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障板条件下矢量水听器应用研究

朱中锐  
【摘要】:矢量水听器的出现,突破了声纳设备获取水下声信号长期依靠标量声压水听器的限制,为我国声纳技术的发展开辟了新的途径。矢量水听器可以空间共点同步拾取声场一点处的声压和质点振速矢量,利用获取的声压和质点振速可在全空间对声源进行无模糊定向,且获得等价于四元声压阵声纳系统的检测性能,这种水声传感器的紧凑型配置方式为解决水下小尺度平台湿端布置空间受限的问题提供了很好的解决方案。矢量水听器还具有不依赖于声波频率的空间指向性,这个优点在水声系统低频化发展的趋势下显得尤为突出,能够使得基于矢量水听器的声纳系统具有更好的低频适应性。当利用多个矢量水听器组成声纳基阵时,能够将矢量水听器的抗噪能力和阵列系统的空间分辨能力有机结合起来,进一步提高声纳系统的性能,获得比相同数目的声压阵更好的性能;或者在相同的性能指标要求下,能够显著的减小阵元数目。矢量水听器的诸多优势使得这项技术已经成功应用于低噪声测量系统、海上浮标声纳、拖曳阵声纳等水声设备中。但是上述应用都是假设矢量水听器处于自由场条件下,当矢量水听器安装于水面船舶和水下航行器等载体时,由于载体障板声学散射的影响,会导致矢量水听器性能发挥受到极大影响。如何在水面和水下载体声障板条件下应用,并且使得矢量水听器可以取得海上声纳浮标设备那样的良好效果,成为急需解决的一个难题。本文以船舶上三型典型声纳设备声障板——矩形、圆柱形和球形障板为模型,研究上述三种障板声散射近场矢量特性以及相应障板条件下矢量信号处理方法。 针对矩形障板,以工程实际中使用的弹性矩形空气腔障板为研究对象,探讨了弹性矩形空气腔障板水下声散射,将弹性矩形空气腔障板建模为无限大刚硬平幕中,镶嵌一块可以振动的板,板的两侧流体分别为水和空气,板的边缘满足简支边界条件。给出弹性矩形空气腔障板水下声散射声场的解析解,并且验证了该模型的合理性以及推导公式的正确性,在此基础上研究了弹性矩形空气腔障板水下声散射近场矢量特性。由于矩形空气腔障板声散射的声压场和质点振速场的表达式比较复杂,不利于后续的信号处理,将散射声场表示为反射系数刻画的简洁的模型,这样,就建立起反射系数所表征的矩形空气腔障板条件下矢量线阵的测量模型。基于该测量模型研究了矩形障板条件下矢量线阵阵列信号处理方法,在直接阵元域实现了声压和振速的相干信号处理。与相同阵型的声压阵相互比较的结果表明,矩形障板条件下矢量线阵仍然能够充分发挥矢量水听器的优点。 针对圆柱形障板,考虑工程实际,采用密闭的圆柱形空气腔壳体作为圆柱形基阵的反声障板。首先研究有限长圆柱壳体水下声散射,在前人研究的基础上,采用弹性力学中的薄壳理论(Donnell方程)表述圆柱壳体运动,并在一定的近似假设下给出有限长圆柱空气腔壳体表面水下声散射声场的解析解,在此基础上研究了有限长圆柱空气腔壳体水下声散射近场矢量特性。在此基础上将传统的障板条件下标量圆弧阵的相位模态域信号处理方法引入圆柱形障板条件下的矢量圆阵,对远场平面波激起的圆柱形障板附近声场,将复杂的近场干涉图案分解为规则的相位模态域图案,提出了矢量圆阵声压振速相位模态域阵列信号处理方法,在相位模态域实现了声压和振速的相干处理,将矢量水听器的抗噪能力与圆阵阵列系统的分辨能力有机结合起来,同时将子空间类DOA(direction of arrival)估计算法和相位模态域阵列信号处理技术有机结合起来,从而将矢量水听器的适用范围扩展至圆柱形障板条件。 本文还研究了球形障板条件下矢量水听器的应用。首先采用薄壳理论和分离变量法研究球形空气腔壳体水下声散射,重点研究空气腔球壳水下声散射近场矢量特性,在此基础上从球形障板条件下声矢量圆阵阵元域信号的表达式出发,利用声场分解理论,将阵元域信号表示为若干阶正交的相位模态,然后给出声压、径向振速和切向振速的预处理矩阵,利用预处理矩阵将声矢量圆阵阵元域信号变换到相位模态域,在相位模态域给出了协方差矩阵的生成方法,然后进行方位估计,实现了球形障板条件下声压和振速的相干处理,将矢量水听器的适用范围扩展至球形障板条件。 本文设计了矩形空气腔障板三元矢量线阵和圆柱形空气腔障板八元矢量圆阵水声试验系统,开展了外场试验研究,试验结果和仿真结果符合得较好,验证了本文理论的正确性。为矩形空气腔障板和圆柱形空气腔障板条件下矢量水听器的工程应用提供了试验基础。


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