張小勇,張國軍,尚珍珍,裴 毓

(1.太原學院,山西 太原030032;2.中北大學儀器與動態(tài)測試技術教育部重點實驗室,山西 太原 030051)

引言

近年來,水下無人潛航器(UUV)、水雷等中小型水下武器的發(fā)展獲得了各國軍方的廣泛關注。發(fā)達國家的武器研究計劃中均將其列入重點研發(fā)計劃,各種智能化、信息化手段的應用使得這類武器裝備具備了智能識別、自主打擊等能力,進一步加強了其“不對稱威脅能力”,即能夠以較低的成本,造成敵方較大損失[1]。雖然我國在聲吶研究領域有較好的基礎,國產(chǎn)聲吶產(chǎn)品技術指標也達到了國際先進水平,但是由于體積、功耗等方面的原因,典型的船用聲吶系統(tǒng)難以在中小型水下武器平臺上直接應用?；谖C電系統(tǒng)(MEMS)的矢量水聽器具有體積小、功耗低等優(yōu)勢[2],能夠滿足這類平臺對體積、功耗等的要求。

1 小尺度矢量水聽器陣列性能分析

中小型水下武器所使用的水聽器陣列要求具有小的尺度,而水聽器陣列的尺度主要取決于水聽器的本身的尺寸與陣元間距。中北大學研制的MEMS矢量水聽器封裝后直徑僅為30 mm[3],該水聽器大大降低了傳感器本身對陣列的尺度的影響,使得在設計時可以進一步減小陣元間距,從而得到適用于中小型水下平臺的被動聲吶。

1.1 矢量水聽器陣列增益分析

陣列增益是陣列性能的重要指標,不失一般性地,這里只考慮二維矢量水聽器,其聲壓標量與2路矢量信號輸出分別如公式(1)、(2)、(3)所示[4]。

p(t)=x(t)

(1)

vx(t)=x(t)·cosθ

(2)

vy(t)=x(t)·sinθ

(3)

其中x(t)為聲壓信號,θ為信號的波達方向。將輸出信號以公式(4)、(5)形式組合,其中φ為引導方位,即可得到vc(t),vs(t)兩個可電子旋轉的組合振速。

vc(t)=vx(t)cosφ+vy(t)sinφ=x(t)cos(θ-φ)

(4)

vs(t)=-vx(t)sinφ+vy(t)cosφ=x(t)sin(θ-φ)

(5)

通過其它形式的組合,還能夠進一步形成具有其它特性的組合振速,從而滿足對系統(tǒng)指向性的要求。當引導方向與波達方向一致時,在高斯白噪聲下,陣列組合振速vc所取得的最大增益如式(6)所示[5-6]。

AG=10logn+6

(6)

式(6)中,陣列增益由兩部分組成,10logn是聲壓陣在理想情況下取得的最大增益,其中n是構成陣列的陣元數(shù),6dB的附加增益,則是由于矢量水聽器獲取了比聲壓水聽器更多的信息[7-9]。

1.2 陣元間距對陣列性能的影響

在上節(jié)的推導過程中,假設各陣元所接收到的信號相關系數(shù)為1,噪聲相關系數(shù)為0。在實際中,相關系數(shù)并非理想情況,當陣元間距縮小時,各陣元所接收到的信號與噪聲的相關性會同時增加,信號相關性的增加對陣列增益、方位估計等有利,但噪聲相關性的增加則會降低增益與方位估計精度。

這里以陣列的方位估計能力為參數(shù),考察陣元間距對陣列性能的影響。設陣列需要區(qū)分兩個方位相差30°的信號。這里對不同間距下使用多重信號分類(MUSIC)算法進行方位估計的性能進行了仿真,仿真軟件采用Matlab,仿真參數(shù)如下:噪聲為高斯白噪聲,信號波長為1米,信噪比0dB,快拍數(shù)200,聲源方位分別為20°、50°。對仿真200次實驗的結果進行統(tǒng)計得到能夠正確實現(xiàn)方位估計的概率,兩支傳感器陣元間距從λ/2(λ為信號的波長)開始從大往小變化時,聲源能被分辨的概率逐漸降低,聲源被分辨的概率隨陣元間距變化過程如圖1所示。

圖1 聲源被分辨的概率隨陣元間距變化圖

由圖1可見,陣元間距的縮小對陣列的性能有較大的影響,當陣元間距取λ/20時,兩個聲源的波達方向被正確分辨的概率為87.5%,當間距進一步縮小時,這一概率極巨下降直至兩個聲源不能夠被分辨。因此,為了保護矢量水聽器陣列的性能,小尺度矢量水聽器陣列的陣元間距小不應低于λ/20。

2 8元矢量水聽器陣列設計與仿真

已存在的多數(shù)方位估計方法均是基于等間距均勻直線陣列的,因為這類型陣列的信號遵循范德蒙行列式的形式,能夠方便地進行數(shù)據(jù)處理。因此,研究小尺度均勻直線陣列是進一步研究其它形式陣列的基礎,具有重要的實際意義。這里以8元矢量水聽器均勻直線陣列為例,通過優(yōu)化設計,以較小的陣元間距構成線型陣列,在給定的仿真參數(shù)下,對其性能進行了仿真與性能估計。

2.1 陣列設計參數(shù)

基于MEMS矢量水聽器的8元線型陣列,總體結構如圖2所示,假設被測目標最高輻射頻率為1000 Hz,其陣元間距取λ/20即0.15 m,陣列總長度為1.05 m,各個陣元通過電纜連接至數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，8元線型陣列總體結構如圖2所示。

圖2 8元線型陣列總體結構圖

2.2 仿真與性能估計

按照所設計8元線型陣列,在Matlab中建模仿真,仿真參數(shù)為聲源頻率1000Hz,信噪比0dB,快拍數(shù)200,聲源方向角為45°,使用MUSIC算法得到的MUSIC譜圖如圖3所示。

圖3 MUSIC譜圖

由仿真可知,波達方位能被很好地分辨。在陣列總長度較小的情況下,所設計的陣列在波達方向估計方面仍具有較好的性能。

3 結論

本文討論了矢量水聽器陣列陣元間距對其性能的影響,通過使用MEMS矢量水聽器做為陣元,設計了8元矢量水聽器,并進行了仿真與研究,證明其具有較好的性能。但在實際環(huán)境中,由于環(huán)境噪聲、水聽器性能、安裝誤差等的影響,文中所使用的陣元間距參數(shù)需要進一步研究,才能達到較好的性能。