基于二維壓差式矢量水聽器的方位估計(jì)研究.pdf

1、眾所周知，聲波兼有標(biāo)量場(chǎng)和矢量場(chǎng)。與傳統(tǒng)的聲壓水聽器相比，矢量水聽器既能獲得聲場(chǎng)中的聲壓這一標(biāo)量信息，又能獲得聲場(chǎng)中質(zhì)點(diǎn)振速這一矢量信息，更多的信息量必然帶來(lái)矢量水聽器更好的信號(hào)處理效果。單個(gè)的聲壓水聽器由于只能獲得聲場(chǎng)中的聲壓這一標(biāo)量信息，因此不具備指向性，所以不能進(jìn)行信號(hào)方位的估計(jì)，而單個(gè)矢量水聽器由于能夠以空間共點(diǎn)、時(shí)間同步測(cè)量聲場(chǎng)中的聲壓和振速信息，因此具備信號(hào)方位估計(jì)的能力。本文以二維壓差式矢量水聽器為研究對(duì)象，對(duì)單個(gè)的二維壓

2、差式矢量水聽器信號(hào)方位估計(jì)做了理論推導(dǎo)、計(jì)算機(jī)仿真和試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析。主要內(nèi)容如下： 1．回顧了矢量水聽器及其信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，對(duì)同振型矢量水聽器及壓差式矢量水聽器工作原理進(jìn)行了介紹，并建立了單個(gè)同振型及壓差式矢量水聽器信號(hào)模型，給出了不同組合下的二維矢量水聽器波束形成仿真。 2．對(duì)聲場(chǎng)中聲壓和質(zhì)點(diǎn)振速之間的相關(guān)性做了分析，提出了基于單個(gè)二維壓差式矢量水聽器的多目標(biāo)分辨算法，該算法有效地利用了平面波聲場(chǎng)中聲壓和質(zhì)點(diǎn)振速的相

3、關(guān)性，在聲壓及振速分量之間形成一組相關(guān)方程，通過對(duì)這組相關(guān)方程的優(yōu)化來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)方位角度的估計(jì)。文中針對(duì)窄帶非相關(guān)信號(hào)、寬帶信號(hào)和相干信號(hào)下的相關(guān)方程分別進(jìn)行了推導(dǎo)。同時(shí)對(duì)已知干擾方位角度情況下的多目標(biāo)分辨也給出了推導(dǎo)，其中目標(biāo)信號(hào)包括窄帶和寬帶非相關(guān)信號(hào)。 3．首次對(duì)各向同性白噪聲條件下的二維壓差式矢量水聽器聲壓和振速之間相關(guān)方程處理增益進(jìn)行了推導(dǎo)和分析，并對(duì)不同信號(hào)方位角度下的相關(guān)方程誤差進(jìn)行了仿真。推導(dǎo)是在窄帶信號(hào)條件下獲

4、得的，但其結(jié)果在寬帶信號(hào)條件下也是成立的。在信號(hào)個(gè)數(shù)較少的情況下，可以根據(jù)推導(dǎo)結(jié)果選擇誤差相對(duì)較小的相關(guān)方程來(lái)進(jìn)行優(yōu)化求解。 4．針對(duì)本文聲壓和振速之間非線性相關(guān)方程組，提出運(yùn)用遺傳算法、差異進(jìn)化算法及混合差異進(jìn)化算法進(jìn)行優(yōu)化求解。對(duì)三種算法基本原理及步驟進(jìn)行了介紹，并針對(duì)本文中要解決的多參數(shù)優(yōu)化問題，對(duì)這三種方法的收斂速度、收斂精度及運(yùn)算時(shí)間進(jìn)行了比較。 5．針對(duì)本文所運(yùn)用的基于解相關(guān)方程的信號(hào)方位估計(jì)方法進(jìn)行了仿真試

5、驗(yàn)，并運(yùn)用試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)算法進(jìn)行了驗(yàn)證。仿真以兩信號(hào)分辨為主，分別對(duì)窄帶非相關(guān)信號(hào)、寬帶非相關(guān)信號(hào)和窄帶相干信號(hào)下的信號(hào)方位分辨進(jìn)行了仿真，同時(shí)對(duì)多于兩目標(biāo)情況下的方位估計(jì)誤差進(jìn)行了仿真。利用西北工業(yè)大學(xué)航海學(xué)院消聲水池試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出了矢量水聽器在不同頻率下的指向性圖，并對(duì)單個(gè)信號(hào)源方位估計(jì)運(yùn)用聲能流方估計(jì)法進(jìn)行了驗(yàn)證；利用馮家山水庫(kù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)兩個(gè)非相關(guān)窄帶信號(hào)、兩個(gè)非相關(guān)寬帶信號(hào)以及已知干擾方位條件下的信號(hào)方位估計(jì)算法進(jìn)行了驗(yàn)證；利用舟山海