质点振速传感器直线阵超指向性波束形成*

声矢量传感器及其组阵方式的研究已成为水声领域的热门课题。该文研究了当单自由度矢量传感器（质点振速传感器）的观测方向沿直线阵轴线方向时的空间均匀噪声场中两阵元的噪声相关系数，然后采用Gram-Schmidt模态波束分解与综合方法推导了高阶超指向性的最优解，得到了直线阵端射方向的指向性指数和稳健性水平。仿真研究表明，当d / λ < 0.5 (d为阵元间距，λ为波长)时，质点振速传感器直线阵（简称质点振速阵）采用超指向性方法在端射方向的指向性指数略高于声压传感器直线阵（简称声压阵）；而当d / λ > 0.5时，质点振速阵的指向性指数远远高于声压阵。该文的研究内容对水下声纳系统中质点振速传感器的有效组阵和实际应用具有一定的参考价值。     

声矢量传感器信号处理

声矢量传感器能够同步、共点、直接测量声场空间一点处声压和质点振速,从而有可能改善传统水声测量或探测设备的性能,为解决一些实际的水声问题拓展了新的思路。尽管声矢量传感器出现在水声领域的历史不算久,但是由于巨大的潜在军事需求牵引,它在最近十数年间的发展势头愈发地强劲,逐渐演变为不断被重视的水声技术之一。在此背景下,本文尝试综述声矢量传感器信号处理研究的当前进展,如信号检测、 DOA估计、波束形成等。     

全面感知水声信息的新传感器技术——矢量水听器及其应用

文章介绍了一种新型水声接收换能器——矢量水听器(矢量传感器),它可以同时共点地测量声场的声压和矢量(水媒质质点振速,振动加速度或声压梯度等),使用矢量水听器比常规声压水听器能获得更全面的声场信息,因此,在水声技术中获得了广泛的应用.文中描述了矢量水听器的结构设计和工作原理及特性,给出了一些重要的应用例子.     

用于空气声测量的质点振速传感器

矢量传声器的核心组成器件是质点振速传感器,该传感器具有与频率无关的‘8'字指向性。本文在分析空气声质点振速传感器工作原理基础上,采用数值分析方法系统研究了质点振速传感器中敏感头桥式结构尺寸、热扩散和材料比热容等参数对频率响应的影响,着重分析了质点振速传感器最优灵敏度和低通滤波器效应。根据优化设计结果,采用MEMS工艺技术加工出敏感头桥式结构,并测试了0℃条件下Pt的电阻值R和热阻温度系数θ,以及传感器的频响曲线和‘8'指向性。实验结果表明:空气声质点振速传感器具有良好的声学性能。     

基于声矢量传感器的水声通信技术研究

基于声矢量传感器声压和振速联合加权处理可以提高空间处理增益的原理,将声矢量传感器应用于相位调制的高速水声通信中,并结合自适应均衡算法,研究了相干解调和解码的方法。基于声矢量传感器声强处理可以抵消各向同性干扰、提高信噪比的原理,研究了在频率调制的水声通信系统中,利用声强解码代替声压解码的方法。理论分析、仿真研究和湖上试验结果表明:利用声矢量传感器相对于声压传感器来说,可以提高解码处理增益,进而提高了水声通信系统的作用距离、降低误码率。     

声矢量圆阵相位模态域目标方位估计

为了实现矢量传感器在圆阵阵型下的应用,文中提出了一种适合于声矢量圆阵的目标方位估计算法。该算法首先将声矢量圆阵阵元域信号分解为一系列相互正交的相位模态,在相位模态域构造声压和质点振速的互协方差矩阵,然后进行MUSIC方位估计.理论分析和仿真结果表明,文中算法比相同阵型的声压阵MUSIC方位估计算法具有更好的噪声抑制能力、方位估计性能以及多目标分辨能力,试验结果也表明本文算法具有更好的噪声抑制能力以及更好的目标方位估计性能。该算法实现了声压和质点振速的相干处理,充分利用了声矢量传感器的平均声强抗噪原理,具有较强的抗各向同性噪声能力,并可以将子空间类DOA(Direction of Arrival)估计算法和相位模态域阵列信号处理技术有机结合起来,实现了声矢量传感器在圆阵阵型条件下的高分辨DOA估计。     

基于多重信号分类法的一种声矢量阵方位估计算法

为了提高声矢量阵高分辨方位估计的性能,文中提出了一种矢量阵MUSIC方位估计算法.该算法先构造声矢量阵声压和振速组合输出的互协方差矩阵,然后进行MUSIC方位估计.理论分析和计算机仿真表明,文中算法比传统声矢量阵MUSIC方位估计算法有更好的双目标分辨能力和弱目标方位估计能力,湖试结果也表明文中算法有更好的目标方位估计性能.该算法基于矢量传感器声压和振速的相干性原理,充分利用声压振速组合指向性抗干扰能力,可以更好地抑制各向同性干扰,提高阵列的处理增益,从而有更好的方位估计性能.     

基于矢量水听器的水下目标低频辐射噪声测量方法研究

矢量水听器由声压传感器和质点振速传感器复合而成,可以空间共点、同步测量声压和质点振速的各正交分量。本文利用矢量水听器测量水下目标低频辐射噪声,给出了测量的基本原理。证明了:（1）在各向同性噪声场中质点振速的最大空间增益为约 4.8 dB;有功声强的空间增益与时间带宽积有关,（2）在各向异性场中,有功声强的空间增益取决于噪声场的空间分布。计算机仿真结果和海上试验结果也在文中给出。     

声矢量阵指向性

单矢量传感器具有可电子旋转的偶极子指向性,声压、振速信息联合矢量信号处理在噪声背景下有良好的探测能力,矢量(传感器)阵能取得更好的能力。本文对理想条件下单矢量传感器、二元矢量阵的偶极子指向性和单边指向性进行了计算机仿真,并对单矢量传感器的指向性进行了水池实验,实验结果与仿真结果基本一致。结果表明矢量传感器具有较强的抗相干干扰和非相干干扰的能力。     

Pekeris波导中简正波声强流及其互谱信号处理

探讨了Pekeris波导中声压场和质点振速场的联合描述,尤其关注垂直声强流的分析.研究表明,由于各阶简正波的干涉作用,水平和垂直声强流均既有有功分量,亦有无功分量.低频声场的垂直声强流的无功分量虽不参与声能的输运,当单个声矢量传感器做适当放置后却可用以判断声源的特定深度.这对于矢量信号处理是有意义的.给出了声压和质点振速联合互谱处理进行目标判别的算法.