声压振速联合信息处理及其物理基础初探

王雪娇 李朝朝 王通 杨霞松

摘要：声压振速联合信息处理是我国水下声场声压和信息获取处理的基本途径，以往信息处理中基本上以声压为主，忽略了振速，信息获缺乏完整性，现如今随着科技和信息技术的发展，声压振速联合信息处理中正在积極加强振速信息处理，并对物理基础进行深入研究。本文主要是从现代科技发展角度对声压振速联合信息处理方法和物理基础急性分析，针对信息处理的矢量以及信息收集的物理基础进行分析，用水声物理实验对声压场进行分析，从目标和环境方位进行研究，探讨应如何利用声矢量场对联合信息处理进行深入研究，通过联合处理声压和振速获取有效的信息数据，以此获取更加具有参考价值和实用价值的数据信息，从而得到声压和振速共同含有的环境与目标信息。

关键词 生涯振速 联合信息处理 物理基础

1声压振速联合信息处理的意义

自从1918年法国物理学家郎之万研制出第一个声呐装置后，水声物理实验就广泛地利用声呐装置，通过声压场以及水听器的声呐信息接收，专门对声压信息进行处理，但比对无线电波的磁场和电场，声呐的声波两句标量场和矢量场，只针对声压信息进行处理所获取的数据比单一，声波还具有振速信息，所以水声信号处理和声场研究中要录利用振速的独特性，发挥声场研究和水声信号研究的特色，利用振速实现联合信息处理，采用振速的信息处理优势，利用振速矢量信息，将矢量中包含的环境和目标信息挖掘出来，通过振速在其他轴上的投影分量，得到与频率无关的偶极子指向性，这种指向性有效补充了目标信息，所以即使是在低频下依旧可以得到目标和环境信息，有效弥补了声压信息的单一性。振速信息处理，不能再采用单一的小尺度水听器，要利用多个声压接收器从得到目标和环境的方位声信息，比对以往的无线电信号处理的物理基础，振速信息处理是矢量信息，其处理所需的物理基础和信息处理方式和声压信息不同，现如今声呐浮标中已经利用了多偶极子传感器和矢量传感器用于研究拖曳线列阵声基阵，专门用于分析振速信息，但要实现振速和声压信息的联合处理，还需要进一步展开深入研究。目前联合信息处理的研究进展不明，一方面是俄国虽然对联合信息处理有多年的研究，但始终没有公开研究结果。另一方面美国虽然率先关注振速信息，研制出振速传感器和积极研究振速处理方法，但没有进行振速和声压的联合处理。要实现振速和声压信息的联合处理，需要从声呐技术领域加强对振速的关注，但还要开发出联合处理机制，实现声压信息和振速信息的同步处理，保证声场环境的内部矢量和标量信息收集完整，得到声压和振速中所蕴含的环境和目标信息。

2声压振速联合信息处理方法

声压振速联合信息处理需要将声压和振速，通过现代科学技术进行传感收集，按照一定的规模声矢量传感装置的声压传感无指向性特征和质量指向功能的振速测量装置进行复合处理，对声场内部环境的标量和矢量信息筹集，加利用声矢量传感器对声场主体的控制优势，解决水下宽带源的远程侧向问题，通过声压与振速的互矩阵的声矢量阵，对相干信号子空间进行测量和信息收集，从而实现声压和振速联合处理。声矢量矩阵相干信号子空间方法，是将现有的声矢量传感器的振速信息，采用独立矩阵元进行声矢量阵测向，这种新方法则是完全在声压和振速联合处理，获得充分且完整的信息，发挥声矢量的矢——V互谱的方法，清除噪声的影响，利用相干信号子空间的宽带高分辨能力，去相干能力和声矢量阵的抗噪声能力，从多个维度进行宽带源的远程和高方位分辨估计。理论上，矢——V互谱矩阵的宽带聚焦原理和特征分解原，通过信源检测准则，对水下测量数据的仿真实验进行检测，用3元声矢量矩阵，能对信噪比为-10dB以及观测时间在205h的数据进行方位跟踪，采用这种新方法估计方位所得到的均方根误差仅有50，显著优于以往的信息处理方法，且能实现声压和振速的联合处理，有利于优化整个测量和预估精准度，保证数据处理符合要求，毕竟噪声中的单频信号对信息联合处理影响较大，例如水下目标定位和导航等时候，水声通信载波检测和恢复以及水下移动通信频编估计等都无法满足分辨频率估算要求。为达到声压和振速的联合处理，要利用子空间类超分辨频率估算方法，通过声矢量传感器进行同步共点进对声场和质点进行联合处理，通过拾取声场声压和质点振速信息，充分利用目标和各向同性干扰之间的鹅差别，利用声压和振速的指向性差异进行信息联合处理，目前空域的联合信息处理，是从波达方向的估计入手，在对时频域进行分析。例如Tichavsky就对于单个矢量传感器的目标反向和频率进行联合估计，通过对性能的CRLB（Cramer- RaoLower Bound）下限进行分析，得出了能用于实际数据分析联合估计方法，文在此基础上通过类似的思想，对目标方位的已知频率进行估计，先对声呐西信号进行处理，然后再对波束输出信息进行时频参数估计，用先验已知的目标方位，对声压振速的联合处理进行验算，发现将声压振速的协方差矩阵引入旋转不变子空间利用频率估算的方法，能够在不影响算法性能的前提下，降低运算量并实现声压振速的联合处理。

3结语

综上所述，利用旋转不变子空间、子空间类超分辨频率估算方法、相干信号子空间等算法可以实现声压振速联合信息处理，利用声矢量阵和联合信息处理的侧向方法，能克服噪声和频率的干预，拾取声场的声压和振速信号并完成信息联合处理。

作者简介：王雪娇1989.3，女，回，山东青州人，研究生，山东师范大学历山学院，助教，研究方向，物理学;杨霞松，女，山东师范大学历山学院，助教，研究方向：智能技术与自动化装置;李朝朝，女，山东师范大学历山学院，助教，研究方向：机械设计与制造;王通，男，山东师范大学历山学院，助教。

参考文献

[1] 白兴宇，杨德森，赵春晖.基于声压振速联合信息处理的声矢量阵相干信号子空间方法[J]. 声学学报，2016（05）：410-417.

[2] 孙国仓，惠俊英，郭龙祥.声压振速联合频率估计[J].计算机工程与应用，2018（10）：154-156.