中国指挥与控制学会会刊 
低频、小型化、阵列化、低功耗、低成本是水听器和矢量水听器发展的重要方向,基于微电子机械系统(Microelectro-mechanical systems, MEMS)水听器和矢量水听器能满足这一要求[1]。低频、小型化、阵列化、低功耗、低成本是矢量水听器的发展方向,MEMS矢量水听器具有体积小、功耗低等优势[2],能够满足这类平台对体积、功耗等的要求。目前多数方位估计方法均是基于等间距均匀直线阵列的,本文利用MEMS矢量水听器进行了组阵仿真实验研究,因为这类型阵列的信号遵循范德蒙行列式的形式,能够方便地进行数据处理[3]。因此,研究小尺度均匀直线阵列是研究其他形式阵列的基础,具有重要的实际意义。本文以6元矢量水听器均匀直线阵列为例,通过优化设计,以较小的阵元间距构成线型阵列,在给定的仿真参数下,对其性能进行了仿真与实验验证。
1 六元垂直阵列增益理论与仿真
矢量水听器具有“8”形方向性,可以提供声场的方向信息,因此本文将矢量水听器组成的阵列与标量水听器阵列进行比较。它在信噪比处理增益方面具有优势。由于矢量水听器可以同时提供声压和振动速度信息,因此可以通过波束形成方法获得多个波束形成的输出及其组合。这里,仅分析由二维矢量水听器组成的均匀线性阵列。
假设信号与噪声不相关,并且信号的入射方位角与引导方位角一致,即对于任何方向的入射信号,其中的信号分量通过波束形成同相叠加。波束形成后的声压和振动信号的顺序表示为
Vci=Vxicosθ'+Vyisinθ'
式中,θ为信号的入射方位角,θ'为引导方位角,Vyi为声压信号,Vxi为振束信号。
1.1 组合形式选择
对于常用的组合形式,其理论增益如表1 所示[4]。
表1 组合形式 |
| 序号 | 组合形式 | 增益 |
|---|---|---|
| 1 | ∑(Pi+Vyi)2 | 20lg(1+sinθ)+10lg0.667 |
| 2 | ∑(Pi·Vyi)2 | 10lg2sinθ |
| 3 | ∑(Pi+ )· | 10lg2(sinθsinθ'+sin2θ)-5lg(1+sin2θ) |
| 4 | ∑(Pi+Vci)·Vci | 10lg{ cos(θ-θ')·[1+cos(θ-θ')]} |
从表1 可以看出,当θ=θ'=π/2时,四种组合的组合增益分别为4.26 dB,3.01 dB,4.52 dB和4.52 dB。当θ'=θ=0时,组合1,3增益很小,组合2增益是负无穷大。组合4利用两种振动速度,并且组合增益不受角度变化的影响。因此,这里处理组合4以处理矢量水听器阵列输出信号以实现最大增益。
1.2 矢量阵增益仿真
在相同条件下,不同频率的矢量阵列的增益高于声压阵列的增益[5]。这里,Matlab用于模拟6元素矢量水听器阵列的矢量组合增益。阵元间距为0.5 m,有效阵列长度为3 m,实际阵列长度为3.5 m,声速为1 500 m/s。信号频率为1 kHz,采样频率为10 kHz,低频白噪声上限截止频率为4 kHz。当θ=θ'=π/2时,结果表明,当使用四种不同组合的形式时,6元矢量水听器的增益分别为10.0 dB、8.7 dB、10.3 dB、10.3 dB;当θ=θ'=π/4时,结果表明,当使用四种不同组合的形式时,6元矢量水听器的增益分别为8.6 dB、7.2 dB、7.9 dB、10.3 dB。结合两组数据可以看出,组合4形式的增益不受方位角的影响,所以采用组合4形式处理矢量水听器阵列输出信号来实现最大增益,即使用组合4形式的 6元矢量水听器的增益为10.3 dB。
1.3 波束指向性图仿真
2 阵列增益测试
在开阔水域进行实验,测试水深,水面相对平静,可以认为噪声是各向同性的。MEMS矢量水听器阵列由MEMS矢量水听器、支架、指南针等组成。实验场地是开放式水库,底部是倒梯形结构。岸边建有浮桥构成的码头伸入水中,码头处水深约15 m,水库中央深度约50 m。 使用支撑框架组成矩形支撑结构,将6支矢量水听器以间隔0.5 m方式固定在支架上,1个标量水听器从顶部固定在与第三个水听器相同的位置。它们刚性固定,电子罗盘固定在水听器支架上。使用采集卡实时采集采集数据,采样软件中的采样率设置为10 K/s,实验示意图如图2 所示。
将水听器阵列从码头1处放入水中,采集设备放置于码头1上,发声换能器置于码头2上。声源与水听器阵列间距17.6 m。其中声源入水深度6.75 m,阵列入水深度5 m。声信号发射频率1kHz,波型为正弦。采用数据采集卡记录每个频点数据,采样频率10 K/s,采样时间为连续信号1 s。
在计算时使用声压振速联合处理的方式取得阵列信号,并通过功率谱密度图像计算信噪比。组合方式如式(4)
P0=vi(n)(P(n)i+vi(n))
对阵列增益数据处理,结果如图3 所示。
3 波束宽度测试
4 结束语
本文对所设计的6元件MEMS矢量水听器阵列的阵列增益和波束宽度进行了仿真和实验验证。 表明其具有较好的一致性,这为应用开拓带来了可行性。矢量水听器阵列对于提高水听器的可靠性非常重要,为MEMS矢量水听器的工程应用奠定了基础。 MEMS矢量水听器阵列可进一步应用于水下声学对抗,并且需要可进一步研究安装在鱼雷、潜艇和舰船上进行水下目标检测。