圆环形声学传感器阵列超指向性理论及方法

汪 勇, 杨益新, 马远良



圆环形声学传感器阵列超指向性理论及方法

汪 勇, 杨益新, 马远良

(西北工业大学航海学院, 陕西西安, 710072)

为解决水下无人系统等空间受限平台上传感器阵列尺寸与空间指向性的矛盾, 人们提出了超指向性波束形成方法, 可显著提高尺寸有限传感器阵列的指向性。文章首先对超指向性的研究背景和历史进行综述, 指出其面临的问题及解决的基本途径, 并从原理上将该方法分为最大阵增益和波束图综合两大类。然后,针对常用的圆环形声学传感器阵列的超指向性理论和方法进行了详细介绍。在最大阵增益和波束图综合2种分类的前提下, 从不同的角度, 将圆环阵超指向性方法具体分为相位模态域、差分处理、特征波束分解与综合以及基于特征分解的波束图综合等4种方法, 并详细分析了这几种方法的原理、优缺点、适用范围及相互之间的联系, 给出了部分实验结果, 以期对圆环形声学传感器阵列超指向性理论有一个全面的梳理, 为研究和应用其超指向性方法提供参考。

水下无人系统; 超指向性; 声学传感器; 圆环阵

0 引言

在水雷、鱼雷、自主式水下航行器(autono- mous undersea vehicle, AUV)等小型水下无人系统中, 常常利用传感器——水听器阵列接收目标声信号, 实现探测、识别、跟踪和通信等任务[1]。传感器阵列及其信号处理方法的性能对任务执行效果有着重要影响。由于水下无人系统往往体积较小, 导致其能安装的水听器阵列尺寸有限, 而需要接收利用的目标信号量级又愈来愈小, 因此如何在有限的阵列尺寸条件下实现对弱信号的检测和目标分辨, 是一个亟待解决的问题。……