[发明专利]一种十字型振速梯度水听器的方位估计方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种十字型振速梯度水听器的方位估计方法，具体的说是一种利用十字型振速梯度水听器中心点处声压、三个正交的振速分量和振速梯度来对目标进行三维测向的方法。

背景技术

矢量水听器是获取水下声信息的一种新型复合传感器，单个矢量水听器便可实现空间三维的定向。在低频段，矢量水听器相比于声压阵列具有体积小，重量轻，便于布放等优点，广泛应用于声纳浮标系统、拖曳阵、舷侧阵、地震监测系统和环境噪声测量系统中。近几年来，很多学者为了得到指向性更加尖锐的传感器，针对高阶水听器开展了系列研究，已经在理论上验证了高阶传感器确实可以提高传感器的指向性。但声场高阶信息量的幅度相对于零阶信息量（声压）幅度来说很小，且随着阶数增高其幅度迅速衰减。高阶传感器系统自身具有自噪声，且其对海洋环境噪声也比较敏感。因而，高阶传感器的制作和使用具有很大的局限性，一些研究人员仅对二阶组合传感器理论性能和制作开展了系列研究。

二阶组合水听器可以同时测量水下声场中某点的声压、三个振速分量和多个振速梯度分量。根据应用需求的不同，二阶组合水听器有多种组合方式。十字型振速梯度水听器，是一种二阶组合水听器。为了获得较好的指向性，工程应用中要求矢量水听器对角阵元之间的距离满足d≤0.2λ，其中λ表示信号的波长。在满足这个条件时，其振速输出具有较好的偶极子指向性，其振速梯度输出具有较好的四极子指向性，十字型振速梯度水听器具有较好的工作性能。对于十字型振速梯度水听器来说，振速的偶极子指向性和振速梯度的四级子指向性是一种近似的指向性，因而存在着一定的近似误差。如果有一种处理方法或技术，能够减小这种指向性的近似误差，则可提高十字型振速梯度水听器的检测和方位估计性能，这种技术必然会扩展十字型振速水听器的的应用范围，特别是在水下小孔径测量和监视系统中的应用。

发明内容

本发明的目的是：提供一种简单、实用、稳健的十字型振速梯度水听器方位估计方法。

本发明的技术方案是：一种十字型振速梯度水听器方位估计的方法，包括如下步骤：

步骤一：将四个矢量水听器接收数据分别通过希尔伯特变换器、乘法器和加法器转换成相应的复声压信号和三个正交的复振速分量信号；

步骤二：对四个矢量水听器的声压通道复声压信号求平均，求取十字型振速梯度水听器中心点处的声压信号；

步骤三：对四个矢量水听器的x轴上振速分量通道信号求平均，求取十字型振速梯度水听器中心点处x轴上的振速分量信号；

步骤四：对四个矢量水听器y轴振速分量通道的复信号求平均，求取十字型振速梯度水听器中心点处y轴上的振速分量信号；

步骤五：对四个矢量水听器z轴振速分量通道的复信号求平均，求取十字型振速梯度水听器中心点处z轴上的振速分量信号；

步骤六：对x轴上两个矢量水听器的x轴振速分量数据做差分，然后移相-90°，求得十字型振速梯度水听器中心点处x轴振速分量在x轴上的横向振速梯度；

步骤七：对y轴上两个矢量水听器的y轴振速分量数据做差分，然后移相-90°，求的十字型振速梯度水听器中心点处y轴振速分量在y轴上的横向振速梯度；

步骤八：对y轴上两个矢量水听器的x轴振速分量数据做差分，然后移相-90°，求得十字型振速梯度水听器中心点处x轴振速分量在y轴上的纵向振速梯度；

步骤九：对x轴上两个矢量水听器的z轴振速分量数据做差分，然后移相-90°，求得十字型振速梯度水听器中心点处z轴振速分量在x轴上的纵向振速梯度；

步骤十：对y轴上两个矢量水听器的z轴振速分量数据做差分，然后移相-90°，求得十字型振速梯度水听器中心点处z轴振速分量在y轴上的纵向振速梯度；

步骤十一：将步骤二到步骤十求得数据罗列在一起，求十字型振速梯度水听器的数据协方差矩阵该矩阵为9×9的对称矩阵。

步骤十二：根据阵列配置和工作频段，利用下述公式

求解十字型振速梯度水听器的“修正方向矢量”，其中φ和ψ分别表示入射波的方位角和俯仰角，d表示对角矢量水听器之间的距离，λ表示信号的波长。用“修正方向矢量”取代原来的“方向矢量”U(φ,ψ)：