瞬时相关积分法在矢量水听器方位估计中的应用研究

廖述常　卢治强　张瑶

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?03

Abstract： The vector hydrophone can measure the sound field information coaxially and concurrently. Since the single vector hydrophone can accomplish the unbiased estimation of target azimuth， the inconsistent phase of each channel will greatly affect on the estimation precision. To solve this problem， the solution of using the instantaneous correlation integral as the preprocessing algorithm is proposed. The phase of each channel is consistent after signal′s instantaneous correlation integral， and the signal?to?noise ratio （SNR） of the input signal is improved to guarantee the effective estimation of target azimuth. The effectiveness of this algorithm is verified by theoretical analysis and simulation experiment.

Keywords： vector hydrophone； phase； instantaneous correlation integral； 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，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，从而可以实现多目标分辨。

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4 kHz，信号脉宽[T=]0.2 s，系统的采样频率[fs=]40 kHz。

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，直接算法的误差随着相位差的增大而增大，在相同条件下，目标的方位越接近45°估计误差越大。而经过了瞬时相关积分后，无论相位差及目标方位如何变化，估计误差均保持在一个较小的水平上，此时影响其精度的主要因素为信噪比。

4 结 论

针对声矢量传感器各通道相位不一致情况下的方位估计问题，本文提出了将瞬时相关积分作为前置处理方法，通过瞬时相关积分，各通道的相位保持了一致，且其信噪比也得到了有效提高。通过仿真分析对本方法进行了验证，结果证明了本文方法的有效性。

参考文献

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