梅繼丹，孫大軍，呂云飛，蘭華林，師俊杰

（哈爾濱工程大學(xué) 水聲技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150001）

多目標(biāo)對單矢量水聽器俯仰角測量的影響研究

梅繼丹，孫大軍，呂云飛，蘭華林，師俊杰

（哈爾濱工程大學(xué) 水聲技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150001）

單矢量水聽器可以對單目標(biāo)進(jìn)行俯仰角的測量，當(dāng)出現(xiàn)多目標(biāo)時(shí)會(huì)使得俯仰角測量結(jié)果出現(xiàn)誤差，文章通過理論推導(dǎo)給出了多目標(biāo)情況下對俯仰角測量的影響。結(jié)果表明，當(dāng)出現(xiàn)多目標(biāo)時(shí)，盡管在兩目標(biāo)俯仰角相同的情況下，利用傳統(tǒng)的俯仰角測量公式測得的結(jié)果仍是錯(cuò)誤的，測量結(jié)果會(huì)比實(shí)際俯仰角值大。當(dāng)兩目標(biāo)俯仰角不同時(shí)，測得的俯仰角結(jié)果也并不像水平方位角那樣是合成方位，測得的俯仰角值可能大于兩目標(biāo)任意俯仰角值，具體值則跟兩目標(biāo)的水平方位夾角有關(guān)。最后，通過仿真和實(shí)驗(yàn)對上述分析結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。

矢量；俯仰角估計(jì)；多目標(biāo)

0 引 言

聲矢量技術(shù)是在最近十余年來水聲界發(fā)展最迅速的新興研究方向之一。僅在2001至2008年期間，國內(nèi)發(fā)表的中文矢量文章就有兩百五十余篇。國外從上一世紀(jì)90年代聲矢量傳感器技術(shù)研究熱潮逐漸興起。國內(nèi)的相關(guān)工作可追溯到上一世紀(jì)90年代初，但真正較深入開始研究的時(shí)間在1998年以后[1]。在大部分經(jīng)典矢量文獻(xiàn)中都表明，在矢量信號(hào)處理中利用有功聲強(qiáng)在x，y，z軸上的正交投影可以估計(jì)聲源的水平方位角以及聲源與z軸的夾角即俯仰角[2-3]，可在全空間上對聲源進(jìn)行無模糊定向。但上述方法的前提是自由場空間，且空間范圍內(nèi)僅有一個(gè)目標(biāo)的情況下測量模型才是精確的，這個(gè)條件是比較苛刻的。目前已有大量文獻(xiàn)對于空間存在多目標(biāo)情況時(shí)對水平方位角測量的影響進(jìn)行了研究[4-5]，結(jié)論表明對于平均聲強(qiáng)流法，測得的水平方位角將是多目標(biāo)的合成方位，對于互譜直方圖統(tǒng)計(jì)的方法則可以分辨非同頻段的連續(xù)譜目標(biāo)，基于LOFAR線譜或DEMON調(diào)制譜的譜線差異可以分辨多個(gè)線譜目標(biāo)[6]，當(dāng)然還有一些基于自適應(yīng)濾波處理的方法或?qū)⒙晧赫袼偻ǖ酪暈榛嚥煌囋邮招盘?hào)的模擬陣處理類方法用來分辨同頻段的非相關(guān)源多目標(biāo)，但大多離實(shí)際應(yīng)用相距甚遠(yuǎn)。

目前關(guān)于多目標(biāo)對俯仰角測量[7]的影響研究較少見，本文以平均聲強(qiáng)器法為例，推導(dǎo)了在理想自由場空間，無噪聲情況下，多目標(biāo)對俯仰角測量的影響。與水平方位角結(jié)論不同，俯仰角獲得的測量結(jié)果并不是多目標(biāo)的合成角，理論推導(dǎo)及仿真皆表明對具有相同俯仰角值的多目標(biāo)俯仰角進(jìn)行測量，獲得的結(jié)果也不會(huì)與實(shí)際值相一致，而是大于實(shí)際俯仰角值，多目標(biāo)具有不同俯仰角時(shí)，若多個(gè)目標(biāo)的俯仰角值較小且相接近，則測量結(jié)果將大于任意俯仰角值。

此外，現(xiàn)實(shí)的海洋環(huán)境是不能避免噪聲和多途影響的，文獻(xiàn)[8]曾表明，對于一個(gè)海洋波導(dǎo)環(huán)境來說，盡管在單目標(biāo)的情況下，利用俯仰角測量公式獲得的俯仰角測量結(jié)果仍與真實(shí)值有較大差別，事實(shí)上高頻信號(hào)測量獲得的俯仰角僅僅是多途后的合成俯仰角方位，低頻信號(hào)由于簡正波的作用俯仰角測量結(jié)果更是復(fù)雜的合成結(jié)果，并不具有切實(shí)的實(shí)際意義。因此，在利用單矢量水聽器進(jìn)行目標(biāo)俯仰角測量時(shí)由于的測量結(jié)果可信度相當(dāng)?shù)?，對俯仰角的測量結(jié)果必須慎重對待。

1 單矢量水聽器俯仰角測量方法

在平面波條件下，聲壓與三個(gè)振速分量除了一個(gè)常數(shù)以外，波形相同。為敘述簡單起見，將該常數(shù)設(shè)為1，則三維矢量傳感器輸出數(shù)學(xué)模型可表示如下：

可用時(shí)間平均代替集合平均求解過程，此時(shí)水平方位角和俯仰角可由下述公式給出：

為水平聲強(qiáng)流譜。Iz為垂直聲強(qiáng)流譜。有多目標(biāo)情況時(shí)，常采用頻域直方圖法測量。此時(shí)，聲壓振速互譜分別表示為：

式中：“*”表示取共軛，此時(shí)，有功聲強(qiáng)流譜可表示如下：

“Re”表示取實(shí)部，此時(shí)各頻點(diǎn)水平方位角和俯仰角可由下述公式給出：

可再通過直方圖統(tǒng)計(jì)的方法獲得頻段內(nèi)各頻點(diǎn)的俯仰角直方圖統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

2 多目標(biāo)對單矢量水聽器俯仰角測量的影響

當(dāng)測量范圍內(nèi)存在多個(gè)目標(biāo)時(shí)會(huì)對俯仰角分布產(chǎn)生影響，下面以雙目標(biāo)情況為例建立模型如下，當(dāng)存在雙目標(biāo)時(shí)接收到的數(shù)學(xué)模型如下：

為簡便省略時(shí)間，此時(shí)水平聲強(qiáng)流Ir為：

垂直聲強(qiáng)Iz為：

通常當(dāng)目標(biāo)距離稍遠(yuǎn)時(shí)目標(biāo)俯仰角都比較小，近似相等，為了簡化推導(dǎo)過程，設(shè)φ1=φ2俯仰角相等的情況下根據(jù)單目標(biāo)的俯仰角計(jì)算公式有：

由（12）式可見，當(dāng)存在相同角度俯仰角雙目標(biāo)時(shí)按照原始單目標(biāo)俯仰角計(jì)算公式測量將導(dǎo)致測得的俯仰角變大。

3 仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

仿真條件：目標(biāo)1水平方位角30°、俯仰角3°，目標(biāo)2水平方位角120°、俯仰角分別為3°和5°。兩目標(biāo)等信噪比都為5 dB。積分時(shí)間10 s。采用平均聲強(qiáng)器法俯仰角測量結(jié)果如下。

由圖1可見，由于噪聲的作用，仿真測量值有一定的波動(dòng)，但從整體測量結(jié)果來看，當(dāng)兩目標(biāo)俯仰角相同時(shí)，測量結(jié)果明顯大于實(shí)際俯仰角真值。在圖1（b）仿真條件下，兩目標(biāo)俯仰角不同，測量結(jié)果大于任意目標(biāo)俯仰角的值，可見俯仰角的測量結(jié)果并一定不是兩目標(biāo)俯仰角的合成值。

實(shí)驗(yàn)條件：利用布放于海底的單矢量水聽器進(jìn)行水平方位角及俯仰角測量，實(shí)驗(yàn)區(qū)域海深約43 m。海深測量頻段100～250 Hz。目標(biāo)為遠(yuǎn)距離行船（距離大于5公里，俯仰角真值小于0.5°）俯仰角測量結(jié)果如圖2所示。

圖1 時(shí)域平均聲強(qiáng)器法仿真結(jié)果Fig.1 The simulation results of time domain acoustic intensity averager

圖2 時(shí)域平均聲強(qiáng)器法實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig．2 The experiment results of time domain acoustic intensity averager

俯仰角測量結(jié)果圖中的紅線和藍(lán)線分別為兩套不同的矢量水聽器測量設(shè)備測得的俯仰角結(jié)果。由圖，根據(jù)水平方位角的測量結(jié)果大致判斷目標(biāo)的個(gè)數(shù)，圖2（a）、（b）趨向于單目標(biāo)的情況，兩個(gè)矢量水聽器的測量結(jié)果都在2°以下范圍內(nèi)波動(dòng)，圖2（c）、（d）趨向于雙目標(biāo)的情況，俯仰角測量結(jié)果明顯變大，符合上述理論推導(dǎo)規(guī)律。但是上述測量結(jié)果并不能代表俯仰角真實(shí)值，由于現(xiàn)實(shí)的海洋環(huán)境是復(fù)雜的，不能避免噪聲和多途影響，對于一個(gè)海洋波導(dǎo)環(huán)境來說，盡管在單目標(biāo)的情況下，獲得的俯仰角測量結(jié)果也僅僅是多途的一種合成效果，并不具有切實(shí)的實(shí)際意義。文中給出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果僅僅是理論推導(dǎo)及仿真結(jié)果的一種近似。目標(biāo)在5公里以外的距離上，坐底設(shè)備的多途合成后俯仰角也趨近于零度。

4 結(jié) 論

由上述理論推導(dǎo)，仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，利用單矢量水聽器要獲得良好的俯仰角測量效果是比較困難的。從理論上看，就算排除噪聲及海洋多途效應(yīng)的影響，當(dāng)存在多余一個(gè)目標(biāo)的情況下，仍然無法獲得正確的俯仰角測量結(jié)果，仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果都證實(shí)了這一點(diǎn)。而且現(xiàn)實(shí)的海洋環(huán)境是不能避免噪聲和多途影響的，對于一個(gè)海洋波導(dǎo)環(huán)境來說，盡管在單目標(biāo)的情況下，利用俯仰角測量公式獲得的俯仰角測量結(jié)果也仍與真實(shí)值有較大差別，事實(shí)上高頻信號(hào)測量獲得的俯仰角僅僅是多途后的合成俯仰角方位，低頻信號(hào)由于簡正波的作用俯仰角測量結(jié)果更是復(fù)雜的合成結(jié)果，并不具有切實(shí)的實(shí)際意義。因此，在利用單矢量水聽器進(jìn)行目標(biāo)俯仰角測量時(shí)由于測量結(jié)果可信度相當(dāng)?shù)停瑢y量結(jié)果務(wù)必要慎重對待。

[1]孫貴青,李啟虎.聲矢量傳感器研究進(jìn)展[J].聲學(xué)學(xué)報(bào),2004,29(6):481-490. Sun Guiqing,Li qihu.Progress of study on acoustic veetor sensor[J].Acta Acustica,2004,29(6):481-490.

[2]Peter Tichavsky,Kainam Thomas Wong,Michael D.Zoltowski.Near-field/far-field azimuth and elevation angle estimation using a single vector hydrophone[J].IEEE Trans.on Signal Processing,2001,49(11):2498-2510.

[3]Shchurov V A.Vector acoustics of the ocean[M].Vladivostok:Dalhauka,2003:13-14.

[4]惠俊英,劉 宏,余華兵,等.聲壓振速聯(lián)合信息處理及其物理基礎(chǔ)初探[J].聲學(xué)學(xué)報(bào),2000,25(4):303-307. Hui Junying,Liu Hong,Yü Huabing,Fan Minyi.Study on the physical basis of pressure and particle velocity combined processing[J].Acta Acustica,2000,25(4):303-307.

[5]姚直象,惠俊英,王德俊,等.單矢量水聽器時(shí)域和頻域雙目標(biāo)分辨能力比較[J].聲學(xué)技術(shù),2004,23(1):222-226. Yao Zhixiang,Hui Junying,Wang Dejun,Cai Ping.Performance comparing about two target partition by single vector hydrophone in time-domain&frequency-domain[J].Technical Acoustics,2004,23(1):222-226.

[6]姚直象,惠俊英,殷敬偉,楊 娟.基于單矢量水聽器四種方位估計(jì)方法[J].海洋工程,2006,24(1):122-127. Yao Zhixiang,Hui Junying,Yin Jingwei,Yang Juan.Four approaches to DOA estimation based on a single vector hydrophone[J].Ocean Engineering,2006,24(1):122-127.

[7]吳艷群,胡永明.矢量水聽器寬帶多途信號(hào)仿真及俯仰角估計(jì)性能研究[J].聲學(xué)技術(shù),2009,28(5):577-581. Wu Yanqun,Hu Yongming.Simulations of broadband multipath signals for vector hydro-phone and the orientation performance study[J].Technical Acoustics,2009,28(5):577-581.

[8]吳艷群,胡永明.Pekeris波導(dǎo)中矢量水聽器定向性能分析[J].兵工學(xué)報(bào),2009,30(11):1484-1487. Wu Yanqun,Hu Yongming.Directional performance of acoustic vector sensors in Pekeris Waveguide[J].Acta Armamentarii,2009,30(11):1484-1487.

Research on the influence of the multi-targets on the single vector hydrophone elevation measurement

MEI Ji-dan,SUN Da-jun,Lü Yun-fei,LAN Hua-lin,SHI Jun-jie
(Science and Technology on Underwater Acoustic Laboratory,Harbin Engineering University,Harbin 150001,China)

A single vector hydrophone can be used to measure the single target elevation angle.When multi-targets appear,the results of the elevation angles will have some error.This paper presents the influence of the multi-targets on the elevation angle measurement theoretically.The conclusion shows that the measurements using the conventional formula are wrong when the multi-targets appear in the same elevation angle.The measurement results will be larger than the actual elevation angle.When the elevation angle of the targets are not same,the measured elevation angles are not the azimuth angle obtained by the synthetic angle of the multi-targets.The measured values may be greater than each elevation angle and have relation with the angle of multi-targets azimuth angles.Finally,the results of the above are testified by simulation and experiment.

vector;elevation angle estimation;multi-targets

TB566

A

10.3969/j.issn.1007-7294.2015.10.015

1007-7294（2015）10-1289-05

2015-01-23

國家863重點(diǎn)項(xiàng)目（2011AA090502）和國家自然科學(xué)基金（61501133）共同資助

梅繼丹（1983-）女，博士，副研究員，碩士生導(dǎo)師，E-mail:meijidan@hrbeu.edu.cn；

孫大軍（1972-）男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，E-mail:sundajun@hrbeu.edu.cn。