三种基于四元数模型的声矢量阵MUSIC算法

传统的基于长矢量模型的MUSIC算法没有充分利用矢量水听器各分量之间的正交特性,存在多目标分辨能力不足的缺点。针对这一情况,文中引入了四元数的概念,利用四元数能更好地描述矢量水听器各分量的正交结构这一优点,提出了三种基于四元数模型的二维声矢量阵方位估计算法:Q-VV算法、Q-PV算法和Q-PVV算法。与基于长矢量模型的MUSIC算法相比,新算法降低了协方差矩阵的维数,占用更少的内存空间。同时,由于利用了四元数强正交性约束的特点,新算法有好的单目标估计精度和多目标分辨能力。其中:Q-PV算法和Q-PVV算法利用了声压与振速的相干性,抗各向同性干扰的能力优于Q-VV算法。仿真实验证明了算法的有效性。     

任意阵形水声组合阵列的波达方向盲估计

基于声压水听器阵列的高分辨波达方向估计方法,需要精确已知基阵的阵列流型,但在实际声呐工程中,阵列流型的精确测量和校准十分困难。针对上述问题,将单矢量水听器与任意阵形声压水听器阵列组合,并引入盲源分离理论,提出了一种基于任意阵型水声阵列的波达方向盲估计方法。仿真实验表明,在目标信号先验信息和阵列流型未知的情况下,该方法可分离出各目标信号及其阵列流型,然后利用单矢量水听器振速分量的正交性,估计出各目标信号的方位角和俯仰角,并且该方法无需谱峰搜索和参数配对,适合存在一维角度兼并的情况。     

浅海近距离混响空间方向性试验

三分量压差式矢量水听器能够同时测量声场的声压p(t)和振速的2个正交分量vx(t),vy(t).为了研究混响的空间特性,以瞬时声能流和瞬时方位为基础,利用2个压差式矢量水听器同时对浅海近距离混响场的水平方向性和垂直方向性进行测试和分析.结果表明:声能流方法可以大致地描述混响场的方向性特性,能够揭示散射信号方位角或散射体的空间分布,同时还可以检测和判断目标的距离和方位,并且对海面和海底散射特性的研究以及主动声呐探测都具有重要意义.     

单矢量水听器MUSIC估计与互谱估计的性能比较研究

为了研究单矢量水听器的目标方位估计能力,将MUSIC算法和互谱法分别用于单矢量水听器方位估计。根据单矢量水听器的阵列流形特点,将子空间分解理论应用到单矢量水听器方位估计上,实现了单矢量水听器的MUSIC高分辨方位估计。对单个的目标进行方位估计仿真,同时将MUSIC算法与互谱法进行比较,得到在低信噪比下,MUSIC算法的方位估计精度要高于互谱法。在高信噪比下,MUSIC算法和互谱法的方位估计有比较好的性能。水库试验数据验证了该MUSIC算法和互谱法的有效性。     

单矢量水听器基于互谱测向的多目标分辨

利用单个矢量水听器可以测出目标声源的方位,提出了一种利用单矢量水听器基于互谱测向的多目标分辨方法。利用互谱测向方法计算出测量过程中各个目标的方位变化轨迹,画出方位历程图,根据方位历程图选择目标方位相差比较大的时刻,根据方位信息提取出各自目标声源的特征谱;只要目标声源的特征谱不重合,就可以分辨出多个目标。本文结合仿真说明了分辨2个目标的方法和计算过程,利用本方法可以分辨2个或更多目标。     

单只矢量水听器对多目标方位估计的仿真研究

文章结合了矢量水听器的自身特点,利用单只矢量水听器分别研究了声强法和ESPRIT算法对目标方位进行估计,在无需知道信号先验信息的条件下,可以实现对多个不相关信号的方位角估计。利用已知的条件进行模拟仿真,在不同的信噪比,样本长度的条件下来对比声强法与ESPRIT算法之间了优劣性。     

相关噪声背景下声矢量阵目标方位估计

传统的矢量水听器数据处理方法将单个矢量水听器的输出用一复数向量来表示,没有充分利用矢量水听器各振速通道的正交特性,为此提出了用复四元数对矢量水听器的输出数据建模,将矢量水听器输出的三个振速分量用复四元数的三个虚部表示,保留了矢量水听器各阵元的正交性,对相关噪声有较好的抑制能力。针对声源的非平稳特性,将观测数据分成多个子段,计算每个子段的协方差矩阵并进行向量化处理,通过一正交映射,消除干扰噪声,最后对去除噪声的伪协方差矩阵做特征值分解,利用MUSIC算法原理建立目标的方位估计公式。算法降低了对声源信号平稳性要求,对相关噪声有较强的鲁棒性。     

浅海舰船噪声声强流的方向性

锚泊舰船作为近场平台时,所搭载的声压阵受其影响较大,无法正常工作。为研究其原因,采用矢量水听器阵探明近场锚泊舰船的噪声形成机制。基于简正波的矢量场理论,采用多个点声源声能流的相互作用对近场舰船噪声进行建模,得到了不同接收点处声能流的水平方向性。仿真结果与海上试验结果均表明,同一接收点处声能流在水平面上的方向均随频率变化,不同接收点处声能流随频率变化情况不同。说明舰船锚泊时的噪声主要由海浪拍打船舷产生,所建立的噪声模型的仿真与海上试验结果趋势一致。2个接收点水平相距2.25 m时,所反映的近场舰船水平方向性不同,这是近场舰船干扰下使用声压阵波束形成方法对远场目标进行DOA估计时的性能大幅降低的主要原因。     

三维压差式矢量水听器定向性能分析

由于压差式矢量水听器是通过声压梯度来近似测量质点的振速,因此声场计算误差必将影响其定向精度.从理论上对三维压差式矢量水听器定向性能进行了分析,推导了由声场计算误差引入的目标俯仰角和方位角误差公式.此外,利用平均声强流定向算法,通过仿真详细分析了矢量水听器各阵元幅度和相位不一致、阵元间距、积分时间和信噪比等因素对目标定向精度的影响.仿真结果对三维压差式矢量水听器的制作及实际工程应用均有指导意义.     

NEMS矢量水听器的海上实验研究

NEMS矢量水听器是可以接收来自水下二维空间声音信号的一种新型仿生结构。在室内研究的基础上进行海上实验,对单个NEMS矢量水听器采集的船辐射噪声进行处理。结果表明,单个NEMS矢量水听器能够在真实的海洋环境中对运动的目标进行航迹跟踪;利用CZT方法能够对海上运动目标进行特征线谱分析,提高了在局部频段内的分辨能力,频率分辨力可达0.32 Hz。