（水聲工程專業(yè)論文）基于矢量水聽器自適應(yīng)本艦噪聲抵消技術(shù)研究.pdf

西北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文a b s t r a c t a b s t r a c t c o m p a r e dw i t ht h ep r e s s u r eh y d r o p h o n e ，v e c t o rs e n s o r sh a v em a n ya d v a n t a g e s i n t h i sd i s s e r t a t i o n ，w es t u d yd i r e c t i v i t yo fa c o u s t i cv e c t o rs e n s o rt or e s e a r c ht h e m e t h o do fc a n c e l i n gv e s s e ln o i s et h a tb a s e do nt o w e dv e c t o rs e n s o r s t h ed i p o l ea n d p r e s s u r e 、v i b r a t i o nv e l o c i t yc o m b i n e dd i r e c t i v i t yo fs i n g l ev e c t o rs e n s o ra r es t u d i e d a n dt h ec h a r t so ft h ed i r e c t i v i t ya r ed r a w nb yu s i n gt h er e a l d a t a f o rr e s o l v i n gt h e p r o b l e mo fc a n c e l i n gv e s s e ln o i s e ，t h es y s t e mo fa d a p t i v ev e s s e ln o i s ec a n c e l i n gb y t o w e dv e c t o rs o n a rp r e s e n t sb a s e do np i c k i n g u pt h en o i s es i g n a lb yu s i n ge n d f i r e b e a m f o r m i n go fv e c t o rs e n s o r t h e r e f o r e ，a d a p tn o i s ec a n c e l i n gi su s e dt or e s o l v et h e p r o b l e mo fc a n c e l i n gv e s s e ln o i s es u c c e s s f u l l y a l lt h em e t h o d sa r ev e r i f i e db y c o m p u t e rs i m u l a t i o n sa n dr e a l d a t ap r o c e s s i n g t h em a i nc o n t e n tc a nb eo u t l i n e da s f o l l o w s ： t h ef i r s tc h a p t e ri sa ni n t r o d u c t i o n i n t r o d u c er e s e a r c h e sa b o u tv e c t o rt r a n s d u c e r a n dv e s s e ln o i s ec a n c e l i n gb o t hn a t i v ea n df o r e i g n i nt h es e c o n dc h a p t e r , w es t u d yt h ew o r k i n gp r i n c i p l eo ft h ev e c t o rt r a n s d u c e r m a i n l yt h ec a l c u l a t i o nm o u l d 、r e c e i v i n gs i g n a lm a t h e m a t i cm o u l d 、a z i m u t hc a l c u l a t i o n a n dt h e n ，w es t u d yt h ev e c t o rt r a n s d u c e rb e a m f o r m i n ga l g o r i t h mf o rd i p o l ea n d p r e s s u r e 、v i b r a t i o nv e l o c i t yc o m b i n e dd i r e c t i v i t y t h et h i r d c h a p t e ri n t r o d u c e s t h em e t h o do fa d a p t i v e s i g n a lp r o c e s s i n g ， e s p e c i a l l yt h em a t h e m a t i cm o d e la b o u tl m sa n da d a p t i v en o i s ec a n c e l i n g t h ef o r t hc h a p t e rs t u d i e st h et i m e f r e q u e n c yc h a r a c t e ro ft h ev e s s e ln o i s e ， i n t r o d u c et h em e t h o d so fn o r m a ln o i s ec a n c e l i n ga n dv e s s e ln o i s ec a n c e l i n g t h ef i f t hc h a p t e rp r e s e n t st w om e t h o do fv e s s e ln o i s ec a n c e l i n gb yu s i n gt h e t o w e dv e c t o rs e n s o r se a c hb a s e do nt w oc h a r a c t e r so f t h ev e c t o rs e n s o r s i nt h es i x t hc h a p t e r , t h es y s t e mo fa d a p t i v ev e s s e ln o i s ec a n c e l i n gb yt o w e d v e c t o rs o n a ra r ep e r f o r m e du s i n ge x p e r i m e n t a ld a t ac o l l e c t e df r o ml a k ea n dc i s t e r n e x p e r i r n e n t i ns e v e n t hc h a p t e r , s u m m a r i z et h ew o r ko ft h i sd i s s e r t a t i o na n ds o m e s u g g e s t i o n sa r ea d v a n c e d i ns u m m a r y , i nt h i sd i s s e r t a t i o ni t i sp r o v e db yt h e o r yd e d u c i n g 、c o m p u t e r s i m u l a t i o n sa n dr e a l d a t ap r o c e s s i n gt h a tt h es y s t e mo fa d a p t i v ev e s s e ln o i s e c a n c e l i n gb yt o w e ds o n a rc a nc a n c e l i n gt h ev e s s e ln o i s ea n da d v a n c et h ed o a r d i r e c t i o n o f - a r r i v a l ) p r e c i s i o no f 血et o w e d v e c t o rs o n a r k e yw o r d s ：v e c t o rh y d r o p h o n e ，b e a mf o r m ，a d a p t i v es i g n a lp r o c e s s i n g ，n o i s e c a n c e l i n g ，s i g n a lp r o c e s s i n g i i 兩北工業(yè)大學(xué)碩j ：學(xué)位論文 第一章緒論 1 1 引言 第一章緒論 第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束以后，世界各國(guó)的軍事專家都認(rèn)識(shí)到，對(duì)制海權(quán)的控制 在未來戰(zhàn)爭(zhēng)中有著舉足輕重的作用，潛艇等一些艦船技術(shù)得到飛速的發(fā)展。所以， 對(duì)于低信噪比的條件下的信號(hào)處理便成為了現(xiàn)代水聲所要解決的主要問題之一。 由于聲壓水聽器陣能夠直接有效的提高水聲系統(tǒng)對(duì)微弱信號(hào)的檢測(cè)能力，從六十 年代開始，國(guó)外開始使用拖曳陣便是成功的典范。這些水聽器陣?yán)迷龃箨嚵锌?徑來提高陣增益，有效地實(shí)現(xiàn)了對(duì)目標(biāo)的檢測(cè)和定位。但是由于水下目標(biāo)隱身技 術(shù)的發(fā)展，從上世紀(jì)五十年代以來的五十多年中，潛艇的輻射噪聲級(jí)大約降低了 3 5 分貝，潛艇的目標(biāo)強(qiáng)度也由于吸聲材料和消聲瓦的使用降低了大約1 0 分貝， 并且其工作頻率不斷的降低。出于對(duì)水下目標(biāo)檢測(cè)距離要求的不斷提高，使得聲 壓水聽器只能在繼續(xù)增大陣列孔徑的情況下，才能有效地對(duì)目標(biāo)進(jìn)行估計(jì)，然而 陣列孔徑的增大卻帶來一系列問題，如成本的加大，需要處理的數(shù)據(jù)量變大等問 題，但是最主要的問題還是工程實(shí)現(xiàn)的問題。例如如果要檢測(cè)2 0 h z 的線譜輻射， 傳統(tǒng)的聲壓水聽器基陣的尺寸將達(dá)到數(shù)公里長(zhǎng)，這在實(shí)際應(yīng)用中是很難實(shí)現(xiàn)的。 并且由于目標(biāo)強(qiáng)度的不斷降低，拖曳陣接收到的有用信號(hào)往往會(huì)被淹沒在本艦強(qiáng) 噪聲中，利用聲壓水聽器陣的信號(hào)處理技術(shù)已經(jīng)不能有效的抑制本艦噪聲的干 擾。這些問題的存在就需要我們選擇更好的處理方法解決這些問題。 1 2 研究的歷史和現(xiàn)狀 矢量水聽器( v e c t o rh y d r o p h o n e ) 是一種不但能夠測(cè)量聲場(chǎng)中的聲壓信號(hào)還 能測(cè)量聲場(chǎng)中質(zhì)點(diǎn)振速信號(hào)的接收換能器。它由聲壓水聽器與直接或間接測(cè)量振 速的傳感器等以不同方式同心的組合而成。單個(gè)小尺度矢量水聽器就可具有不隨 頻率變化的“8 ”字形或心臟形指向性，因此由它構(gòu)成的矢量陣與傳統(tǒng)的聲壓水 l 西北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章緒論 聽器陣相比，相同尺寸的矢量陣可以獲得更大的空間增益。換句話說，要得到相 同的空間增益，用矢量水聽器成陣，將大大減小陣的尺寸。將矢量水聽器陣應(yīng)用 到艦船拖曳陣聲吶中，由于矢量水聽器不受頻率變化的影響，因此用矢量水聽器 代替聲壓承昕器在有效的減小拖曳陣尺寸的同時(shí)還可以使工作頻率達(dá)到很低，并 且還能夠得到比聲壓水聽器更高的信噪比。 矢量水聽器一般由聲壓水聽器和振速水聽器復(fù)合而成，可以共點(diǎn)、同步、獨(dú) 立地測(cè)量聲場(chǎng)空間一點(diǎn)處的聲壓和質(zhì)點(diǎn)振速的各正交分量。盡管上述思想早在 】9 3 2 年奧爾森【1 l 就已經(jīng)提出，但是技術(shù)和工藝上的諸多障礙限制了矢量水聽器的 工程應(yīng)用和進(jìn)一步推廣。矢量水聽器的相關(guān)研究只是近幾十年來才在世界范圍內(nèi) 呈現(xiàn)興起之勢(shì)。以前阻礙矢量水昕器在水聲工程中發(fā)展的最大的障礙是無法在水 介質(zhì)中對(duì)微弱的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度進(jìn)行高精度的測(cè)量，隨著工藝和技術(shù)的發(fā)展，1 9 9 0 年前后在世界上出現(xiàn)了可以在水聲工程中使用的商性能矢量水聽器。關(guān)于矢量水 聽器的研究，美國(guó)和俄羅斯處于領(lǐng)先地位。 早在4 0 年代，美國(guó)己研制出聲壓梯度矢量水聽器；7 0 年代，已將矢量水聽器 成功應(yīng)用于聲吶浮標(biāo)中。還探索矢量水聽器應(yīng)用到拖曳線列陣聲基陣，以便用聲 強(qiáng)流矢量方向來分辨耳標(biāo)位于陣的左右舷，甚至探索用振速水昕器陣來代替舷側(cè) 陣聲吶的水聽器陣。目前，已開展了艦殼矢量陣、線狀矢量陣和平面矢量陣的研 究。早在上世紀(jì)八十年代前蘇聯(lián)就開始了拖曳矢量線列陣聲吶的研制，目前俄羅 斯的矢量水聽器技術(shù)己在海岸預(yù)警聲吶、海洋環(huán)境噪聲測(cè)量和水雷聲引信等多個(gè) 方面得到了應(yīng)用。s h c h u r o vv a 4 1 等俄國(guó)專家在聯(lián)合信號(hào)處理方面進(jìn)行了大量的 研究，從他們發(fā)表的文章看他們主要集中在海洋環(huán)境噪聲場(chǎng)的物理基礎(chǔ)方面。 1 9 9 8 年，h a w k e s p 指 ，以組合傳感器取代傳統(tǒng)的聲壓傳感器組成陣列，可以減 小波陣面方向估計(jì)誤差，這主要決定于以下兩點(diǎn)：1 ) 由于組合傳感器有四路輸出， 與陣元數(shù)目相同的聲壓傳感器陣列相比較，組合傳感器陣可獲得四倍數(shù)目的輸出 信號(hào)，從而能夠更精確地估計(jì)陣元間的相位延遲，有效提高信噪比：2 ) 單個(gè)組合 傳感器的輸出本身己蘊(yùn)含了空間目標(biāo)的方向信息。 目前，美國(guó)和俄羅斯在矢量水聽器研制應(yīng)用方面處于領(lǐng)先地位。在美俄兩國(guó)， 性能穩(wěn)定的矢量水聽器已進(jìn)入工程應(yīng)用階段【2 】【3 1 ，由于壓電陶瓷在水聲史上的統(tǒng) 西北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章緒論 治地位，以及壓電加速度計(jì)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)，因而美俄兩國(guó)研制 的矢量水聽器多是基于壓電加速度計(jì)原理的慣性矢量水聽器，而對(duì)于振速水聽器 的研究相對(duì)較少。在我國(guó)對(duì)于矢量水聽器的研究則起步較晚?！捌呶濉逼陂g曾展 開過偶極子水昕器在航空定向聲吶浮標(biāo)應(yīng)用上的研制工作，“八五”期問開展了 利用聲壓梯度水聽器進(jìn)行聲強(qiáng)測(cè)量、矢量水聽器及基陣在魚雷報(bào)警等方面的研 究。1 9 9 6 - 1 9 9 7 年，哈爾濱工程大學(xué)的賈志富教授成功研制了同振球型矢量水聽 器和雙迭片式不動(dòng)外殼型矢量水聽器。同時(shí)哈爾濱工程大學(xué)惠俊英教授帶領(lǐng)著他 的學(xué)生在俄制三維同振型矢量水聽器試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，針對(duì)聯(lián)合信息處理 方面開展了大量的研究工作。2 0 0 0 年左右西北工業(yè)大學(xué)航海工程學(xué)院的多名教授 也開始在壓差式矢量水聽器的理論和應(yīng)用方面進(jìn)行了大量的研究，其中趙俊渭教 授已經(jīng)把單矢量水昕器應(yīng)用于某型智能深水炸彈的領(lǐng)域。從大量文獻(xiàn)和國(guó)內(nèi)外發(fā) 表論文來看，我們國(guó)家的水聲科研機(jī)構(gòu)和各大水聲相關(guān)的院校、研究所都開始對(duì) 矢量水聽器進(jìn)行研究和探索。但在工程中比較成熟的應(yīng)用還非常少。 與矢量水聽器相應(yīng)的，一種新的水聲信號(hào)處理技術(shù)一聲壓、振速聯(lián)合信息處 理技術(shù)( s i g n a lp r o c e s s i n gt e c h n o l o g yf o rp r e s s u r e p a r t i c l ev e l o c i t yc o m b i n e d ) 應(yīng)運(yùn) 而生。眾所周知，聲波兼有標(biāo)量場(chǎng)和矢量場(chǎng)，它們都含有目標(biāo)和環(huán)境的信息。而 自1 9 1 7 年法國(guó)物理學(xué)家郎之萬研制出了第一個(gè)壓電換能器至今，幾乎所有的聲 吶系統(tǒng)使用的水昕器都只是拾取聲場(chǎng)的標(biāo)量信息一聲壓，陣處理也僅處理聲壓 p ( i ) 及其變換域信息，即在相空間切 進(jìn)行處理，聲波的矢量信息卻被忽略了。 聲傳播牽涉到能量的流動(dòng)，聲功率是聲能量輻射的速率，即單位時(shí)間內(nèi)輻射 出的能量。聲強(qiáng)是聲場(chǎng)中某一點(diǎn)上單位面積通過的能量流( 聲功率) 。由于可能在 聲場(chǎng)的某些方向上有能量流，而另一些方向上沒有，所以聲強(qiáng)也能測(cè)度方向，它 是一個(gè)矢量。有功場(chǎng)中存在能量流，在純粹的無功場(chǎng)內(nèi)不存在能量流。一般說來 聲場(chǎng)中既有有功成分又有無功成分，其無功成分與功率反射無關(guān)，所以在無功場(chǎng) 中用聲壓測(cè)量來確定聲功率是不可靠的。然而聲強(qiáng)反映能量流，聲場(chǎng)中的無功成 分對(duì)聲強(qiáng)是沒有貢獻(xiàn)的，所以我們可以采用聲強(qiáng)測(cè)量法來獲得聲功率。 聲強(qiáng)測(cè)量能夠描繪聲源輻射噪聲的空間傳播途徑和在噪聲背景中進(jìn)行聲源 定位。聲強(qiáng)測(cè)量技術(shù)在水聲中的地位日益突出，傳統(tǒng)的均方聲壓法有其適用條件， 兩北工業(yè)大學(xué)碩f 擘位論文第一章緒論 即只有在平面行波場(chǎng)中，聲壓和振速的相位重合的情況下，刁可用，= ( p ) 2 肛這 個(gè)近似值來表征聲強(qiáng)；而雙水昕器互譜法又存在原理誤差；通道一致性尤其是測(cè) 量系統(tǒng)相位一致性條件較難滿足。這就促使新的測(cè)量裝置和新的信息處理方法 聲矢量水聽器及聯(lián)合信息處理技術(shù)的誕生。 矢量水聽器以及其基陣段可同時(shí)共點(diǎn)地獲取聲壓和振速信息，因此矢量陣信 息處理可以分別在以下的相空間掃) 、伽2 j ： v 、 v 2 j ； p ，v ) 、掃，p v 、 v ，p v 、 ，v ，p v 中進(jìn)行處理，其中v 為質(zhì)點(diǎn)振速、p 2 為勢(shì)能、v 2 為動(dòng)能，p v 為聲強(qiáng)流。 多樣化的相空間意味著多種途徑實(shí)施信號(hào)處理。將系列近代信號(hào)處理的新技 術(shù)，如自適應(yīng)技術(shù)、小波分析、高階統(tǒng)計(jì)和高階譜分析等等，應(yīng)用于多種相空間 的聯(lián)合信號(hào)處理，可能會(huì)為水聲技術(shù)帶來變革。 縱觀上述，對(duì)于現(xiàn)代聲吶技術(shù)而苦，矢量水聽器及聯(lián)合信號(hào)處理具有潛在的 巨大發(fā)展空f h j ，它作為種適應(yīng)新時(shí)代需要的水聲技術(shù)已是呼之欲出。 1 3 研究的目的和意義 噪聲抵消是信號(hào)處理技術(shù)中的一個(gè)重要方面，常用的傳統(tǒng)方法是采用時(shí)域平 均( 相關(guān)法) 或頻域?yàn)V波，近年來，由于信號(hào)處理領(lǐng)域的新理論，新技術(shù)不斷涌現(xiàn)， 為噪聲抵消提供了更多的途徑：例如子波變換方法，高階統(tǒng)計(jì)量方法，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 方法，時(shí)頻分析方法等等。無疑，上述方法都可在不同情況下，不同程度地改善 信噪比，但都又具有一定的局限性。如時(shí)域相關(guān)法理論上只在頻域附加一個(gè)常量， 而實(shí)際上是變化著的毛刺，嚴(yán)重時(shí)將淹沒實(shí)際頻率頻譜：濾波方法可以去除某頻 率范圍的噪聲，但是對(duì)于與信號(hào)頻帶相混的部分噪聲則無法去除：高斯噪聲( 有些 高階譜也對(duì)對(duì)稱分布噪聲) 抵消有效，但噪聲并不只是這兩種形式，而且水聲信 號(hào)一般都是非高斯的。 對(duì)于拖曳式聲吶本艦噪聲的抵消，其實(shí)就是對(duì)于特定方向的噪聲抵消。其拖 線陣遠(yuǎn)離拖船，因此本艦噪聲可以近似簡(jiǎn)化為平面波干擾模型。平面波干擾的抵 消既可以通過矩陣濾波在形成波束之前的陣處理中實(shí)現(xiàn)，也可以利用輔助陣參考 波束在波束形成之后的時(shí)域中實(shí)現(xiàn)。但是本艦噪聲抵消技術(shù)，無論是理論研究還 4 西北工業(yè)j ： _ = 學(xué)碩七學(xué)位論文 第一章緒論 是實(shí)際運(yùn)用，目前都遠(yuǎn)未成熟。它存在如下兩個(gè)方面的困難：首先是噪聲場(chǎng)本身 的復(fù)雜性，接收到的本艦噪聲既受到拖線陣特性( 如拖纜長(zhǎng)度、基陣波束圖等) 的影響，又受到工作海區(qū)條件( 如水域深度、海底海面特征等) 的影響；其次是實(shí) 際的可行性，作寬頻帶的本艦噪聲抵消時(shí)存在算法收斂性的問題，實(shí)際應(yīng)用中還 要考慮工作性能、復(fù)雜程度和成本等。國(guó)內(nèi)外有關(guān)專家曾嘗試用過最小方差無畸 變響應(yīng)波束形成系統(tǒng)進(jìn)行本艦噪聲的抵消。該方法屬于最佳陣處理的范疇，由于 它采用常規(guī)波束輸出作為期待響應(yīng)，故有時(shí)也稱為廣義旁瓣抵消器。這種方法結(jié) 構(gòu)復(fù)雜，性價(jià)比不高，而且對(duì)寬帶的本艦噪聲抵消效果也不像期待的那樣理想。 有人研究了水平拖曳雙線列陣相減處理對(duì)本艦噪聲的抑制作用，雙線列陣?yán)门?極子原理，在線列陣端射方向形成一個(gè)凹槽，可以有效抑制來自本艦端射方向， 經(jīng)過海洋信道影響的多途噪聲信號(hào)。還有人提出用頻域自適應(yīng)的方法，間接的實(shí) 現(xiàn)寬帶的噪聲抵消，這種復(fù)雜的結(jié)構(gòu)同樣有性能價(jià)格比的問題。本文結(jié)合拖曳陣 本艦噪聲的特點(diǎn)，通過對(duì)利用矢量水聽器聲壓、振速聯(lián)合信息處理技術(shù)的研究， 通過對(duì)矢量水聽器陣作波束形成，引進(jìn)自適應(yīng)濾波中的自適應(yīng)噪聲抵消技術(shù)對(duì)本 艦噪聲進(jìn)行抵消，從而提高拖曳陣的定向精度。 1 4 本文研究的內(nèi)容和結(jié)構(gòu) 本論文主要是圍繞基于矢量水聽器的艦船拖曳陣聲吶的測(cè)向問題而展開研 究工作的，研究的主要任務(wù)是艦船拖曳式聲吶對(duì)本艦噪聲干擾抑制從而提高定向 精度的問題。 第一章主要介紹了所研究問題的歷史、現(xiàn)狀以及研究意義。介紹了國(guó)內(nèi)外在 矢量水聽器方面的研究現(xiàn)狀，同時(shí)簡(jiǎn)單介紹了國(guó)內(nèi)對(duì)矢量水聽器的研究情況，簡(jiǎn) 要介紹了常用的本艦噪聲抵消的幾種方法。 第二章從工作原理和理論上對(duì)同振型和壓差型兩種矢量水聽器進(jìn)行了分析。 對(duì)本文所應(yīng)用到的壓差式矢量水聽器工作原理、接收信號(hào)模型、方位角的計(jì)算方 法進(jìn)行了詳細(xì)的推導(dǎo)；對(duì)矢量水聽器聲壓、振速信號(hào)的指向性以及波束形成原理 進(jìn)行了深入的研究。 第三章對(duì)自適應(yīng)信號(hào)處理算法進(jìn)行了介紹。該章從自適應(yīng)信號(hào)處理算法基本 5 西北工業(yè)丈學(xué)碗i 學(xué)位論文第一章緒論 知識(shí)入手，對(duì)自適應(yīng)信號(hào)處理算法的原理、算法的特點(diǎn)等作了比較全面的介紹并 對(duì)l m s 算法進(jìn)行了深入研究，并對(duì)基于該算法的精度、穩(wěn)定性、誤差等進(jìn)行分析。 最后介紹了自適應(yīng)抵消器的原理及特性。 第四章研究了艦船噪聲信號(hào)的時(shí)頻特性，建立了噪聲的信號(hào)模型，簡(jiǎn)要對(duì)常 規(guī)的噪聲抑制方法進(jìn)行了介紹，并針對(duì)本艦噪聲抑制方面介紹了幾種典型的理論 與方法。 第五章針對(duì)矢量水聽器的空間方位特性和接收信號(hào)的矢量特性提出了兩種 基于矢量水聽器的拖曳陣聲吶本艦噪聲抑制的方法，并對(duì)本文主要運(yùn)用的自適應(yīng) 本艦噪聲抵消系統(tǒng)進(jìn)行了深入研究和詳盡的推導(dǎo)。 第六章對(duì)第五章提出了自適應(yīng)本艦噪聲抵消系統(tǒng)進(jìn)行了仿真研究，最后對(duì)消 聲水池和馮家山水庫采集的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析。 第七章是全文總結(jié)，指出了本文的重點(diǎn)和創(chuàng)新，同時(shí)也指出了本文工作還需 要繼續(xù)努力的地方。 1 5 本章小結(jié) 本章闡述了本文的研究意義，對(duì)矢量水聽器技術(shù)的發(fā)展以及國(guó)內(nèi)外研究的成 果和現(xiàn)狀作了比較詳細(xì)的介紹。對(duì)于一般情況下的噪聲抵消，特別是艦船拖曳式 聲納對(duì)本艦噪聲信號(hào)的抵消的研究現(xiàn)狀以及常規(guī)的噪聲抵消方法進(jìn)行了介紹。最 后對(duì)本文各章節(jié)的內(nèi)容作了簡(jiǎn)要的介紹。 6 西北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章矢量東聽器 第二章矢量水昕器 矢量水聽器與傳統(tǒng)聲壓水聽器相比較最大的特點(diǎn)是：它能夠測(cè)量聲場(chǎng)中振速 這一矢量信號(hào)。矢量水聽器按照其與聲場(chǎng)的相互作用方式可以分為同振型和壓差 型矢量水聽器。本章就這兩種矢量水聽器的工作原理和信號(hào)模型分別進(jìn)行分析。 矢量水聽器按照其所測(cè)量的物理量的不同可以分為聲壓梯度水昕器、位移水 聽器、振速水聽器和加速度水聽器；按其與聲場(chǎng)的相互作用方式可分為壓差型( 也 叫壓差式) 和同振型( 也叫慣性型) 水昕器；按照換能原理可分為壓電式、電動(dòng)式、 電磁式、磁致伸縮式、電容式和光纖式；按照維數(shù)可分為一維、二維、三維矢量 水聽器。 根據(jù)水聽器與聲場(chǎng)的相互關(guān)系，矢量水聽器可以分為三大類：雙聲壓水聽器 型、外殼靜止型和同振型。雙聲壓水聽器型矢量水聽器，如圖2 1 ( a ) ，是仿照 空氣聲學(xué)中的“雙傳聲器”而構(gòu)成的。它由兩個(gè)復(fù)數(shù)靈敏度( 幅值及相位的頻率 響應(yīng)) 已知并且相同的聲壓水昕器組成。水聽器聲中心之間的距離遠(yuǎn)小于相應(yīng)最 高測(cè)量頻率的聲波波長(zhǎng)。利用有限差分近似，由兩個(gè)水聽器輸出電壓差信號(hào)，可 計(jì)算出水聽器聲中心連線中點(diǎn)處的聲壓梯度或質(zhì)點(diǎn)振速值。本論文試驗(yàn)中所用到 的就是二維壓差式矢量水聽器。 外殼靜止型矢量水聽器，如圖2 1 ( b ) ，是在大質(zhì)量金屬外殼或框架上安裝 敏感元件( 例如壓電陶瓷片) ，當(dāng)水聽器置于聲場(chǎng)中時(shí)，外殼對(duì)聲波呈現(xiàn)高的聲 阻抗，即在聲場(chǎng)作用下外殼或者框架“巋然不動(dòng)”可以近似看作是靜止?fàn)顟B(tài)，而 敏感元件直接受到聲場(chǎng)的作用。使其發(fā)生形變，實(shí)現(xiàn)聲一電轉(zhuǎn)換。 與靜止外殼型不同，對(duì)于同振型矢量水聽器，如圖2 1 ( c ) ，聲波不直接作 用于敏感元件上。敏感元件置于球( 或柱面) 形殼體內(nèi)。而球( 或柱面) 體作振 蕩運(yùn)動(dòng)。如果使敏感元件在慣性力的作用下發(fā)生形變，便可實(shí)現(xiàn)聲一電轉(zhuǎn)換。 西北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文第二章矢量水昕器 水聽器1 ( a ) 雙聲壓水聽器 雁粱 1 ( b ) 外殼型靜止水昕器 彈簧 ( c ) 同振型矢量水昕器 圖2 1 矢量水聽器的類型 我們常用的是壓差式和同振型這兩種類型的矢量水聽器，雖然這兩種水聽器 的原理不同，但其響應(yīng)信號(hào)都是聲場(chǎng)中質(zhì)點(diǎn)振速在其軸上的投影分量，因此都具 有c d j p ) 形式的指向性，且該指向性與頻率無關(guān)，因此在低頻條件下它同樣具有 該指向性。所以單個(gè)矢量水聽器就可以用來測(cè)量輻射低頻聲波的目標(biāo)的方位，并 且可以使基陣尺寸很小。而聲壓水聽器陣則需要大孔徑才能有效地對(duì)低頻信號(hào)進(jìn) 行檢測(cè)。 與傳統(tǒng)的聲壓水昕器相比，矢量水聽器主要有如下優(yōu)點(diǎn)： 西北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 第_ - 二章矢量水聽器 ( 1 ) 能夠只利用單個(gè)水聽器對(duì)目標(biāo)進(jìn)行定向，而且在一定條件下與目標(biāo)源的頻 率范圍無關(guān)； ( 2 ) 具有很高的抗干擾性： ( 3 ) 在小功率輻射時(shí)，采用低頻即可獲得水下目標(biāo)的遠(yuǎn)距離探測(cè)； ( 4 ) 可以很好的去除常規(guī)均勻線陣的左右舷模糊問題。 ( 5 ) 與傳統(tǒng)的探測(cè)設(shè)備相比，在相同的技戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)條件下，減小了重量和尺寸。 綜合以上的優(yōu)點(diǎn)，使得矢量水聽器的應(yīng)用比聲壓水聽器更為廣泛?，F(xiàn)在水中 目標(biāo)的輻射噪聲級(jí)和頻率都越來越低，如果對(duì)這種低頻弱信號(hào)進(jìn)行探測(cè)，聲壓水 聽器陣的尺寸會(huì)相當(dāng)大，工程實(shí)現(xiàn)起來非常困難；而如果使用矢量水聽器就可以 避免這些問題減少成本。 2 1 同振型矢量水聽器 同振型矢量水聽器也稱作慣性矢量水聽器，其外殼與水聽器周圍的聲學(xué)介質(zhì) 同步振動(dòng)，也就是說同振型矢量水昕器的外殼就是其接受元件，圖2 2 為其實(shí)物 圖，下面就同振型矢量水聽器的結(jié)構(gòu)和工作原理進(jìn)行介紹。 圖2 2 同振型矢量水聽器結(jié)構(gòu)圖 2 1 1 同振型矢量水聽器的結(jié)構(gòu) 對(duì)于同振型的矢量水聽器，聲波并不直接作用于敏感元件上，而是通過水聽 9 西北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章矢量水聽器 器運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的慣性引起殼體內(nèi)的敏感元件發(fā)生變化，通過記錄下這一運(yùn)動(dòng)信息測(cè) 量聲場(chǎng)中質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)。圖2 3 為其剖面圖： 圖2 3 同振型矢量水聽器剖面圖 從圖中可以看到，它由外殼m 。、內(nèi)置的換能器q 和m ，、固定于外殼上的柔性連 接元件c 。組成。柔性連接c l 是這種水聽器的關(guān)鍵元件， 它要求有很好的柔性， 以保證水聽器工作原理的實(shí)現(xiàn)。連接元件的柔性能保證水聽器各通道的正常工 作，并使外殼與其他的元件作為一個(gè)完整的水聽器。連接元件柔性的減少將導(dǎo)致 喪失水聽器的可動(dòng)性，此時(shí)水昕器就變成了普通的聲信號(hào)接收器。因此，連接元 件的特性在很大程度上決定著水昕器的頻率特性。同振型矢量水昕器還要求其殼 體的幾何中心與整體的中心重合，以保證矢量水聽器整體在聲場(chǎng)中滿足柔性安裝 條件時(shí)，處于中性浮力狀態(tài)，從而可以將矢量水聽器的整體視為介質(zhì)中的質(zhì)點(diǎn)， 于是矢量水聽器殼體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)即反映了其幾何中心處質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)狀態(tài)。 2 1 2 同振型矢量水聽器的工作原理 同振型矢量水聽器的殼體與聲學(xué)介質(zhì)的粒子同步振動(dòng)，這就會(huì)引起殼體內(nèi)敏 感元件產(chǎn)生形變，敏感元件就可以將水聽器的振動(dòng)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，從而記錄下聲 場(chǎng)中質(zhì)點(diǎn)的位移、振速、加速度等信息。水聽器殼內(nèi)的換能器并不與聲場(chǎng)中的介 質(zhì)接觸，這與傳統(tǒng)的聲壓水聽器不同，它記錄的是矢量水聽器殼體在空間上的位 1 0 西北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文第二章矢量水聽器 移、速度或加速度，因此同振型矢量水聽器的關(guān)鍵技術(shù)就是要使殼體與介質(zhì)的振 動(dòng)完全相同，這樣敏感元件記錄下的水聽器的位移、振速、加速度信息即為聲場(chǎng) 的信息。下面我們來分析一下同振型矢量水聽器在滿足什么條件下可以與聲場(chǎng)中 的介質(zhì)振動(dòng)相一致。 如圖2 2 所示，處于液體( 假設(shè)其密度為島) 中的剛性球體( 平均密度為p ) ， 隨著液體的運(yùn)動(dòng)而振動(dòng)，若用v 表示球的速度，k 表示液體的速度，則在液體中 質(zhì)點(diǎn)振速幅度值為k 的平面波聲場(chǎng)中，剛性球的振速礦可由以下公式表示( 該公 式由美國(guó)人在1 9 5 6 年推導(dǎo)6 1 ) ： 礦 一= 3 , 0 0 ( 2 p + 展) 2 + ( 2 p + 島) ( 砌) 2 + ( 蛔) 4 j ： 絲：(2-1) ( 2 q + 1 ) 2 + ( 2 9 + 1 ) ( 加) 2 + q 2 ( 勛) 4 下 其中以為同振型矢量水聽器的半徑，k = 2 叫五為波數(shù)，g = p p o ，妒為v 和k 之 間的相位差，且有： 一聃一l 然l + 2 q - q ( k a ) j z ，。 【 2 j 、 當(dāng)k a 1 ，式( 2 1 ) 和( 2 2 ) 可分別化簡(jiǎn)為： 曇：三( 2 - 3 ) 2 口+ 1 口“0( 2 - 4 ) 可見只有當(dāng)c a “1 且礙“1 時(shí)，才有v * 。也就是說，只有當(dāng)同振型矢量水聽器 的半徑口 2 6 ( 五為平面波波長(zhǎng)) ，并且剛性小球的平均密度p 趨于介質(zhì)密度島 時(shí)，剛性小球的振速才會(huì)趨近聲場(chǎng)中介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的振速k ，并且平面波的相位與剛 性小球振動(dòng)相位也一致。 西北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二蕈矢量水聽器 由文獻(xiàn)【4 】可知同振型矢量水聽器估計(jì)聲源的水平方位角和俯仰角分別為： 舭珊) = t a l l 巧i dy ( 麗r c o ) ( 2 5 ) 盼，班m 1 逝警 弘。， 式中，。，j 。為有功聲強(qiáng)，。在各坐標(biāo)軸的正交投影，為水平方位角，口為入射 波仰角，為頻率。 2 2 壓差式矢量水聽器 壓差式矢量水聽器不同于同振型矢量水聽器，它是由聲壓水聽器組成，首先 記錄下聲場(chǎng)中的聲壓信息，然后通過計(jì)算轉(zhuǎn)換為聲場(chǎng)中的振速信息。本文中的壓 差式矢量水聽器就是由四個(gè)完全致的聲壓水聽器組成的。本文的實(shí)驗(yàn)和項(xiàng)目研 究中，我們用到圈2 4 所示的二維壓差式矢量水聽器，具有4 路聲壓信號(hào)輸出， 通過4 路聲壓信號(hào)可得出壓差式矢量水聽器幾何中心處的振速。 下面我們來對(duì)壓差式矢量水聽器的計(jì)算模型、接收信號(hào)的數(shù)學(xué)模型、方位角 和俯仰角的計(jì)算進(jìn)行詳細(xì)的推導(dǎo)。 圖2 4 壓差式矢量水聽器的實(shí)物圖 西北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章矢量水聽器 2 2 1 目標(biāo)聲場(chǎng)振速與聲壓之間的關(guān)系 在介紹壓差式矢量水聽器的工作棘理之前，我們先對(duì)蘆場(chǎng)中蘆地和搬逯之1 日j 的關(guān)系進(jìn)行簡(jiǎn)要的推導(dǎo)，由n a v i e r s t o k e s 方程導(dǎo)出的線性聲學(xué)運(yùn)動(dòng)方程為 p 娶：一劬 p 瓦2 一嬸x 式中，p 為介質(zhì)密度，“為振速，p 為聲壓。由上式可以推得x 方向上的振速分 量“。，可以由x 方向上靠的很近的兩點(diǎn)( k a r l ，= 叫c ，是波數(shù)) 的聲壓值 p 。，p ：近似求得： ”去肛z 咽 ( 2 ，) 聲波沿。方向上的聲壓可以表示為： p g ，r ) = p o p 肛一“) ( 2 8 ) 式中p o 為聲壓的幅值：0 9 為聲波角頻率；t 為波數(shù)；c 為聲速。則聲壓梯度為： 叻：v p ：型掣：一 g p 。e 肛圳：一，譬p g ，f ) d x c 振速為： v = 弓脅= 吉腳“嘞= 瓦1 p ( m 吡去p 加速度為： 口。，r ) = 掣= 等p ( 一切= 等p p ，r ) = a w ( x ，r ) = 一去胛咖 可以看出，平面波聲場(chǎng)中p 、v 、v p 、口的相位存在圖2 5 所示的關(guān)系，即質(zhì)點(diǎn) 加速度的相位較聲壓和質(zhì)點(diǎn)振速超前9 0 。，聲壓梯度的相位則較質(zhì)點(diǎn)振速落后 西北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文第= 章矢量水聽器 圖2 5 聲壓、振速、加速度相位關(guān)系 2 2 2 單矢量水聽器計(jì)算模型 從圖2 4 可以看出，一個(gè)壓差式矢量水聽器可以看作是一個(gè)四元離散圓陣， 它是由兩個(gè)相互正交的偶極子組成的，其中四個(gè)陣元均為普通的聲壓水聽器。與 一般的聲壓水聽器陣所不同的是，四個(gè)陣元要具有相同的幅頻響應(yīng)。本文中我們 均假設(shè)四個(gè)聲壓水聽器完全一致。 如圖2 6 所示，四個(gè)基元1 ，2 ，3 ，4 分別位于坐標(biāo)軸上，規(guī)定y 軸代表零 度方向，順時(shí)針為正，0 為參考點(diǎn)，圓周半徑為r ，聲速為c ，信號(hào)頻率為，目 標(biāo)的方位角為0 。設(shè)基陣中心信號(hào)為： e o = a c o s ( 2 n y t l ( 2 9 ) 由于基陣與目標(biāo)的距離相對(duì)很遠(yuǎn)，所以目標(biāo)輻射噪聲可以被視為平面波，聲波到 達(dá)四個(gè)基元相對(duì)于到達(dá)基陣中心有超前或滯后。所以四個(gè)基元的輸出信號(hào)可以分 別表示為： 只= a i c o s 2 礦 ，一( r c ) s i n ( f 號(hào)一口) 】 i = 1 ，2 ，3 ，4( 2 1 0 ) 其中，a ，為信號(hào)幅度。可以假定a ，= a ( i = 1 , 2 ，3 ，4 ) ，則在低頻時(shí)，矢量水聽器 輸出的聲壓信號(hào)為： p = 鼻= 2 a c o s ( 2 n f l ) c o s 2 x ( f r c ) s i n o ) + c o s 2 x ( f r c ) c o s 8 i = 1 當(dāng)廠么 z 2 ，稱為波數(shù)，4 為聲壓振幅。通過數(shù)學(xué)三角關(guān)系和近似可以推導(dǎo) 出： p ：絲e j ( 日- k r + x 2 2 s i n ( 宴c 。s 臼) ( 2 2 3 ) rz 式( 2 ，2 3 ) 的前半部分p ：型8 腳一“表示圖3 1 中等效單極子的表達(dá)式 ， 但是幅度加倍，相位差萬2 。后半部分s i n ( 墼c 。s 臼) 說明聲壓隨方位角口做 s i n f 譬c 。s 臼 函數(shù)變化。其最大值出現(xiàn)在口= 。處，此時(shí)s i n ( 譬c 。s 臼) = s i n ( 譬) 因此偶極子歸一化指向性的一般表達(dá)式為： rp)=sin(k麗d。coso2)sin ( 2 ，2 4 ) i 版，zj 西北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章矢量水聽器 yj 彩 0、。 _l- 圖2 9 偶極子模型 不失一般性，假設(shè)矢量水昕器是一個(gè)線性系統(tǒng)，通過分析寬帶白噪聲通過線 性系統(tǒng)的響應(yīng)，來分析矢量水聽器的頻率響應(yīng)可知：偶極子在很寬的頻帶內(nèi)都能 夠形成正交指向性，其前提條件是輸入信號(hào)的最高頻率緲。滿足功。d c 1 ：全 向輸出靈敏度不隨頻率變化，偶極子輸出靈敏度隨頻率降低以每倍頻程6 d b 下 降；寬帶信號(hào)經(jīng)偶極子輸出后，頻譜結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變化：在偶極予工作的頻段內(nèi)， 全向輸出與偶極子輸出相位相差萬2 。 2 3 2 單矢量水聽器波束形成及指向性分析 矢量水聽器的各振速分量和各聲能流分量具有偶極子指向性，它們的指向性 是雙邊的。對(duì)于平面波聲場(chǎng)，聲壓和振速完全相關(guān)；各向同性噪聲場(chǎng)中，聲壓振 速是相互獨(dú)立的。基于這些特點(diǎn)，在二維情況下，若目標(biāo)信號(hào)為x 婦) ，矢量水聽 器的輸出b ，v ，v ，) 有如下的關(guān)系： fp t o = x o ) + ( f ) v ，o ) = x o ) c o s 口+ 1 2 0 ) ( 2 2 5 ) 【如0 ) = x ( t ) s i n 口+ n 3 ( ，) 式中，行 行： 瑪( f ) 為各向同性的背景噪聲。穢為目標(biāo)方位角，以x 軸方向 為口零度。對(duì)于一個(gè)完整的矢量水聽器測(cè)量系統(tǒng)可獲得聲壓和質(zhì)點(diǎn)振速分量的聲 場(chǎng)信號(hào)。根據(jù)這些信息，可以得到如下聲壓、振速信號(hào)多種聯(lián)合處理譜分析矩陣。 1 q 西北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二二章矢 量水聽器 | 剮蚓r i 學(xué)j _ 以州r i 學(xué)h 地屹h l 學(xué)i _ ( 2 2 6 ) 如果把矩陣中的每個(gè)元素看作是一種傳感器的輸出，那么，我們就相當(dāng)于得到了 一個(gè)多功能傳感器矩陣。在這里我們僅討論振速分量的組合指向性以及聲壓、振 速分量的組合指向性。下面我們進(jìn)行詳細(xì)的推導(dǎo)。 1 ) 振速分量波束形成及電子旋轉(zhuǎn) 構(gòu)造振速分量v ，v ，的線性組合v 。，v ，為 v 。o ) = v 。( f ) c o s y + v ，( t ) s i n g t = x ( t ) e o s ( o ) v ，o ) = 一v ，( t ) s i n + v ，( t ) c o s u = x ( t ) s i n ( o 一) ( 2 2 7 ) ( 2 2 8 ) 其中稱為引導(dǎo)方位角，式中：妒稱為引導(dǎo)方位角，妒為v ，的零點(diǎn)方向，并且是 v 。的指向性峰值方位。它的組合指向性r 。( 口) ，r s ( 口) 為： 蹦臚去m ) c 唧+ v 月) s i n p 一c o s ( o - g t ) ( 2 2 9 ) 蹦班去h s i n 少+ v e c o s 】= s i n ( 口訓(xùn) ( 2 3 0 ) 尺。( p ) ，尺。( 口) 是兩個(gè)正交的偶極子指向性，改變p 就可以旋轉(zhuǎn)相互正交的偶極 子指向性，雙邊指向性電子旋轉(zhuǎn)的指向性如圖2 1 0 所示。 ，學(xué) 礦。 西北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文第二章矢量水聽器 r 。( 目) ( y = 0 。) r 。( 臼) ( = 4 5 。) 疋( 口) ( 妒= 0 。)r 。( 伊) ( 妒= 4 5 。) 圖2 1 0 矢量水昕器振速分量旋轉(zhuǎn)指向性 2 ) 聲壓、振速分量組合波束形成 對(duì)于聲壓與振速的聯(lián)合處理，可以通過聲壓信號(hào)與振速分量的線性組合來實(shí) 現(xiàn)： = p ( ，) + v 。o ) ( 2 3 1 ) c 。= p ( f ) 一v 。o ) ( 2 3 2 ) 則它的歸一化組合指向性表達(dá)式為： 西北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章矢量水昕器 蹦啦南饑( f ) 1 = c o s 2 ( 等) ( 2 3 3 ) 啪) = 赤砌) 】：s i n 2 ( 竿) ( 2 3 4 ) 可以看出尺，。( 口) ，尺( 曰) 是兩個(gè)相互正交的單邊指向性，其指向性經(jīng)電子旋轉(zhuǎn)后 如圖2 1 1 所示： r 。( 占) ( = 0 。) r 二( 口) ( 妒= o4 ) r 。( 護(hù)) ( y = 4 5 。) r ( 口) ( 妒= 4 5 。) 圖2 。1 1 聲壓、振速組合旋轉(zhuǎn)指向性 西北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文第二章矢量水聽器 2 3 。3 矢量水聽器陣指向性形成 上一節(jié)討論了單矢量傳感器聲壓、振速分量的組合指向性及電子旋轉(zhuǎn)問題， 本節(jié)將討論矢量水昕器陣。由于本文主要研究的是單矢量水聽器的特點(diǎn)，因此， 這里只以二元陣為例對(duì)矢量水聽器陣波束形成的特點(diǎn)進(jìn)行簡(jiǎn)要的介紹。 二元矢量水聽器陣及響應(yīng)軸x ，y 示于圖2 1 2 。d 為間距，妒為相移角，臼為 入射平面波與軸的夾角。設(shè)入射諧和平面波角頻率為，二元陣v ，分量相減輸出 的指向性，根據(jù)指向性乘積定理，為叱的偶極子指向。哇c o s 8 與點(diǎn)二元陣指向牲 的乘積，有： r 。( p ) ：c 。s o s i n p - k _ d c o s o ( 2 3 5 ) 當(dāng)妒= k d 時(shí)，式( 2 3 5 ) 的指向性是單邊的。 同理，若減法器的輸入為兩個(gè)基元的v 。分量時(shí)指向性為： r p ( 口) ：s i n 8 s i n r # - k d - c o s o ( 2 3 6 ) 當(dāng)妒，d 取不同的值時(shí)，式( 2 3 5 ) 和式( 2 3 6 ) 可以形成細(xì)節(jié)不同的指向性圖。 聲壓和振速的不同組合可得到各種可以電子旋轉(zhuǎn)的單邊或雙邊指向性。如果每個(gè) 傳感器具有指向性胄。( p ) 時(shí)，二元矢量陣的指向性為： r 。妒) ：s i n 2 ( 旦半) s i n 妒- k _ d c o s o ( 2 3 7 ) 式( 2 3 5 ) 和式( 2 3 7 ) 的指向性如圖2 1 3 所示，c f ，為電子旋轉(zhuǎn)方位。由上面的分 析可以看出矢量陣的波束形成銳化了主瓣，降低了旁瓣，并且通過聲壓和振速的 聯(lián)合處理去掉了聲壓線陣的1 8 0 4 模糊【2 0 】。 西北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章矢量水聽器 l ， 圖2 1 2 二元矢量陣 r 。妒) r 。妒) 圖2 1 3 二元矢量陣指向性圖( d = 2 1 0 妒= 4 5 0 ) 2 3 4 試驗(yàn)矢量水聽器指向性圖的繪制 在水池實(shí)驗(yàn)中，我們用到圖2 4 所示的二維壓差式矢量水聽器，其直徑為 0 1 4 米，具有4 路聲壓信號(hào)輸出，通過4 路聲壓信號(hào)可得出壓差式矢量水聽器幾 何中心處的振速的聲壓。 將矢量水聽器機(jī)械旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度( 試驗(yàn)中每次旋轉(zhuǎn)2 。) ，每次旋轉(zhuǎn)后記錄一組 數(shù)據(jù)。重復(fù)此過程，當(dāng)水昕器旋轉(zhuǎn)3 6 0 。后，便得到了水聽器各個(gè)方向的單頻脈沖 2 4 西北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章矢量水聽器 響應(yīng)。根據(jù)這些數(shù)據(jù)便可以進(jìn)行矢量水聽器指向性的繪制。通過取每次測(cè)量聲壓 得最大值，兩水聽器的聲壓差便代表了振速方向。通過振速方向可以繪制矢量水 聽器的指向性。圖2 1 4 是消聲水池條件下發(fā)射信號(hào)為3 k h z 的單頻信號(hào)，聲壓 信號(hào)的自然指向性，而圖2 1 5 分別為5 k h z 和3 k h z 下水聽器振速信號(hào)在x 、y 軸 方向上的指向性。從以上的分析可以看出，壓差式矢量水聽器聲壓信號(hào)沒有指向 性，而振速具有良好的指向性。而且矢量水聽器并沒有因?yàn)樾盘?hào)頻率的改變而對(duì) 其指向性圖產(chǎn)生影響，也即在其頻帶范圍內(nèi)，壓差式矢量水聽器有固定的“8 ” 字形的指向性，具有很好的正交性。 圖2 1 4 水池試驗(yàn)二維矢量水聽器聲壓指向性 5 k h z 下x 軸指向性 5 k h z 下y 軸指向性 、 攀| | ，善， m i | ， 西北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章矢量水昕器 3 k h z 下x 軸指向性 3 k h z 下y 軸指向性 2 4 本章小結(jié) 圖2 1 5 水池試驗(yàn)二維矢量水聽器振速指向性 本章著重介紹了同振型矢量水聽器和壓差式矢量水聽器，分別對(duì)兩種水昕器 的信號(hào)模型進(jìn)行推導(dǎo)。由于本文研究的是二維壓差式矢量水聽器，因此針對(duì)單個(gè) 壓差式矢量水聽器接收信號(hào)的數(shù)學(xué)模型以及方位角的計(jì)算進(jìn)行了推導(dǎo)。之后對(duì)單 矢量水聽器聲壓、振速聯(lián)合波束形成原理進(jìn)行了深入研究，并且通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì) 矢量水聽器的自然指向性進(jìn)行繪制，為后續(xù)章節(jié)工作的展開打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。 最后對(duì)矢量水聽器陣的波束形成特性進(jìn)行了簡(jiǎn)要的介紹。 霧 r、球 辮 西北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 第三章自適應(yīng)算法研f 究 第三章自適應(yīng)算法研究 濾波器是電子設(shè)備的最基本配件，人們對(duì)其已經(jīng)進(jìn)行了廣泛的研究。濾波器 研究的一個(gè)基本課題就是：如何設(shè)計(jì)和制造最佳的或最優(yōu)的濾波器。所謂最佳濾 波器是指能夠根據(jù)某一個(gè)最佳準(zhǔn)則進(jìn)行濾波的濾波器。2 0 世紀(jì)4 0 年代，維納奠 定了關(guān)于最佳濾波器研究的基礎(chǔ)。假定線性濾波器的輸入為有用信號(hào)和噪聲之 和，兩者均為廣義平穩(wěn)過程且它們的二階統(tǒng)計(jì)特性一致，維納根據(jù)最小均方誤差 準(zhǔn)則( 濾波器的輸出信號(hào)與需要信號(hào)之差的均方值最小) ，求得了最佳線性濾波器 的參數(shù)。這種濾波器被稱為維納濾波器。它獲得了極其廣泛的應(yīng)用。要實(shí)現(xiàn)維納 濾波，就要求：l ，輸入過程是廣義平穩(wěn)的；2 ，輸入過程的統(tǒng)計(jì)特性是己知的。 根據(jù)其他最佳準(zhǔn)則的濾波亦有同樣要求。然而，由于輸入過程取決于外界的信號(hào)