小尺度矢量水听器阵列研究

2018-10-16张小勇张国军尚珍珍

太原学院学报(自然科学版) 2018年1期

张小勇,张国军,尚珍珍,裴毓

(1.太原学院,山西太原030032;2.中北大学仪器与动态测试技术教育部重点实验室,山西太原 030051)

引言

近年来,水下无人潜航器(UUV)、水雷等中小型水下武器的发展获得了各国军方的广泛关注。发达国家的武器研究计划中均将其列入重点研发计划,各种智能化、信息化手段的应用使得这类武器装备具备了智能识别、自主打击等能力,进一步加强了其“不对称威胁能力”,即能够以较低的成本,造成敌方较大损失[1]。虽然我国在声呐研究领域有较好的基础,国产声呐产品技术指标也达到了国际先进水平,但是由于体积、功耗等方面的原因,典型的船用声呐系统难以在中小型水下武器平台上直接应用。基于微机电系统(MEMS)的矢量水听器具有体积小、功耗低等优势[2],能够满足这类平台对体积、功耗等的要求。

1 小尺度矢量水听器阵列性能分析

中小型水下武器所使用的水听器阵列要求具有小的尺度,而水听器阵列的尺度主要取决于水听器的本身的尺寸与阵元间距。中北大学研制的MEMS矢量水听器封装后直径仅为30 mm[3],该水听器大大降低了传感器本身对阵列的尺度的影响,使得在设计时可以进一步减小阵元间距,从而得到适用于中小型水下平台的被动声呐。

1.1 矢量水听器阵列增益分析

阵列增益是阵列性能的重要指标,不失一般性地,这里只考虑二维矢量水听器,其声压标量与2路矢量信号输出分别如公式(1)、(2)、(3)所示[4]。

p(t)=x(t)

(1)

vx(t)=x(t)·cosθ

(2)

vy(t)=x(t)·sinθ

(3)

其中x(t)为声压信号,θ为信号的波达方向。将输出信号以公式(4)、(5)形式组合,其中φ为引导方位,即可得到vc(t),vs(t)两个可电子旋转的组合振速。

vc(t)=vx(t)cosφ+vy(t)sinφ=x(t)cos(θ-φ)

(4)

vs(t)=-vx(t)sinφ+vy(t)cosφ=x(t)sin(θ-φ)

(5)

通过其它形式的组合,还能够进一步形成具有其它特性的组合振速,从而满足对系统指向性的要求。当引导方向与波达方向一致时,在高斯白噪声下,阵列组合振速vc所取得的最大增益如式(6)所示[5-6]。

AG=10logn+6

(6)

式(6)中,阵列增益由两部分组成,10logn是声压阵在理想情况下取得的最大增益,其中n是构成阵列的阵元数,6dB的附加增益,则是由于矢量水听器获取了比声压水听器更多的信息[7-9]。

1.2 阵元间距对阵列性能的影响

在上节的推导过程中,假设各阵元所接收到的信号相关系数为1,噪声相关系数为0。在实际中,相关系数并非理想情况,当阵元间距缩小时,各阵元所接收到的信号与噪声的相关性会同时增加,信号相关性的增加对阵列增益、方位估计等有利,但噪声相关性的增加则会降低增益与方位估计精度。

这里以阵列的方位估计能力为参数,考察阵元间距对阵列性能的影响。设阵列需要区分两个方位相差30°的信号。这里对不同间距下使用多重信号分类(MUSIC)算法进行方位估计的性能进行了仿真,仿真软件采用Matlab,仿真参数如下:噪声为高斯白噪声,信号波长为1米,信噪比0dB,快拍数200,声源方位分别为20°、50°。对仿真200次实验的结果进行统计得到能够正确实现方位估计的概率,两支传感器阵元间距从λ/2(λ为信号的波长)开始从大往小变化时,声源能被分辨的概率逐渐降低,声源被分辨的概率随阵元间距变化过程如图1所示。

图1 声源被分辨的概率随阵元间距变化图

由图1可见,阵元间距的缩小对阵列的性能有较大的影响,当阵元间距取λ/20时,两个声源的波达方向被正确分辨的概率为87.5%,当间距进一步缩小时,这一概率极巨下降直至两个声源不能够被分辨。因此,为了保护矢量水听器阵列的性能,小尺度矢量水听器阵列的阵元间距小不应低于λ/20。

2 8元矢量水听器阵列设计与仿真

已存在的多数方位估计方法均是基于等间距均匀直线阵列的,因为这类型阵列的信号遵循范德蒙行列式的形式,能够方便地进行数据处理。因此,研究小尺度均匀直线阵列是进一步研究其它形式阵列的基础,具有重要的实际意义。这里以8元矢量水听器均匀直线阵列为例,通过优化设计,以较小的阵元间距构成线型阵列,在给定的仿真参数下,对其性能进行了仿真与性能估计。