基于MUSIC算法的矢量阵波达方向估计

矢量水听器由声压传感器和质点振速传感器复合而成,可以空间共点、同步测量声压和质点振速的各正交分量。本文采用矢量水听器均匀线阵研究了利用MUSIC算法对声源进行方位估计,并详细描述了该算法的原理及应用过程,最后进行了几个仿真对比试验。仿真结果表明,在SNR=10dB条件下,相对于Capon波束形成器输出,MUSIC空间谱的主波束宽度锐化了2.6~0,旁瓣降低了12dB左右,利用该算法可提高对信号源的定向精度及对多目标的分辨能力。     

基于MEMS仿生矢量水听器的水声定向研究

MEMS矢量水听器不仅可以测量声压信号,还可以测量质点的振速信号,它具有与频率无关的偶极子自然指向性.单一的矢量水听器就能够测量水中的声压和质点振速.利用矢量水听器的这种特性,结合波束形成原理,采用数字信号处理(DSP)技术,设计了基于MEMS仿生矢量水听器的水声定向系统,并进行了实际测试,结果表明:该系统能很好地实现对目标360°方位的定向功能.     

压差矢量水听器阵波束形成的优化

以各向同性噪声作为背景噪声场,对矢量水听器阵波束形成的优化方法进行了系统的研究.在分析各向同性噪声场中声压、振速相关性的基础上,利用最大信噪比准则推导了基阵的最佳增益与噪声场特性和阵列流形之间的关系,提出利用最佳增益权对阵列接收信号进行波束形成处理.通过对矢量水听器阵进行分解,将最佳增益波束形成引入矢量阵信号处理中.以二维压差矢量水听器阵作为接收基阵进行了仿真计算和湖上试验,结果表明,矢量阵的最佳增益波束形成可以获得性能更优的波束和更大的空间处理增益.     

矢量水听器阵波束域MUSIC算法研究

矢量水听器可同时拾取声压和振速信息,成阵后水听器间的相移信息量增大。基于矢量水听器阵的波束形成性能明显由于同条件下的声压水听器阵,但其空间分辨力依然受阵列物理空间的限制。已经有人研究了矢量水听器阵的高分辨谱估计方法（MUSIC算法）,但属于对阵元域信号进行的直接处理,运算量较大。提出一种基于矢量水听器阵的波束域MUSIC算法（BMUSIC）。该算法首先将矢量水听器阵元的空间数据转换到波束空间,然后对转换后的数据再运用MUSIC算法。不但实现了降维处理,减小了运算量,而且可进一步抑制扫描扇面外的噪声。对BMUSIC算法进行了仿真并与常规MUSIC算法进行了比较。结果表明,该方法可得到与阵元域MUSIC算法相当的方位分辨力。     

同振式三轴向矢量水听器设计与实现

根据实际工程需要,设计、制作同振式三轴向矢量水听器,其外形为柱体两端带半球帽的圆柱体,声压通道和矢量通道在结构上结合为一体。矢量水听器外形尺寸为Φ54×72 mm、工作频带为20 Hz~2000 Hz。在国防科技工业水声一级计量站驻波管对研制的矢量水听器进行了测试,测试结果表明：声压通道声压灵敏度级为-192.7 dB（0 dB=1 V/mPa）、具有全指向性;矢量通道声压灵敏度级为-185.3 dB（测试频率500 Hz,0 dB=1 V/mPa）、具有余弦指向性。设计、制作的矢量水听器灵敏度高、通道一致性好、使用方便,满足工程应用需求。     

一种MEMS同振柱型仿生矢量水听器的研制

提出了一种结合MEMS技术、仿生原理和压阻原理的同振柱型矢量水听器,即由二维仿生水听器和声压水听器组合而成的柱体。在声学理论基础上详细介绍了该水听器的封装设计及制作过程,在国防水声一级计量站对该矢量水听器进行校准实验,实验结果表明:该同振型矢量水听器的工作频带范围为0～3 kHz;X通道灵敏度-177.9 dB(2 kHz),Y通道灵敏度-175.4 dB(2 kHz),声压通道灵敏度-175.8 dB(2 kHz);具有很好的"8"字指向性;可承受3 MPa压力。此新型MEMS同振矢量水听器适用于民用船只避障,渔业捕捞,海洋勘探等领域。     

同振型三轴光纤矢量水听器设计与实现

设计制作一款同振式光纤矢量水听器，其外形为圆球形。光纤矢量水听器是由弹性体、质量块、固定件、底部球壳、球壳上盖、干涉仪组成。外形尺寸为φ100mm。实验测得在100Hz～1kHz频段内.，加速度灵敏度≥40dBre1rad/g，.指向性>25dB，对矢量水听器探头在声学水池中测试加速度灵敏度，通过测试加速度灵敏度为平均435dBre1rad/g，灵敏度波动小于±15dB。指向性指标进行测试，我司版本矢量水听器的指向性表现出了“∞”字型图样，指向性约为26dB，该矢量水听器加速度灵敏度高一致性好，使用方便，满足工程应用需求。     

利用阵元异振幅优化超声传感器阵列的指向性能

超声传感器阵列是提高超声指向性性能的重要手段,本文提出利用阵列中阵元发射不同振幅超声波的方法进一步改善发射阵列的指向性性能。通过与常规阵元同振幅发射模式的指向性进行模拟和实验比较,结果表明该方法在超声阵列阵元分布形式完全相同的情况下,获得的超声波波束不但能保证主瓣尖锐的指向性,而且能有效的抑制旁瓣数量和旁瓣级,避免能量分散,提高超声发射效率。     

基于压差式矢量水听器的多目标分辨

矢量水听器是一种既能测量声场中的声压信息,又能测量声场中的振速信息的换能器.矢量特性使得单个矢量水听器就可以实现信号的方位估计,但是传统的矢量水听器处理方法只是利用了信息量增加这一优点,因而提出了一种利用单个压差式矢量水听器进行非相关目标方位估计方法,该方法有效利用声场中声压和质点间振速之间的互相关性,仿真和测试结果表明该方法能有效地进行双目标分辨.     

基于压电加速度计的同振型矢量水听器的设计

介绍一种压电加速度计在新型水声接收换能器———同振型矢量水听器设计中的应用方法。叙述了采用压电加速度计设计同振型矢量水听器的理论依据,并给出根据此方法设计制作的同振型矢量水听器的自由场开路电压灵敏度和指向性图测试结果:自由场电压灵敏度为-190～-200dB(0dB=1V/μPa,测试频率1000Hz),指向性图分辨力kd>20dB。     

基于声矢量传感器阵的酉MUSIC算法

声矢量传感器同时拾取空间同点的声压振速信息,为阵列信号处理提供了更多的信息。酉MUSIC算法可以降低计算复杂度,提高方位估计性能。综合二者优点,提出了基于声矢量传感器阵的酉MUSIC算法。构造了广义转换矩阵,通过合成复观测数据及其共轭,实现了协方差矩阵的实值特征分解,降低了计算量。仿真与湖试结果表明,与已有算法相比,该方法具有计算量小和背景噪声低等优点。     

水下目标定向及遗传算法仿真

传统的水声定位需要一个庞大的声压水听器阵，技术复杂，耗费可观。矢量传感器是一种新型的水声传感器，仅用单个的矢量传感器就可以进行水下目标的方位估计。该文分析了矢量传感器声压梯度法和互谱声强法的定向原理，在互谱声强法仿真的基础上，将遗传算法引入水下目标定向中。通过构建适应度函数，根据信号适应度函数进行遗传选择，舍弃不稳定信号，对有用信号进行杂交，从而获得较高的定向精度。仿真结果表明，该算法可以有效地进行目标方位估计，进一步提高定向精度。     

新型三维MEMS矢量水听器的设计

根据国内对高灵敏度、低频小体积三维矢量水听器的需求,提出了一种仿鱼侧线纤毛的MEMS三维矢量水听器。该水听器采用多纤毛结构分别用来接收X、Y与Z方向的声信息,采用ANSYS进行仿真,静力分析得出了布放压阻的合理位置,谐响应分析得出该结构的固有频率在1.5 kHz左右;驻波桶校准测试结果表明:该水听器的灵敏度范围在-200 dB到-180 dB左右;在25 Hz～2 000 Hz频段内具有良好的频响特性;指向性分辨率大于等于30 dB,具有良好的"8"字形指向性。     

基于Matlab的基阵方向性仿真研究

根据水声传播和换能器基阵理论，建立了任意几何分布的基阵方向性的数学模型。借助于Matlab软件，研究了基阵三维方向性图的精细表示方法，对不同坐标网格表现的基阵方向性图进行了对比分析。通过分解三维方向性图得到了任意定向平面上及轴向等开角的方向性仿真曲线图。应用表明，结论对于基阵方向性的仿真与设计具有一定实用价值和指导意义。     

Modeling and characterization of a micromachined artificial hair cell vector hydrophone

In the paper, a micromachined artificial vector hydrophone arises from a biological inspiration, the fish hair cell is presented. It is desirable that the application of piezoresistive effects combined with ingenious bionic structure and MEMS technology may improve the low-frequency sensitivity of the vector hydrophone as well as its miniaturization. Modeling processes for realizing the artificial hair cell hydrophone, along with preliminary characterization results in terms of sensitivity, frequency response and directivity patterns are also introduced. The microstructure of the sensor consists of four vertical cantilever beams with attached rigid plastic cylinder in the center of the structure. By locating eight piezoresistors logically formed the Wheatstone bridges; they can detect two components of underwater acoustic signal simultaneously. The prepared vector hydrophone has been measured in the standing wave field finally. The experiment results show that the vector hydrophone has good low-frequency characteristic, the free-field voltage sensitivity is −197.2 dB (0 dB = 1 V/μPa) at 400 Hz with a about 2 dB one-third octave positive slope over the 40–400 Hz bandwidth. The depth of pits of the directivity pattern is about 34.6 dB.     

声波测井圆环阵指向性设计

常规的单极子发射声波没有指向性,能量损失过多,用模态分解的方法设计出合适的阵列加权系数,就可以控制圆环阵的辐射主瓣角宽和旁瓣级,以利于在任意地层中有效激励滑行纵横波和减少能量损失.通过comsol有限元软件对圆环阵声波辐射数值模拟的例子,分析了圆环阵的辐射指向性对声波测井中各种模式波的接收幅度和到达时间的影响.结果表明,只要在圆环阵的各阵元上施加合适延迟时间合适幅度的激励信号,就能根据不同的实际情况设计出各种主声束的宽度和方向.圆环阵的使用可明显地改善声波测井的测量质量,为声波辐射器在石油勘探中的应用提供一定理论依据.     

Narrowband signal detection techniques in shallow ocean by acoustic vector sensor array

This paper presents the formulation and performance analysis of four techniques for detection of a narrowband acoustic source in a shallow range-independent ocean using an acoustic vector sensor (AVS) array. The array signal vector is not known due to the unknown location of the source. Hence all detectors are based on a generalized likelihood ratio test (GLRT) which involves estimation of the array signal vector. One non-parametric and three parametric (model-based) signal estimators are presented. It is shown that there is a strong correlation between the detector performance and the mean-square signal estimation error. Theoretical expressions for probability of false alarm and probability of detection are derived for all the detectors, and the theoretical predictions are compared with simulation results. It is shown that the detection performance of an AVS array with a certain number of sensors is equal to or slightly better than that of a conventional acoustic pressure sensor array with thrice as many sensors.     

水下成像的稀疏阵列乘性处理

针对阵列传感器布阵设计中的冗余问题,提供了一种水下声学成像稀疏阵列的处理方法。采用稀疏阵列乘性处理方法可合成一个收发一体的虚拟阵列且虚拟阵元数目等于实际阵列发射阵元与接收阵元的乘积。依据相位中心近似的原理,对虚拟阵元的布阵位置进行了数学的解析表示,使用几种不同结构的稀疏阵列进行比较。实验结果得出,使用上述方法建立的稀疏阵列性能指标在三维声场、波束、导向矢量、主瓣宽度和峰值旁瓣级等方面与同等数量的收发一体Mills cross稀疏阵列一致。表明了乘性处理方法能有效解决阵元冗余问题,利用上述方法可得到一种优于Mills cross的新型稀疏阵列。