声矢量传感器研究进展

声矢量传感器由传统的无指向性声压传感器和偶极子指向性质点振速传感器复合而成,可以同步共点测量声场中一点处的声压和质点振速若干正交分量,由此得到的幅度和相位信息为解决一些水声问题提供了新的思路。因其实际的和潜在的工程应用价值,所以在最近十年间与此相关的声矢量传感器技术备受水声界关注。本文尝试综述声矢量传感器技术近五十年间在物理基础、传感器设计制作、相关工程应用等各方面的发展历史、现状和所取得的一些研究进展。PACS数: 43.30,43.60,43.85     

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。     

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.     

一体化有源吸声终端实现及其在行波管测量中的应用

提出了一种利用矢量水听器在声管中实现一体化有源吸声终端的方法。该吸声终端采用矢量水听器作为传感元件,以实现入射波和反射波的分离,克服了传统双水听器声波分离方法中传感器间距及测量频率的限制,显著拓宽了一体化有源吸声终端的低频吸声频段。由声管中水声材料的测试原理出发,重点分析了吸声终端中传感元件灵敏度误差对吸声终端性能的影响,并给出了反射、透射系数的修正方法。实验结果表明:该有源吸声终端在100~2000 Hz频段内吸声系数可以达到0.98以上,测量得到材料的声压反射系数、声压透射系数及理论计算基本一致。      

矢量声纳高速运动目标稳健高分辨方位估计

针对水声矢量信号处理框架中的高速运动目标低信噪 比小快拍条件下的稳健高分辨方位估计问题, 将压缩感知技术应用于水声矢量信号空间谱估计模型中. 结合声矢量传感器结构特性, 探讨了基于声压振速联合处理的广义时域滤波方法; 结合矩阵空域预滤波理论, 设计了基于阻带约束通带均方误差最大值最小的空域滤波器, 研究了矢量声纳空域预滤波方法; 结合以上分析, 提出了基于压缩感知技术的时空联合滤波高分辨方位估计方法, 给出了方法的数学模型、物理解释及具体实施步骤.理论分析和计算机仿真试验表明, 新方法对于小快拍数 条件下的矢量声纳高速运动目标高分辨方位估计问题, 具有较低的双目标分辨门限和较高的估计精度, 有着良好的应用前景.湖上试验验证了方法的有效性. 关键词： 声矢量传感器 空间谱估计 时空滤波 压缩感知     

水声测量用声脉冲瞬态抑制方法的研究

脉冲声技术是一种很常用的水声测量技术，但由于脉冲声存在着瞬态过程，严重影响了它在低频下的使用，本文中研究的水声测量用声脉冲瞬态抑制方法，通过瞬态抑制等效消除换能器的瞬态过程，从而为在有限尺寸水域内扩展水声测量低频限创造了条件。     

基于矢量传感器的水下双址接入研究

针对水声信道的特殊性,提出一种适用于水声通信的双址接入方法。旋转矢量传感器的组合指向性,使其零点对准某一信源,则该信源被屏蔽,此时信宿可以与另一信源进行通信,反之亦然。矢量传感器的空间指向性不随频率变化,该方法可以实现宽带双址异步通信。此外,当两信源之间的开角大于34.8°时,通过对矢量传感器声压和振速输出的联合处理,可以使分离出的不同信源所发射的信号获得一定的信噪比增益。理论分析、数值仿真和湖上实验结果表明:基于矢量传感器的双址通信算法实现简单,信道资源利用率高,可以与其它多址接入技术结合使用,并且矢量传感器的空间增益可以有效降低系统的误码率。由于水声信道的特殊性,水下信息网须采用多种多址接入技术,本文所提出的双址通信方案将是其它多址接入技术的有益补充。      

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。     

水声材料构件声学特性自由场宽带测量装置

介绍一套新建的水声材料构件声学特性自由场宽带测量装置,在开放消声水池中测量水声材料构件大面积样品的复声压反射系数(回声降低)、复声压透射系数(插入损失)和吸声系数,为研究和评定声纳水下声系统、潜艇声隐身等项目所用的水声材料构件设备声学特性提供了标准测试/校准系统.装置应用了宽带压缩脉冲叠加法和宽带指向性声源,最低测量频...     

基于矢量传感器复声强测量的低空目标二维波达方向估计

提出了一种基于三维压差式矢量传感器复声强测量的低空目标二维波达方向(DOA:Directions Of Arrival)估计方法。利用矢量传感器在低频段的良好特性,实现了小尺寸声阵条件下的高精度目标DOA估计。采用实测的直升机辐射噪声数据验证了该方法的有效性,研究了传感器尺寸、积分时间和信噪比对目标DOA估计精度的影响。性能分析表明,在小尺寸声阵条件下,新方法优于基于时延估计的测向方法。该研究为实现低空运动目标的无源声学探测提供了一种新的技术途径。     

基于矢量传感器的频率估计算法在水声通信中的应用

本文给出了基于矢量传感器的ESPRIT频率估计算法，并将其应用于频率调制水声通信系统中。与声强频率估计算法相比，ESPRIT频率估计可在小样本的情况下，获得高精度的频率估计。仿真和湖试结果表明，基于矢量传感器的ESPRIT频率估计算法可以提高通信速率并降低对通信系统的带宽要求。本算法对信噪比的要求较高，目前看，较适用于近程高速水声通信。     

基于单矢量有源平均声强器的码分多址水声通信

基于单矢量传感器对码分多址水声通信进行了研究. 利用单个矢量传感器自身指向性进行方位估计最为常用的方法是平均声强器和复声强器, 但这些方法对于同频带的多用户来说, 理论极限仅能测量两个用户. 提出了有源平均声强器, 利用扩频通信中伪随机码优良的自相关和互相关特性, 可同时测得多个用户的方位, 利用估计的用户方位构建矢量组合, 调整矢量传感器的指向性, 实现各用户定向通信, 抑制多址干扰, 增加处理增益, 降低误码率. 对频带相同的扩频多用户通信进行了仿真及试验研究, 验证了有源平均声强器的有效性和实用性.     

基于单矢量有源平均声强器的码分多址水声通信

基于单矢量传感器对码分多址水声通信进行了研究. 利用单个矢量传感器自身指向性进行方位估计最为常用的方法是平均声强器和复声强器, 但这些方法对于同频带的多用户来说, 理论极限仅能测量两个用户. 提出了有源平均声强器, 利用扩频通信中伪随机码优良的自相关和互相关特性, 可同时测得多个用户的方位, 利用估计的用户方位构建矢量组合, 调整矢量传感器的指向性, 实现各用户定向通信, 抑制多址干扰, 增加处理增益, 降低误码率. 对频带相同的扩频多用户通信进行了仿真及试验研究, 验证了有源平均声强器的有效性和实用性.     

基于声矢量传感器的分布式定位系统在水下宽带声源定位中的应用

提出了基于声矢量传感器的分布式浮标网络定位系统,研究了不同应用背景下单个声矢量传感器的测向算法,推导了目标DOA估计的Cramer-Rao界,给出了分层海水介质中多个声矢量传感器的几何定位算法。数值仿真结果表明:(1)系统的定位性能强烈依赖于接收信噪比;(2)该系统适用于单一强声源的定位。     

基于水声潜标应用的数据采集及大容量存储系统设计

水声潜标是获取海洋水声信号以及海洋生物声信号的重要技术设备之一。为了满足水声潜标在水下较长时间工作,本文设计并实现了一套基于水声潜标应用的低功耗数据采集及大容量存储系统,在芯片选型和NAND FLASH读写管理等方面对系统进行了低功耗设计。该系统在"标-矢量"综合潜标上应用的试验结果表明,该系统获取的数据有效,满足总体设计技术要求。同时,本系统还具有良好的扩展能力,可适应水声潜标发展的应用需求。     

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。      

水下声成像PVDF—DMOS换能器

本文通过研制水下声成像PVDF-DMOS集成接收换能器,分析了高分子压电薄膜在水声中应用的新途径及其组成换能器的振动模式,建立了机电等效电路图.并分析了影响器件灵敏度的诸因素.介绍了本工作的测量结果,评价了器件的特性.本文可供设计各种PPDF压电换能器、传感器时参考.     

矢量风速仪的设计

为了解决机械式风速仪对方向测量的局限性,使用了单向叶轮传感器的矢量三维风速仪,风速传感器采用叶轮带动空心杯电机的结构,通过单片机对三维组合单向速传感器进行采集和风速矢量合成,实现了对风的大小和方向的测量.实验结果表明:该设计在对风速矢量的二维测量上,风速大小和方向的测量均具有很高的可靠性;在对风速矢量的三维测量上,风速大小的测量值也比较精确,风速方向的测量值误差比较小.     

水声信号处理领域新进展

本文介绍近30年来水声信号处理领域理论研究的新进展和在声纳设计中的应用。包括水声信号建模、声场匹配、海洋波导和内波现象的探索和研究、声矢量场信息获取和处理,低频水声信道的时/空相关特性,水下目标辐射噪声的不变特征量提取和检测技术,水下语音、图像传输和抗干扰技术。同时概述,声纳设计的前沿领域:大孔径拖曳线列阵声纳、高分辨力合成孔径声纳、深海传呼机等的发展情况。     

声波水平折射引起水平位移椭圆极化和声能流水平偏转

针对矢量水听器测向的应用要求,研究了三维水声传播问题中水平折射对声矢量场特性的影响。理论分析表明,水平折射可使质点水平位移从线性极化转变为椭圆极化,同时引起声能流方向的水平偏转。声能流方向的水平偏转导致波达方向偏离目标水平方位,对目标水平方位估计造成误差。采用虚源法仿真了倾角为2.86°的楔形波导中的三维声矢量场,并给出了空间各点处由水平折射引起的单矢量水听器目标方位估计误差。结果显示,部分区域中由水平折射引起的目标方位估计误差可达10°以上。