单矢量传感器信号处理方位估计

　　0 引言

　　声矢量传感器是将声振速水听器和声压水听器组合成一个整体。声矢量传感器及相应的信号处理是当今重点发展的新技术之一。随着工艺和技术的发展,矢量传感器对微弱的质点振动速度进行高精度测量的问题得到解决,高性能矢量传感器的研制现可以满足不同的工程要求。

　　在现有的水下固定值班探测系统中,水声探测系统所使用的大多是声压水听器,仅处理声场中的声压信息,而声压是标量,单个声压水听器无指向性,不能用来测定目标的方位。它的缺点是控制的海域深度有限,警戒范围小。随着水声对抗与反对抗的发展,舰艇在采用了消声技术之后,基于舰艇辐射噪声的声呐工作频率要求下降到约3 kHz以下,这使得现有的水声探测系统的缺点更加突出,且给声学基阵尺寸和造价受到严格限制的固定值班探测系统带来了极大的困难[1]。为了能够在低频、小尺度阵形下获得一定的空间增益,且给出水下目标精确的方位信息,矢量传感器是一种较优的选择。据资料表明,乌克兰“风暴”设计局,利用单矢量传感器可探测到在4km处的某艇, 1km范围以内,可以进行目标定位和识别[2]。

　　单矢量传感器的利用,可以增加现有值班探测系统的警戒范围,提高现有依赖水声定位系统的武器定向打击能力[3]。文中首先简要介绍试验用压差式矢量传感器的定向原理,然后着重讨论目标舰船在近距离时,如何进行方位估计。

　　1 目标声场振速与声压之间的关系

　　由Navier-Stokes方程导出,理想流体介质中的小振幅声波的运动方程为[4]:

　　式中:ρ为介质密度;v为振速;p为声压;Δ为梯度算符。对其两边进行积分可以得到声场中某点处的质点振速和声压梯度之间的关系。如x方向上的振速分量vx,可由x方向上靠得很近的两点(kΔrn1,k=ω/c,k是波数,Δr是两传感器之间的距离)的声压值p1,p2近似求得:

　　2 压差式矢量传感器的定向原理

　　目标入射方向与矢量传感器阵的位置关系如图1所示。4个阵元1, 2, 3, 4分别位于坐标轴上,设x轴为0°方向,逆时针方向为正,原点为参考点,圆周半径为r(即各阵元与原点的距离)。水声声速c=1500m/s,信号频率为f,目标方位角为B。设基阵中心原点信号为[5-7]:

　　由于基阵尺寸相对于目标的距离很小,可以把目标的辐射噪声视为平面波,声波到达4个阵元相对于到达基阵中心有超前和滞后现象。所以, 4个阵元的输出信号相位各不相同。则4个阵元输出信号可表示为:

　　式(4)中,Ai为各阵元的信号输出幅度。在低频应用时,矢量传感器阵的输出声压信号为: