瞬时相关积分法在矢量水听器方位估计中的应用研究

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1、瞬时相关积分法在矢量水听器方位估计中的应用研究　　摘要：矢量水听器可以同轴共点的测量声场信息，单个水听器即可完成对目标方位的无偏估计，但在各通道的相位不一致时，其估计精度会受到很大影响。针对这一问题，提出了将瞬时相关积分作为预处理算法的解决办法。各通道的信号在经过瞬时相关积分后，其相位保持了一致，并且输入信号的信噪比也得到了有效提高，从而可以保证对目标方位的有效估计。理论分析与仿真实验验证了算法的有效性。　　关键词：矢量水听器；相位；瞬时相关积分；信噪比　　中图分类号：TN911.7?34文献标识码：A文章编号：1004?373X（2016）07?0060?0

2、3　　Abstract：Thevectorhydrophonecanmeasurethesoundfieldinformationcoaxiallyandconcurrently.Sincethesinglevectorhydrophonecanaccomplishtheunbiasedestimationoftargetazimuth，theinconsistentphaseofeachchannelwillgreatlyaffectontheestimationprecision.Tosolvethisproblem，thesolutionofusingt

3、heinstantaneouscorrelationintegralasthepreprocessingalgorithmisproposed.Thephaseofeachchannelisconsistentaftersignal′sinstantaneouscorrelationintegral，andthesignal?to?noiseratio（SNR）oftheinputsignalisimprovedtoguaranteetheeffectiveestimationoftargetazimuth.The5effectivenessofthisalg

4、orithmisverifiedbytheoreticalanalysisandsimulationexperiment.　　Keywords：vectorhydrophone；phase；instantaneouscorrelationintegral；SNR　　0引言　　声矢量传感器可以在空间中共点、同步、独立获得声场中的声压和质点振速信息。不同于传统的声压水听器，单个矢量水听器即可实现对多个不相关信号波达方向角的无偏估计。基于以上特点，对声矢量传感器及其阵列系统的研究成为近些年来的热点，相继有很多相关研究成果发表[1?4]。　　在声矢量传感器的实际应用中

5、，由于制作工艺、放大量等原因，会造成其输出的声压、振速通道的幅度和相位的不一致，这会影响其方位估计的精度，因此在其工程应用之前都要对其进行不同频率灵敏度与相位的测定，从而进行相应的补偿[5?7]。　　本文针对声矢量传感器相位不一致的情况，提出了一种前置处理算法，通过利用瞬时相关积分方法使得各通道的信号保持一致，从而可以获得对于目标方位的估计，同时此方法还能有效提高信噪比。理论分析及仿真实验验证了算法的有效性。　　1矢量水听器方位估计方法　　1.1矢量水听器测量模型　　式中：[Re]表示取实部运算。由于在频域进行计算，能够将不同频率的信号区分开来，从而可以实现多

6、目标分辨。5　　以上方法中均假设矢量传感器各通道的相位是一致的，但在实际应用中，不可避免地会出现幅度及相位不一致的情况，此时将会对目标方位估计产生极大影响[7?8]。　　2瞬时相关积分算法　　瞬时相关积分法的处理增益与信号的平均功率、噪声的平均功率和带宽、短时积分时间长度等有关。其中，通过积分获得的增益恒为[10lg（Bt）]。当信号功率和短时积分时间长度不变时，总的处理增益随噪声功率增加而减小，亦即处理增益随输入信噪比降低而减小。　　3仿真分析　　对本文提出的算法进行仿真分析。仿真条件：发射的CW信号频率为4kHz，信号脉宽[T=]0.2s，系统的采样频率[

7、fs=]40kHz。　　从图2中可以明显看出，经过了瞬时相关积分，噪声得到了有效抑制，信噪比得到了明显提高。　　分析算法对声矢量传感器方位估计的有效性不失一般性，仅考虑水平方向上的方位估计。假设两声压通道[Vx，][Vy]的幅度增益均为1，目标的角度[θ]分布在（0°，90°）范围内，两声压通道的相位差[Δφ]分布在（0°，60°）范围内，其余条件与之前的实验相同。利用互谱法得到的方位估计，直接计算得到的方位估计误差用[e1]表示，经过瞬时相关积分后得到的角度估计误差用[e2]表示，进行200次蒙特卡罗仿真，得到的结果如表1所示。　　从表1中可以看出，直接算法

8、的误差随着相位差的增大而增大，在相同条