矢量水听器阵列的信号模型阵列结构及设置
基于矢量水听器线列阵的方位谱估计方法研究
哈尔滨工程大学硕士学位论文
基于矢量水听器线列阵的方位谱估计方法研究
ABSTRACT
Compared with the pressure hydrophone, vector hydrophone which is composed of pressure hydrophone and particle velocity hydrophone has the ability of measuring the acoustic pressure and Vibration velocity parameters in the sound field at the same time concurrent,which has a DOA estimation ability.Signal processing system which is based on vector sensor has received domestic and foreign scholars’ wide attention and research due to it’s higher ability of parameter estimation and Source detection probability.The development of sub-space of high resolution DOA estimation algorithm has offered a new method to solve the problems of detecting and Positioning the underwater targets. Under this background, this paper will make theoretical researches and simulation experiments on the DOA estimation of the CBF、 MVDR、 high resolution and fast sub-space high resolution in the vector hydrophone line array. Firstly, this paper detailedly introduces the research significance and development history of the vector hydrophone line array，and then research the application of conventional resolution technology on the ideal homogeneous vector hydrophone line array. In this part， this paper firstly researches on CBF and combined velocity beam-forming, then researching the MVDR algorithm on the vector array in order to realizing the adaptive processing the non-ideal environmental conditions and improving the array target resolution capability. According to the simulation results, we can conclude that signal processing of vector array can solve the problem of left-right vague of the target and higher anti-jamming than sound pressures array, and MVDR has a higher ability of target resolution and anti-jamming. In order to break the Rayleigh limit of the CBF, this paper applies the MUSIC, ESPRIT sub-space high resolution DOA estimation algorithm to vector hydrophone linear array model, from the simulation results,finding that in the conditions of low SNR or adjacent source of the signal, high resolution DOA estimation algorithms based on vector array has sharp spectral peak, it can distinguish adjacent target signal sources accurately and improve the target discrimination ability of CBF,MVDR algorithm. Complex calculation has limited the traditional sub-space high resolution algorithms development and application,although it has many advantages.To solve this problem,this paper researches the reduced dimension adaptive filtering technology of MSWF to estimate the sub-space quically, which is applied to sub-space high-resolution DOA estimation algorithms of vector array. Simulation results show that fast sub-space high resolution
一种新型同振式矢量水听器的结构设计与性能研究
一种新型同振式矢量水听器的结构设计与性能研究谢攀;徐袭【摘要】A new suspension system with central fixed is designed by studying the amplitude frequency characteristics of the piezoelectric accelerometer. The design scheme of the co- vibration vector hydrophone with the new suspensionsys-tem is presented, and its performance is simulated. The results show that the central fixed vector hydrophone has compact structure and convenient installation, which is suitable for the installation of the underwater small size platform. It canaccur-ately measure the sound pressure and particle velocity information in the working band.%本文通过分析压电加速度计的幅频特性,设计一种中心位置固定安装的悬挂系统,给出对应的新型同振式矢量水听器的设计方案,并对其性能进行仿真分析.结果表明,中心固定式矢量水听器结构紧凑、安装方便,适合水下小尺寸平台的安装使用,在工作频带内可准确测量声场中声压与质点振速信息.【期刊名称】《舰船科学技术》【年(卷),期】2017(039)009【总页数】4页(P148-150,168)【关键词】矢量水听器;悬挂系统;仿真分析【作者】谢攀;徐袭【作者单位】中国人民解放军91388部队,广东湛江 524022;中国人民解放军91388部队,广东湛江 524022【正文语种】中文【中图分类】TB565.1矢量水听器是一种能够探测水声振速、加速度等矢量信号的传感器[1]，其低频指向性好，空间增益高，较传统声压水听器及其基阵体积更小[2-3]。
采用矢量水听器线列阵的二维波达估计
（ 军 工程大 学 兵器 工程 系 ， 北 武汉 海 湖 ４０３ ） ３ ０ ３
摘 要 ： 提出了采用矢量水听器线列阵的二维波达估计方法。采用非等距稀疏直线阵， 阵元之间的间距任意． 不
受 半 波 长 的 限 制 。每 个 阵 元 （ 矢量 水 听 器 ） 由两 至 三 个 空 间 共点 且 轴 向 垂 直 的 振 速 水 听 器 和 一 个 声 压 水 听 器构 成
Ｋ ｅ ｒ ｓ：ｖ ｃ ｏ ｄ ｏ ｈｏ ｅ ； ｌｎ ｒａ ｙ ｗｏ ｄ ｅ ｔｒｈｙ ｒ ｐ ｎ ｓ ｉ ｅ ａ ｙ； ａ ｉａ ｉｅ ｔｏ ｓｉ ｔｏ ｒ ｖ ｌｄ ｒ ｃｉ ｎ ｅ ｔ ｍａ ｉｎ； ＥＳ ＰＲＩ ；ｐａａ ｌｌＴＬＳ ｍａ ｒｘ Ｔ ｒ ｌｅ ｔｉ ｐｎｉ ｅ ｃｌ ｓ；ｐ ｉ ｎ ａｒ ｇ ｉ
维普资讯
第２ ８卷 ３朗
２０ ０ ６年 Ｏ ６月
探 坝 １与 控 杀 ４学 报
Ｊ ｕ ｎ Ｉ ｆＤｅｅ ｔｏ ＆ Ｃｏ ｔｏ ｏ ｒ ａ ｔｃｉｎ ｏ ｎｒ ｌ
、ｏ ． ８ ｏ １ ２ Ｎ ３
Hale Waihona Puke Ｉｌ． ｏ ６ Ｉ『 ２ ｏ Ｌ１
采 用 矢量 水 听器 线 列 阵 的 二 维 波 达 估 计
ＤＥＮＧ Ｄａ—ｘ ｎ，ＤＥＮＧ ｉ Ｄａ—ｂｉ Ｉ Ｃｈ ｎ —ｓ ｅ ｇ，ＧＯＮＧ ｈ ｎ—ｇ ａ ｇ，ＨＵＡＮＧ ｎ ，Ｌ Ｎ ｕ ｈ ｎ Ｓ ｅ ｕ ｎ Ｂｉ
（ ｅ ａ ｍ ｎ ｏ ａｏ ｒ ｎ ｉｅｒ ｇ Ｎ ｖ ｌ ｎｖｒｉ ｆ ｎ ｉｅｒ ｇ Ｗｕ ａ ３０ ３ ｈｎ ） Ｄ ｐｒ ｅｔ ｆ ｔ Ｗｅｐ ｎｙＥ ｇ ｅｉ ， ａａ Ｕ ｉｅｓｙｏ Ｅ ｇｎｅｉ ， ｈ ｎ４ ０ ３ ，Ｃ ｉａ ｎ ｎ ｔ ｎ
三维同振柱型矢量水听器的制作
Fabr ica tion of a resonan t2cylinder three2d im en siona l vector hydrophone
GUAN L ing2gang, ZHANG Guo2jun, XUE Chen2yang, LAN W ei2jun (National Key Laboratory for Electronic M easurement Technology, North University of China; Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynam ic M easurement (North University of China) ,
4) 矢量水听器的整体组装 。 ①安装加速度计 。将 3个加速度计分别安置在 三面基底支架上 ,并用螺丝固定 ,形成敏感单元 。 ②包裹敏感单元 。将敏感单元用胶带包封成空 心正方体 ,作用是为了减少水听器的平均密度 。 ③清洗模具并标定中心 。用丙酮把模具清洗干 净 ,分别测量加速度计模块和圆柱模具的中心位置 , 并做下记号 。 ④涂抹脱模剂 。将脱模剂均匀涂在模具内侧 , 便于拆模 。脱模剂配方 :硅脂 30% ,甲苯 70%。 ⑤配置聚氨酯 。用烧杯按 1 ∶1 量出适量的聚 氨酯配置成分甲 80 mL 和成分乙 80 mL ,然后不断用 玻璃棒按同一个方向搅拌均匀 ,同时加热 。搅拌均匀 后用真空泵抽真空脱泡 。 ⑥预热 。将模具预热至 30°～50°之间 ,但时间 不要太长 ,这样做的目的是为了防止聚氨酯性能下 降 ,增加浇铸流动性 ,有利于气泡溢出 。 ⑦放置加速度计模块 。将整体加速度计模块悬 挂在固定台上 ,并放置到圆柱灌模具里 ,使加速度计 模块的重心位置尽可能的和圆柱中心位置重合 ,并固 牢在支架台上 。 ⑧灌胶 。将事先调配好的聚氨酯从模具的一侧 慢慢倒入 ,并及时用细针将产生的气泡挑破 ,以防止 在灌封层内出现气泡 。 ⑨烘烤 。将模具放进烘箱 ,温度控制在 60°左 右 ,烘烤 6 h,断电 ,待其自然冷却至室温 。 ⑩拆模 。冷却后 ,拧开模具底盖上的螺丝 ,然后 从底部往上推出固化的聚氨酯 。
标矢量水听器阵列的定向性能对比研究
标矢量水听器阵列的定向性能对比研究陈桂英;刘慧敏;邢丽萍;张国军;张文栋【摘要】随着信号频率的不断降低,标量水听器阵列在保持一定增益、束宽的条件下,阵列孔径越来越大;而且,标量水听器阵列的方位分辨存在左右舷模糊的问题.而矢量水听器阵列能够解决上述问题.文中采用三元均匀线阵进行实验,分别从阵列单频信号定向、阵列增益和阵列的静、动态目标方位历程估计三个方面对标量水听器阵列和矢量水听器阵列的定向性能进行了比较.实验结果表明:矢量水听器阵列的灵敏度更高,定向和定位更精确,能够克服左右舷模糊问题,能够获得更高的信噪比,不仅能对静态目标进行方位估计,而且还能对动态目标进行方位估计,表明矢量水听器阵列在提取信号方面具有更大的优势.【期刊名称】《仪表技术与传感器》【年(卷),期】2014(000)004【总页数】4页(P91-93,97)【关键词】标量水听器阵列;矢量水听器阵列;信噪比;定向;方位估计【作者】陈桂英;刘慧敏;邢丽萍;张国军;张文栋【作者单位】中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室电子测试技术重点实验室,山西太原030051;北京航天控制仪器研究所,北京100854;北方自动控制技术研究所,山西太原030006;中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室电子测试技术重点实验室,山西太原030051;中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室电子测试技术重点实验室,山西太原030051【正文语种】中文【中图分类】TB5650 引言水声检测及定位系统是利用水听器阵列拾取声场信息，对其进行处理，从而判断是否存在目标，估计目标运动参数，对目标进行定位。
随着信号频率的不断降低，标量水听器阵列在保持一定增益、束宽的条件下，阵列孔径越来越大；而且，标量水听器阵列的方位分辨存在左右舷模糊的问题。
而矢量水听器阵列能够解决上述问题[1]。
矢量水听器能够接受振速和声压信号，标量水听器只能接受声压信号。
在水下声场中，噪声可以分为各向同性噪声和各向异性噪声，由于振速具有与频率无关的自然指向性，能很好的抑制各向同性噪声，而声压是标量，不能抑制各向同性噪声，所以矢量水听器在接收声场信号上要比标量水听器优越。
基于MEMS矢量水听器阵列的测向技术研究
III
MUSIC algorithm array error in theory. According to the impact of an array of errors, it focuses on the simulation analysis the magnitude and phase errors that MUSIC algorithm has an impact on DOA estimation. In order to reduce the impact of amplitude and phase errors, this paper studies the single secondary source and the auxiliary array source that two correction algorithm can achieve the amplitude and phase error correction. Finally, MEMS vector hydrophone consisting of a cross array achieved the goal of dynamic tracking. Some of the test data were analyzed and processed on the experiment. The results show that MUSIC algorithm can achieve the azimuth angle of arrival estimation to vector hydrophone array and can track the moving target position very well. array signal processing， direction of arrive estimation, Keywords: MEMS vector hydrophone， measuring direction, array error
矢量水听器信号调理电路设计
矢量水听器信号调理电路设计I. 引言1.1 研究背景和意义1.2 国内外研究现状1.3 论文主要内容和框架II. 矢量水听器信号分析2.1 矢量水听器原理介绍2.2 矢量水听器信号特点分析2.3 矢量水听器信号分析方法III. 矢量水听器信号调理电路设计3.1 信号放大电路设计3.2 信号滤波电路设计3.3 信号采样电路设计IV. 电路实现与测试4.1 电路PCB设计和制作4.2 电路测试方法和结果分析4.3 矢量水听器信号调理电路性能评价V. 结论和展望5.1 研究结果分析和总结5.2 矢量水听器信号调理电路的应用前景5.3 进一步工作的展望VI. 参考文献附录：电路原理图、PCB设计图等第一章矢量水听器信号调理电路设计之引言1.1 研究背景和意义矢量水听器是一种新型的水听器技术，通过对多个水听器阵列的信号进行加权和叠加，可以获得比传统水听器更高的信噪比和方向性，具有广泛的海洋勘探、水下目标探测和定位等应用价值。
然而，矢量水听器信号存在多普勒频移、噪声和杂波等干扰，因此需要进行精确的信号调理，以提高信号质量和抑制噪声干扰。
因此，研究矢量水听器信号调理电路设计具有重要的理论意义和实际应用价值。
1.2 国内外研究现状目前，针对矢量水听器信号调理的研究主要集中在信号处理算法、信号处理器和数字信号处理等方面。
例如，基于小波变换和自适应滤波的信号处理算法可以有效地去除杂波和提高信号噪声比；基于DSP和FPGA的信号处理器可以实现实时处理和高效率的信号调理，成为研究的重点之一。
1.3 论文主要内容和框架本文将针对矢量水听器信号调理电路的设计进行研究，主要包括以下内容：1）矢量水听器信号分析，介绍矢量水听器原理和信号特点；2）矢量水听器信号调理电路设计，包括信号放大、滤波和采样等关键模块的设计；3）电路实现与测试，对设计的电路进行PCB制作和测试，并对电路的性能进行评价；4）结论和展望，总结研究成果并提出未来研究的方向和重点。
矢量水听器微弱信号调理电路设计
矢量水听器微弱信号调理电路设计张勇;文丰;单彦虎;郭静【摘要】Vector hydrophone can be used to detect underwater sound signal, but the output signal is weak and vulnerable to be influenced by noise in the ocean environment, it can’ t be directly used for subsequent collecting circuit.In order to achieve collecting underwater signal which is detected by the vector hydrophone efficiently, a corresponding conditioning circuit is designed according to the output signal characteristics in this paper to achieve a higher signal-to-noise ratio for the subsequent collecting circuit.Validated by software simulation and practical tests that the conditioning circuit is feasible and effective.%矢量水听器用于检测水下声音信号，但其输出信号微弱，易被复杂的海洋环境噪声干扰，不能直接用于后续采集电路，为了实现对矢量水听器检测到的水下声音信号进行有效提取，针对水听器输出信号的特点，设计了一种相应的调理电路，使得后续采集电路可以得到较高信噪比的信号，通过对其进行仿真和实际测试，验证了该调理电路的可行性及有效性。
三维同振球型矢量水听器的特性及其结构设计
压的差值信号，可计算出水听器声中心连线中
点处的声压梯度或质点振速值．由于这种矢量
水听器工作原理及其构成特点，决定了它的工 作频带较窄，声压梯度或振速灵敏度较低，特 别是在低频和弱声场情况下，翰出信嗓比不会 很高．所有这些使 “ 双水听器”型矢量水听器 的应用受到了限制． 外壳静止型矢盘水听器（ （ ） 是在大 图１ ）， ｂ 质量金属外壳或框架上安装敏感元件 （ 例如压 电陶瓷片） ，当水听器置于声场中时，外壳对 声波呈现高的声阻抗，即在声场作用下外壳或 框架“ 巍然不动” 可以近似看作是静止状态， ，
矢量水听器各通道之间、矢量通道与标量
动． １水听居 （ 式矢 １ ）
压电式矢皿水听器 （） ２
（ ） 声压 通道之间的 相位差特性是矢量水听器实
ｉ ｌ ； 一门 ｎ
际应用中的重要性能参数，而这些相位差特性 Ｉ ｕ １ ｌ ｌｌｌ ｎ 只能而且必须依靠合理的结构设计和严格的制
２ 矢，水听器的结构类型
根据水听器与声场的相互作用方式，矢量 水听器可以分为三大类：双声压水听器型、外
一维同振球型矢量水听器 Ｉ． ４ １
３ 表征矢ｔ水听器性能的电声参数
矢量水听器如同一般声压型水听器那样， 要用一系列的电声参数来表征．与声压水听器 相比， 矢量水听器在指向性、 灵敏度和通道相位 的特性方面有些特殊，因而对矢量水听器的这
ｄｏ ｌ ｅ ｒｐａ ｓ ｎ
１ 引言 众所周知，迄今在水声技术领域，普遍使
用声压型接收换能器 （ 水听器） 它把声场中的 ．
声压信号转换成与之成比例的电信号．理论和
能器．它是水声换能器家族中的新成员．由于 其具有独特的优点和广泛的应用前景，它的问 世已经引起人们的普追关注．当今在水声领域 形成了以矢里水听器为核心的 “ 矢量 一 相位” 技术．美国、俄罗斯等国已开展了广泛而深入
小尺度矢量水听器阵列研究
小尺度矢量水听器阵列研究张小勇;张国军;尚珍珍;裴毓【摘要】随着水下无人潜航器（UUV）、鱼雷、水雷等中小武器装备的发展,需要体积更小的声呐系统配合其完成侦察、反潜等任务,但传统的声呐阵列由于其体积、功耗等方面的原因,往往难以直接装备在这类空间受限的平台上。
文章以基于微机电系统（MEMS）的矢量水听器应用为核心,对空间受限条件下的小尺度矢量水听器阵列进行了研究,并对8元矢量水听器阵列进行了设计与仿真,对阵列在增益、波达方位估计等方面的性能进行了分析与仿真,还进一步讨论了MEMS矢量水听器在中小型水下平台的应用前景。
【期刊名称】《太原学院学报：自然科学版》【年(卷),期】2018(036)001【总页数】3页(P72-73)【关键词】矢量水听器;小尺度;阵列;波达方位估计【作者】张小勇;张国军;尚珍珍;裴毓【作者单位】[1]太原学院,山西太原030032;;[2]中北大学仪器与动态测试技术教育部重点实验室,山西太原030051;;[2]中北大学仪器与动态测试技术教育部重点实验室,山西太原030051;;[2]中北大学仪器与动态测试技术教育部重点实验室,山西太原030051【正文语种】中文【中图分类】TN912引言近年来,水下无人潜航器(UUV)、水雷等中小型水下武器的发展获得了各国军方的广泛关注。
发达国家的武器研究计划中均将其列入重点研发计划,各种智能化、信息化手段的应用使得这类武器装备具备了智能识别、自主打击等能力,进一步加强了其“不对称威胁能力”,即能够以较低的成本,造成敌方较大损失[1]。
虽然我国在声呐研究领域有较好的基础,国产声呐产品技术指标也达到了国际先进水平,但是由于体积、功耗等方面的原因,典型的船用声呐系统难以在中小型水下武器平台上直接应用。
基于微机电系统(MEMS)的矢量水听器具有体积小、功耗低等优势[2],能够满足这类平台对体积、功耗等的要求。
1 小尺度矢量水听器阵列性能分析中小型水下武器所使用的水听器阵列要求具有小的尺度,而水听器阵列的尺度主要取决于水听器的本身的尺寸与阵元间距。
单片集成阵列式MEMS矢量水听器设计与仿真
单片集成阵列式MEMS矢量水听器设计与仿真单片集成阵列式MEMS矢量水听器是一种可以用于水下声学和声呐的高性能传感器。
它可以实现对水中声音的准确测量，具有经济、高效和精确的特点。
本文将介绍关于单片集成阵列式MEMS矢量水听器的设计与仿真。
1. 设计方案为满足复杂水下环境中的测量需求，本文采用一个多元MEMS晶圆，将多个听器单元集成在同一块硅芯片上，由此构成了一个矢量水听器阵列。
采用CMOS集成电路工艺制备晶圆，使用并行平板扩散法生长适宜的硼掺杂层，以形成单元电池。
为了尽可能降低系统的噪声，设计中采用了多种降噪技术，并将矢量水听器阵列和降噪电路集成在同一块芯片上。
此外，为了实现快速响应和灵敏的测量，采用了高速放大器和AGC电路。
为了减少系统的大小和成本，本文还采用了一种双层PCB设计，将集成电路和被动元件都集成在同一块芯片上，在贴片面实现器件的布局和联接。
这种双层PCB设计不仅降低了系统成本，而且可提高器件的可靠性。
2. 仿真分析在对单片集成阵列式MEMS矢量水听器进行仿真分析时，需要考虑多个因素。
其中包括信噪比、频率响应、灵敏度和带宽等因素。
理论分析和仿真结果表明，本文所设计的水听器具有优秀的性能，可以在复杂的水下环境中精确测量和分析水压、水流等声学参数。
3. 结论本文设计了一种单片集成阵列式MEMS矢量水听器，在设计中采用了多种降噪技术，高速放大器和AGC电路，采用双层PCB设计实现器件的布局和联接。
仿真分析表明，该水听器具有优秀的性能，可以在复杂的水下环境中精确测量和分析水压、水流等声学参数。
这种设计具有经济、高效和精确的特点，可以在水下声学和声呐领域得到广泛的应用。
单片集成阵列式MEMS矢量水听器是一种具有优秀性能的传感器，下面将从信噪比、频率响应、灵敏度和带宽等方面分析其相关数据。
1. 信噪比信噪比是评估水听器性能的一个重要指标。
它是信号强度与噪声强度之间的比值。
在采集声学信号时，噪声会影响系统的测量精度和鉴别能力。
MEMS矢量水听器阵列信号处理研究
Ｒ＝ ∑ Ｖ ＋ ∑ ， ｓ ＂
式中
（） ３
为 由大特 征值对 应 的特征 向量 张成 的子空 间亦
体 周伺 介质 的密度 与水接近 。因此 ， 在透声 橡胶 帽 内注满
与水密度接近又绝缘 的硅油 。水 听器 的封装示 意 图如图 ２
所示 。
即信号子空间 ， 为 由小特征值对应 的特征矢量 张成 的子
图 ２ ＭＥ ＭＳ水 听 器 的 封装 示 意 图
Ｆｉ Ｄｉ ｇ ａ ｏ ｈ ｎ ａｐ ｕ ａ ｅ ＥＭ Ｓ ｖ ｃ ｏ ｄｒ ｐ ｎｅ ｇ２ ａ ｒ ｍ ｆ ｔ ｅ ｅ ｃ ｓ ｌ ｔ ｄ Ｍ ｅ ｔ ｒ ｈｙ ｏ ｈｏ ｓ
， ＝ ３ 组 阵 实 验 研 究
．
㈩
利 用国防一级计量站 的矢量水 听器校 准装置对 ＭＥ ＭＳ 矢量水 听器 进行了初 步标定 ， 标定结 果如 图 ３所 示。 由此
为了验证 ＭＥ 矢量 阵的 目标估 计性能 ， ＭＳ 进行 了多次
外 场实验。实验环境 为深海 ， 测试海域比较宽 阔， 测试 水域 较 深 ， 以， 所 环境 噪声 较为理想 ， 以认 为是各 向同性 噪声 可 场 。实验采用 的是面 阵 ， ２个平 行 的均 匀线 阵组 成 ， 由 其 中， 每个线阵均是 由３只 ＭＥ ＭＳ矢量水听器组成 ， 各阵元间
ａ ｌｃ ｔｏ ｐｐ ｉａｉｎ． Ｋｅ ｙ ｗｏｒ ｄｓ： ＭＥＭ Ｓ ｖ ｃｏ ｒａ ｅ ｔｒａ ｒｙ；Ｍ ＵＳ Ｃ ｌｏ ｉｈ ；ｓｇ ａ ｏ ｅ ｓｎｇ Ｉ ａｇ ｒｔ ｍ ｉｎ ｐｒ ｃ ｓ ｉ ｌ
０ 引 言
和对水下运动 目标 的可靠跟 踪能力 ， ＭＥ 为 ＭＳ矢 量水听器 的工程化应用 奠定 了基础 。
收 稿 日期 ：０ １ １— ５ ２ １ － １ １