基于二維壓差式矢量水聽器的方位估計研究.pdf

1、眾所周知，聲波兼有標量場和矢量場。與傳統(tǒng)的聲壓水聽器相比，矢量水聽器既能獲得聲場中的聲壓這一標量信息，又能獲得聲場中質(zhì)點振速這一矢量信息，更多的信息量必然帶來矢量水聽器更好的信號處理效果。單個的聲壓水聽器由于只能獲得聲場中的聲壓這一標量信息，因此不具備指向性，所以不能進行信號方位的估計，而單個矢量水聽器由于能夠以空間共點、時間同步測量聲場中的聲壓和振速信息，因此具備信號方位估計的能力。本文以二維壓差式矢量水聽器為研究對象，對單個的二維壓

2、差式矢量水聽器信號方位估計做了理論推導、計算機仿真和試驗數(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處理技術(shù)的發(fā)展，對同振型矢量水聽器及壓差式矢量水聽器工作原理進行了介紹，并建立了單個同振型及壓差式矢量水聽器信號模型，給出了不同組合下的二維矢量水聽器波束形成仿真。 2．對聲場中聲壓和質(zhì)點振速之間的相關(guān)性做了分析，提出了基于單個二維壓差式矢量水聽器的多目標分辨算法，該算法有效地利用了平面波聲場中聲壓和質(zhì)點振速的相

3、關(guān)性，在聲壓及振速分量之間形成一組相關(guān)方程，通過對這組相關(guān)方程的優(yōu)化來實現(xiàn)對信號方位角度的估計。文中針對窄帶非相關(guān)信號、寬帶信號和相干信號下的相關(guān)方程分別進行了推導。同時對已知干擾方位角度情況下的多目標分辨也給出了推導，其中目標信號包括窄帶和寬帶非相關(guān)信號。 3．首次對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)方程處理增益進行了推導和分析，并對不同信號方位角度下的相關(guān)方程誤差進行了仿真。推導是在窄帶信號條件下獲

4、得的，但其結(jié)果在寬帶信號條件下也是成立的。在信號個數(shù)較少的情況下，可以根據(jù)推導結(jié)果選擇誤差相對較小的相關(guān)方程來進行優(yōu)化求解。 4．針對本文聲壓和振速之間非線性相關(guān)方程組，提出運用遺傳算法、差異進化算法及混合差異進化算法進行優(yōu)化求解。對三種算法基本原理及步驟進行了介紹，并針對本文中要解決的多參數(shù)優(yōu)化問題，對這三種方法的收斂速度、收斂精度及運算時間進行了比較。 5．針對本文所運用的基于解相關(guān)方程的信號方位估計方法進行了仿真試

5、驗，并運用試驗數(shù)據(jù)對算法進行了驗證。仿真以兩信號分辨為主，分別對窄帶非相關(guān)信號、寬帶非相關(guān)信號和窄帶相干信號下的信號方位分辨進行了仿真，同時對多于兩目標情況下的方位估計誤差進行了仿真。利用西北工業(yè)大學航海學院消聲水池試驗數(shù)據(jù)得出了矢量水聽器在不同頻率下的指向性圖，并對單個信號源方位估計運用聲能流方估計法進行了驗證；利用馮家山水庫試驗數(shù)據(jù)對兩個非相關(guān)窄帶信號、兩個非相關(guān)寬帶信號以及已知干擾方位條件下的信號方位估計算法進行了驗證；利用舟山海