单矢量传感器对声源的定位技术研究

张国锋 陈希星 辽宁大连测控技术研究所 116013

单矢量传感器对声源的定位技术研究

张国锋 陈希星 辽宁大连测控技术研究所 116013

随着潜艇减震降噪技术的不断发展，运用单矢量传感器对声源进行定向技术研究已成为一个发展趋势。本文首先说明矢量传感器由于振速分量具有偶极子指向性，为定向技术研究提供理论基础。随后，阐述三种基本的定向理论，并对其进行仿真研究，证明互谱声强法在声源定位中的优越性。

矢量传感器；定向技术；互谱声强法

引言

目标定向就是利用矢量传感器接收水下目标向外辐射的声场信息，以此来估计目标的方位角和俯仰角，具体表示如图1。在相干（各向异性）场和非相干（各向同性）场中，目标信号和干扰噪声的声压与振速相关性的差别是声压、振速联合信号处理抗各向同性干扰的基础.也是矢量传感器对水下目标进行定向的物理基础[1]。声场中介质质点振速是一个矢量，它的方向就是声波传播的方向。矢量水听器既能得出声场的声压信息，又能给出质点振速信息，应用矢量水听器的输出，经过一定的处理，就可以得到声源的方位，从而实现三维空间内无模糊地确定声源的方向[2]。本文主要讨论了利用单个矢量水听器所提供的声压和振速信息，进行声源方位估计的多种算法，并通过仿真计算得到处理结果。

图1 角空间表示

1 矢量水听器目标定向的基本理论[3]

1.1 质点振速法定向原理

由上式可知，只要对矢量水听器测得的三个振速分量进行简单的运算，就可以得到声源方位角和俯仰角a。

1.2 平均声强法定向原理

对有限尺度的声源的辐射声场，称之为相干源信号，声压和振速是完全相关的；而对于各向同性噪声场，称之为非相干信号，它的声压与振速是不相关的。这是声压与振速联合信号处理抗干扰的基础。平均声强法可以抗各向同性干扰，提高信号的信噪比，这为高精度确定声源方位提供了基础。平均声强在坐标轴上的三个分量可以表示为：

注意到信号场中声压与振速完全相关，而各向同性噪声场的声压与振速互不相关这一性质，由式(2)得到：

利用矢量水听器的多信息输出，计算声强的三个分量，就可得到声源的方位角 和声传播方向与水平面的夹角a。由于平均声强法具有良好的抗各向同性干扰的能力，式(4)给出的测量精度将远优于式(1)。

1.3 互谱声强法定向原理

质点振速法和平均声强法都是在时域上对目标声源进行定位，本节研究在频域上利用互谱声强法定向。声压-振速互相关分析具有抗各向同性干扰的能力，对互相关函数进行傅氏分析得到互谱函数，从而可以实现在频域上对目标进行定向。由已知声压及振速分量，可得相关函数为

同样利用信号源与各向同性干扰场声压－振速相关特性的不同，可得到：

由此可见，通过互相关分析，其互相关函数仅保留了声源的信息，干扰信息则被“剔除”了。对式(7)进行傅氏变换，得到声压－振速互谱密度函数：

应用式(8)得到：

上式表明，对矢量水听器的输出进行互谱分析，由声压－振速的互谱密度函数同样能得到声源方位角及俯仰角a。由上面的推导可知，互谱法本质上是一种分频段处理方法，因而特别适用于线谱目标的方位估计，特别是当存在多个目标时，而每个目标又工作于不同频段时，可用本方法同时确定多个目标的方位。这里还应指出，互谱法除能抗各向同性干扰外，还具有抗相干干扰能力，只要信号和相干干扰的频带或线谱频率互不重叠。

2 矢量水听器确定声源方位的仿真研究

仿真计算中，信号采用正弦脉冲信号，噪声为各向同性高斯白噪声。仿真条件为：在低频段设置多个线谱分量，并在此基础上叠加宽带连续谱。低频段选取50Hz，200Hz，500Hz三个频率，水平方位角设置为45°，俯仰角设置为30°。通过三种不同的方法估计水平方位角。分别叠加信噪比分别为-10dB和10dB两种噪声，其中横坐标代表频率，纵坐标代表估计角度。

2.1 对水平角的仿真估计

图2 质点振速法在-10dB和10dB时的水平方位角估计

图3 平均声强法在-10dB和10dB时的水平方位角估计

图4 互谱声强法在-10dB和10dB时的水平方位角估计

2.2 对俯仰角的仿真估计

图5 质点振速法在-10dB和10dB时的俯仰角估计

图6 平均声强法在-10dB和10dB时的俯仰角估计

图7 互谱声强法在-10dB和10dB时的俯仰角估计

3 结语

本文主要为利用矢量水听器对声源进行定向技术研究。由仿真结果可以看出：当信噪比比较低时，三种定向方法在低频段上方位角的估计值变化较大，结果不准确。当噪声功率比较低时，可以看出三种方法都不同程度上有所改善，互谱声强法定向比较理想。

[1]惠俊英，惠娟. 矢量声信号处理基础[M]. 国防工业出版社,2009

[2]王之程，陈宗歧，于沨，刘文帅. 舰船噪声测量与分析[M]. 国防工业出版社,2004.11：66～187页

[3]杨德森，洪连进. 矢量水听器原理及应用引论[M]. 科学出版社,2009.7

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.07.023