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单矢量水听器信号处理研究

姚直象  
【摘要】:矢量声场时声波场的重要组成部分,但在相当长的一段时间内没有受到重视,声波的矢量信息却被忽略了。矢量水听器,又称组合传感器由传统的无指向性声压水听器和具有与频率无关的偶极子自然指向性的质点振速水听器组合而成,它可以在空间共点、同时测量声场中的声压(标量场)和振速(矢量场)信息。同时利用声压、振速进行联合信息处理,能够提高信号的检测性能和改善参数估计的精度。因此,矢量水听器相关技术正在成为水声工程领域令人瞩目的研究方向之一。本论文选择单矢量水听器信号处理作为研究对象,讨论单矢量水听器在信号检测和方位估计中的性能,具有一定的理论和工程意义。 论文首先讨论了相干源辐射声场和各向同性噪声场中声压、振速的相关性,前者中声压振速是完全相关的,后者中声压、振速是不相关的,这是声压、振速联合信息处理抗干扰的基础。介绍了单个矢量水听器振速的偶极子指向性,以及声压、振速的组合单边指向性,这种组合单边指向性非常有利于抗方向已知的相干干扰分,推导了各种组合的处理增益。 其次,根据背景干扰和信号样式的不同,提出了单矢量水听器方位估计的4种方法;阐述了这4种方法的原理,并进行了计算机仿真,指出平均声强器方位估计适用于各向同性噪声场背景干扰,讨论了平均声强器的处理增益;目标辐射噪声中有线谱时,线谱方位估计有很好的性能,其中的LOFAR线谱和高频解调得到的DEMON线谱都是目标的特征谱线,可以利用它们进行方位估计,详细讨论了利用特征线谱单个矢量水听器分辨多目标的性能;直方图方位估计能抗强线谱相干干扰;加权直方图方位估计可以抗宽带相干干扰。 论文最后给出了矢量水听器湖试和海试结果,说明了单矢量水听器灵敏度和相位的校准方法;湖试验证了各向同性噪声场声压、振速是不相关的,而相干源信号的声压振速是完全相关的。湖(海)试表明在无相干干扰时平均声强器方位估计和直方图方位估计都有较好的方位估计性能;有强线谱相


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