矢量传感器的复声强法定向技术研究

　　1引言

　　水下目标定向就是利用声学装置探测水下目标向外辐射的声场信息，以此来估计目标的方位角和俯仰角等参数。由于声波具有标量场和矢量场，近年来矢量传感器引起了声学工作者的关注[1]。基于矢量传感器的水下目标噪声测量和定向技术已成为当前声学研究领域的一个热点[2]。在目标辐射声场中，振速方向即为声波传播方向，所以， 单个矢量传感器即可测定目标方位， 并且声矢量传感器所测的声强的方向就是被探测的目标方向。

　　利用矢量传感器对水下目标进行定向前，首先要研究声压与振速的相关性问题。哈船院的研究成果表明：对于有限尺度声源的辐射声场，称为相干源信号，它的声压和振速是完全相关的; 而对于各向同性噪声场，称之为非相干信号，它的声压与振速是不相关的[1]。

　　对于矢量传感器水下目标定向系统而言，目标信号是相干源信号，干扰背景是海洋环境噪声，大致是各向同性干扰噪声。在相干(各向异性)场和非相干(各向同性)场中，目标信号和干扰噪声的声压与振速相关性的差别是声压、振速联合信号处理抗各向同性干扰的基础[3]，也是矢量传感器对水下目标进行定向的物理基础。

　　2声场模型的建立

　　理想、静态、均匀流体介质中，小振幅波的波动方程为

　　式中，c是介质中的声传播速度，p是介质声压，t是时间，Δ2是拉普拉斯算子。利用尤拉方程可求出声压和振速的关系为

　　任何声波的远场都可以近似为平面波， 将平面波的声压表示为谐和平面波的叠加，代入式(2)，得

　　式中，θ为声波传播的入射方向在水平面内的投影与x轴的夹角，称为水平方位角;α为声线与水平面的夹角，称为声线掠角或俯仰角;ρ0为介质密度;i，j，k 是相互正交的单位坐标矢量。

　　由式(3)可知，除了介质的特性阻抗ρ0·c是常数以外，3个振速分量与声压波形相同。故可省略该常数，则3个振速分量为

　　式(4)表明，各振速分量只是声压传播方向的余弦加权，它们的波形相同，相位相同或相反，是完全相关的。

　　假设在各向同性噪声场中，存在大量的噪声源pi，它们是互不相关、各态历经的噪声源，且各个声源的强度是均匀的，即p2i=δ2。又假设每个噪声源的俯仰角为αi，水平方位角为θi，它们是[-π/2，π/2]和[0，2π]内均匀分布的随机变量。所以各向同性干扰噪声的数学模型可假设为

　　式中，pn，i为高斯分布随机数，αi和θi为均匀分布随机数。