程方位存在左右舷模糊的问题，无法正确估计波达方向，而矢量阵能解决180°模糊的问题，由阵列的各项指标不一致、环境噪声等的影响，角度变化较大，存在一定误差，基本能正确估计静态历程方位。

图6　标量阵静态方位历程估计(90°)

图7　矢量阵静态方位历程估计(90°)

由实验可知，矢量阵可以对静态目标进行方位历程估计。为了验证矢量阵能否对动态目标进行方位历程估计，实验采用某运动船，船速为10 km/s，在距离线阵20 m正前方处作往返航行，截取一段数据，利用相应的算法估计柴油机往返的方位历程。图8和图9为实验结果，从图中可以看出，对柴油机的航迹进行跟踪时，声压阵的方位估计结果有两个主瓣，存在左右舷模糊，MEMS矢量阵列能够解决左右舷模糊的问题，由阵列的各项指标不一致、环境噪声等的影响，角度变化较大，存在一定误差，但基本能正确估计动态目标的方位。

图8　标量阵动态方位历程估计(90°)

3　结束语

文中从原理上介绍了标量水听器阵列和矢量水听器阵列的区别，并进行了实验测试。在保证实验条件相同的前提下，对标量水听器阵列和矢量水听器阵列同时进行实验，实验内容包括阵列单频信号定向对比、阵列增益对比和阵列的静、动态目标方位历程估计对比，通过这些实验比较了标量水听器阵和矢量水听器阵的信噪比和定向性能。实验结果表明：矢量水听器阵列能够获得更高的信噪比，在弱信号的前提下，矢量阵可以更有效的获得有用信号，对目标的定向和定位更精确；矢量阵能够克服声压阵所存在的左右舷模糊问题，不仅可以对静态目标进行方位估计，而且对动态目标也能进行方位估计。文中的工作为矢量水听器阵列在工程上的应用奠定了基础。

参考文献：

[1]赵羽．矢量阵阵处理研究：[学位论文]，哈尔滨：哈尔滨工程大学，2004：1-2．

[2]葛晓洋．声传感器阵列的实验研究．传感技术学报，2012，25(6)：740．

[3]高源，杜选民．声矢量阵阵增益研究．舰船科学技术，2002，25 (6)：30-33．

[4]陈尚，薛晨阳，张斌珍，等．一种新型的MEMS单矢量水听器研究．兵工学报，2008，29(6)：673-677．

[5]Zhang，W．D．，Guan L．G．．，Zhang G．J．and Xue Ch．Y．Research of DOA Estimation Based on single MEMS Vector Hydrophone[J]．Sensors，2009，9：6823-6825．

[6]樊姣荣 王晓瑶．刘文怡等．MEMS矢量水听器阵列信号处理研究．传感器与微系统，2012，31(1)：16-17．

[7]喻敏．声矢量传感器的Capon方位估计：[学位论文]，哈尔滨：哈尔滨工程大学，2004：30-32．

[8]徐明远，刘增力等．MATLAB仿真在信号处理中的应用．西安：电子科技大学出版社，2007：312-316．