一种基于声矢量阵混响空间特性的窄带目标探测算法_马伯乐.pdf
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1、 :一种基于声矢量阵混响空间特性的窄带目标探测算法收稿日期:;修回日期:。作者简介:马伯乐(),男,工程师,博士,主要研究方向为海洋声学调查与信号处理。通信作者:马伯乐,。马伯乐,龚礼,刘刚(部队,浙江 舟山 )摘要:针对声矢量水听器阵主动探测问题,从声矢量混响空间特性方面开展研究。首先,从理论上分析各向同性混响条件下声压阵、振速阵的空间相关系数,指出远距离、长处理帧条件下声压、振速阵列半波长以上阵元间距的各向同性混响近似不相关;然后,以此为基础,给出声矢量圆阵信号接收模型,并针对各向异性、各向同性混响共存情况,给出了一种声矢量解析振速平滑阵列处理方法。该方法充分利用解析振速结构特点,对声压、
2、解析振速阵列数据协方差矩阵进行累加平均,有效减小了不同阵元各向异性混响成分相干性。实测数据结果表明:声矢量解析振速平滑方法的常规波束形成处理与最小方差无畸变波束形成处理的声场级都小于声压阵处理结果,具有更高的目标分辨能力。关键词:声矢量;混响;空间特性;阵处理中图分类号:文献标志码:文章编号:(),(,):,(),:;声矢量水听器由无指向性声压传感器和偶极子指向性振速传感器构成,可以同步、共点测量空第 卷第期 年月 海军工程大学学报 间的声压和质点振速信息,随着测量信息的增加,相比于传统声压水听器,声矢量水听器及其阵列具有较高的处理增益。等建立了远场平面波情况下的单矢量水听器与矢量阵列的信号接
3、收模型,并给出了方位估计的误差理论下界,同时利用声能流与振速相关矩阵算法,实现了目标方位估计。自此,有关声矢量水听器及其阵列的信号处理受到了各国广泛关注与研究,并在军事需求牵引下用于固定式水声警戒声呐、舷侧阵和共形阵声呐、拖曳线阵声呐、航空无线电声呐浮标、智能水引信等。但现阶段对于声矢量水听器及其阵列的处理主要集中在被动探测领域。海洋混响是海面、海底、海洋水体中的一切散射作用的总和,是影响主动声呐探测的主要因素。目前,有关主动声呐目标探测主要集中在波形设计与阵处理方面。波形设计利用脉冲信号拷贝相关与混响的差异,从形态、延时、多普勒角度实现目标分离;阵处理是利用阵列空间指向性特点实现信混比的提高
4、,传统阵处理有常规波束形成(,)算法和最小方 差 无 畸 变 响 应(,)算法。这两种算法受阵列孔径及起伏干扰影响较大,在信混比较低情况下处理效果不佳。空时自适应处理将单一的空域处理转换为多普勒域空域联合处理,充分利用目标和 混 响 在 空 间、速 度 方 面 的 差 异,实 现 探测,但该种处理算法的空时相关矩阵的计算需大量样本点,在混响起伏较大情况下,稳健性不高。由上述分析可知,充分利用声矢量水听器特点,挖掘混响抑制潜力,对进一步提高主动目标探测性能具有重要意义。本文从声矢量阵空间特性方面开展研究,针对各向同性混响,从理论上推导声压、振速的空间相关系数,指出随着阵元间距变大,不同空间位置的
5、声压、振速的互相关处理具有混响抑制能力并以此为基础,针对各向异性、各向同性混响共存情况,给出了一种声矢量解析振速平 滑(,)阵列处理方法。声矢量混响空间特性分析本文考虑界面混响情况,假设混响的散射点分布在平面上,图为某时刻散射点与接收点模型。图某时刻散射点与接收点模型 由图可见,某时刻对收发合置声呐有贡献的混响散射点为某一圆环,圆环宽度为,其中,为声速,为脉冲宽度,单个散射点接收端的声矢量信号可表达为()()();()();()()。()式中:为发射脉冲包络;为脉冲频率;,分别为散射点的方位与俯仰角;为散射点幅 度;为 散 射 点 与 接 收 阵 距 离;(),(),()分别为声压、振速与振速
6、信号。混响信号是多个界面散射点回波信号的累加,假设各向同性混响散射点散射幅度,则声矢量水听器接收点与接收点的互协方差矩阵为(,)(,)()()()。()式中:;,分别为全部散射点的总面积与时间归一化常数;,分别为时间积分微元与面积积分微元,并且在远场窄带假海军工程大学学报第 卷设条件下可得()();,为散射点到轴距离,于是式()可写为()。()式中:(),为两接收点连线与轴夹角,为水听器连线在 平面上投影与轴夹角;,分别为某时刻混响散射区与接收阵最近与最远距离。设为散射界面与接收阵的距离,为接收点与接收点的距离。由于,所以,于是 ;,代入式()可得声矢量水听器混响的空间相关系数为()();()
7、()();()()();()();()();()();。()式中:(),(),()分别表示距离为的声压通道、振速通道及振速通道的空间相关系数;(),(),()分别表示距离为的声压振速、声压振速、振速振速的空间相关系数。分析式()可知,各向同性混响条件下,水平声矢量水听器阵(,)不同阵元的相关系数受阵元间距、散射区俯仰角积分范围影响,其中积分范围与处理帧长度(发射脉宽)、散射区起始位置有关。进一步分析式()可知,声压振速及振速间的各向同性混响相关性较弱,随着散射区起始位置变远,声压不同阵元间的混响相关性更小。因此,在远距离位置选择合适的处理帧长度(发射脉宽),声压、振速阵列半波长以上阵元间距的各
8、向同性混响可逐渐近似不相关。阵列处理方法本文以声矢量圆阵为研究对象(见图)。图中,为目标来波,真实情况下,接收阵列干扰包括海洋环境噪声与混响两部分,其中混响除了各向同性成分,还包括各向异性成分。图声矢量圆阵结构示意图 本文假设海洋环境噪声为各向同性噪声,接收信号模型可表示为()()()()()();()()()()()();()()()()()()。()式中:(),(),(),()分别为目标的声压信号、各向异性混响信号、各向同性混响信号与环境噪声;(),(),()为振速对应的各向异性混响信号、各向同性混响信号与环境噪声;(),(),()对应振速通道的各向异性混响信号、各向同性混响信号与环境噪声
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