圓柱體障板對矢量陣列方位估計性能的影響

1、圓柱體障板對矢量陣列方位估計性能的影響    關(guān)鍵詞:矢量水聽器;障板;矢量陣列信號處理;方位估計 1、引言 隨著矢量水聽器技術(shù)的發(fā)展,國內(nèi)矢量水聽器技術(shù)在水聲警戒系統(tǒng)、噪聲測量、水聲定位等領(lǐng)域已走向工程應(yīng)用1。但是,當(dāng)有障板時,矢量水聽器應(yīng)用結(jié)果并不理想,使得聲場發(fā)生變化,破壞了矢量水聽器的應(yīng)用基礎(chǔ)。因此國內(nèi)外學(xué)者紛紛對此展開研究。然而,學(xué)者們多是對障板對矢量水聽器接收性能影響的研究,以及單只矢量水聽器的定向問題進(jìn)行討論,對障板對矢量水聽器陣列方位估計性能影響的研究甚少,因而本文無限長圓柱障板的散射聲場進(jìn)行了理論推導(dǎo)。并且對帶障板條件下矢量水聽器陣列方

2、位估計性能的變化進(jìn)行了仿真研究。為水聲測量設(shè)備的工程應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。 2、圓柱體障板的散射聲場計算 一個無限長圓柱體被置于柱坐標(biāo)的原點(處),圓柱半徑為,平面波沿正向垂直入射到圓柱體上,觀察點徑矢與投射方向夾角為,觀察點坐標(biāo)為。圓柱體的存在使聲波產(chǎn)生散射作用。 入射的諧和平面波的聲壓函數(shù)為: (1) 將(1)式中的平面波分解成柱面波疊加: (2) 其中 因為柱為無限長柱,入射波為垂直柱體的平面波,因此在任意的z平面上散射波場的分布函數(shù)皆相同,與z軸無關(guān)(即)。散射波只有沿柱體向外的擴(kuò)散波,而無收斂波,因此散射波場聲壓表示為 (3) 總聲場為入射聲場和散射聲場的疊加 (4) 在此為利用邊界條件

3、確定系數(shù) 剛硬邊界條件下球體的散射聲場的定解問題為 (5) 求得剛硬球體的散射聲壓 (6) 其中 由尤拉方程求取散射波場的徑向質(zhì)點振速和垂直徑向振速。 (7) (8) 方向的質(zhì)點振速分量和分別為 (9) (10) 3、矢量水聽器陣列MVDR波束形成 假設(shè)有M個矢量水聽器組成的矢量線陣接收遠(yuǎn)場目標(biāo)發(fā)射的窄帶信號,矢量線陣的輸出數(shù)據(jù)為 (11) 其中為窄帶信號,為噪聲信號, 為掃描向量。 使M個矢量陣元均勻分布在坐標(biāo)系的x軸的正半軸上,第一個陣元位于坐標(biāo)系的原點,各個陣元之間的間距為d。,這個陣形使得陣元與陣元之間的相位只沿x軸變化,因此,相位延遲僅影響x軸方向的相位分量。當(dāng)?shù)趥€聲源信號從方向入射

4、時,在第m個陣元上的延時為 采用不同分量進(jìn)行波束形成時采用的陣掃描向量是不同的。定義以下幾種掃描向量。 (1)聲壓掃描向量 (12) (2)振速掃描向量 (13) MVDR(最小方差無失真響應(yīng))波束形成器,它試圖使噪聲以及來自非觀測方向方向的任何干擾所貢獻(xiàn)的功率最小,但又能保持“在觀測方向的信號功率”不變。因此,它可以看作是一個尖銳的空間濾波器。其可表述為一個主瓣方向增益約束的最優(yōu)化問題,即在條件 下,使 達(dá)到最小。其中,為權(quán)向量。 通過求解得出矢量陣MVDR波束形成器為: (14) 最佳權(quán)向量為: (15) 4、仿真研究 經(jīng)上述的理論分析可知,由于障板散射體的存在,使得平面波聲場發(fā)生變化,變

5、化后的總聲場為入射場和散射場的疊加。由此導(dǎo)致矢量水聽器接收性能的下降,從而影響矢量水聽器陣列方位估計性能。為了對矢量水聽器陣列性能變化有所了解,對其進(jìn)行了仿真分析,結(jié)果示于下列圖中。計算時,使三個矢量水聽器等間距組成線陣布放,陣元間距為,頻率f=5kHz,信噪比SNR=15dB。 利用MVDR波束形成對目標(biāo)進(jìn)行方位估計,采用聲壓陣和矢量陣兩種處理方式。為了對比分析,同時給出無障板條件下的目標(biāo)方位估計仿真結(jié)果。 (a)聲壓陣MVDR波束形成 (b)矢量陣MVDR波束形成 圖1 矢量水聽器陣列MVDR波束形成 分析上述計算結(jié)果,圖(a)為聲壓陣MVDR波束形成,圖中的實線和虛線分別代表無障板和無限

6、長圓柱障板存在時的目標(biāo)方位估計結(jié)果。由于障板的存在,使得聲場發(fā)生變化,從而影響陣列方位估計性能。從圖中可以看出,主瓣變寬,旁瓣有所升高。(b)為矢量陣MVDR波束形成,同樣由于障板的影響,使得方位估計發(fā)生變化。對比圖1中的(a)、(b),可以看出,矢量陣比聲壓陣的結(jié)果要好,矢量陣除去了左右模糊,波束主瓣變窄,而且障板對陣列方位估計性能的影響減小。因此可以通過矢量陣MVDR波束形成進(jìn)行估計,減小障板散射的影響。 5、結(jié)論 對無限長圓柱障板的散射聲場進(jìn)行了理論推導(dǎo)。并且對障板散射對矢量水聽器陣列方位估計性能的影響進(jìn)行了仿真研究。通過仿真分析,由于散射體的存在,使得聲場分布發(fā)生了變化,從而導(dǎo)致矢量(下轉(zhuǎn)13頁) (上接12頁)水聽器陣列方位估計性能發(fā)生改變。矢量陣MVDR波束形成進(jìn)行方位估計時受障板影響較小,因而可以通過調(diào)整布陣來改善陣列方位估計性能。        參考文獻(xiàn): 1 孫貴青,