单矢量水听器的高分辨方位估计应用研究

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噪声环境下单矢量水听器高分辨定向技术研究

陈羽，王伟，王建飞，马树青，孟洲
（国防科技大学光电科学与工程学院，湖南长沙４１００７３）摘要：单矢量水听器高分辨定向技术研究对于远距离目标测向有重要意义．根据单矢量水听器自身具有流型的特点，
将矩阵滤波器用于定向前的预处理，可以有效抑制不感兴趣方向的噪声．将滤波后的数据协方差进行特征值分解，得到
ｉｓａｖｅｒｙｉｍｐｏｒｔａｎｔｍｅｃｈａｎｉｓｍｆｏｒｄｅｔｅｃｔｉｎｇｔｈｅｄｉｒｅｃｔｉｏｎｏｆａｔａｒｇｅｔｉｎｌｏｎｇｄｉｓｔａｎｃｅｒａｎｇｅ．Ｔｈｅｓｐａｔｉａｌｉｆｌｔｅｒｗａｓｕｓｅｄｏｒｆｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔｔｏｒｅｓｔｒａｉｎｔｈｅｎｏｉｓｅｆｒｏｍｕｎｉｎｔｅｒｅｓｔｅｄｄｉｒｅｃｔｉｏｎｓ．Ｔｈｅｍｅｔｈｏｄｉｓｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｐｒｅｍｉｓｅｓｔｈａｔａｓｉｎｇｌｅｖｅｃｔｏｒｈｙｄｒｏｐｈｏｎｅｈａｓｉｔｓｏｗｎａｒｒａｙｔｙｐｅ．Ｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｓｔｕｄｙｅｘｐｌｏｒｅｓｔｈｅｉｄｅａｔｈａｔａｎｅｗｎｏｉｓｅｓｕｂｓｐａｃｅｃａｎｂｅｏｂｔａｉｎｅｄａｆｔｅｒｄｅｃｏｍｐｏｓｉｎｇｔｈｅｃｏｖａｒｉａｎｃｅｍａｔｉｘｒｏｆｔｈｅｉｌｆｔｅｒｅｄｄａｔａａｎｄｔｈｅｉｍｐｒｏｖｅｄａｌｇｏｉｔｒｈｍｕｓｅｄｏｒｆｔｈｅｈｉｇｈ — ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎＤＯＡｅｓｔｉｍａｔｉｏｎｏｆａｓｉｎｇｌｅｖｅｃｔｏｒｈｙｄｒｏｐｈｏｎｅｗｉｔｈｎｏｉｓｅｃａｎａｌｓｏｂｅｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｆｔａｅｒａｍｅｎｄｉｎｇｔｈｅ

单矢量水听器MUSIC估计与互谱估计的性能比较研究

Ｖｏ１．３３Ｎｏ．６２０１３．６
船电技术ｌ应用研究
单矢量水听器ＭＵＳＩＣ估计与互谱估计的性能比较研究
钱富，程锦房，方石
（１．海军工程大学，武汉４３００３３：２．海军驻宜昌地区军事代表室，湖北宜昌４４３００３）摘要：为了研究单矢量水听器的目标方位估计能力，将ＭＵＳＩＣ算法和互谱法分别用于单矢量水听器方位估计。根据单矢量水听器的阵列流形特点，将子空间分解理论应用到单矢量水听器方位估计上，实现了单矢量水听器的ＭＵＳＩＣ高分辨方位估计。对单个的目标进行方位估计仿真，同时将ＭＵＳＩＣ算法与互谱法进行比较，得到在低信噪比下，ＭＵＳＩＣ算法的方位估计精度要高于互谱法。在高信噪比下，ＭＵＳＩＣ算法和互谱法的方位估计有比较好的性能。水库试验数据验证了该ＭＵＳＩＣ算法和互谱法的有效性。关键词：ＭＵＳＩＣ算法单矢量水听器子空间分解高分辨估计中图分类号：ＴＢ５６６文献标识码：Ａ互谱估计
ｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｆｏｓｉｎｇｌｅａｃｏｕｓｔｉｃｖｅｃｔｏｒ－ｈｙｄｒｏｐｈｏｎｅ，ｔｈｅＭＵＳＩＣｈｉｇｈ — ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎＤＯＡｅｓｔｉｍａｔｉｏｎｂａｓｅｄ

基于单矢量水听器的海洋环境噪声方向性分析方法研究

基于单矢量水听器的海洋环境噪声方向性分析方法研究单矢量水听器是一种使用成本较低的水声设备，广泛应用于海洋环境的噪声监测中。

在海洋环境中，噪声的方向性对于大气声学、海洋生物学、海洋地质学等领域的研究都至关重要，因此，研究单矢量水听器在海洋环境噪声方向性中的应用具有重要意义。

在单矢量水听器的应用中，常使用多个水听器共同配合工作，通过水听器之间的距离和信号的差异，可以实现声波到达的方向识别。

在使用中，首先需要确定水听器的位置布局和阵列方向，以确定单矢量水听器的方向响应。

然后，利用信号分析技术，分析从各个方向传来的声波信号，并计算出声源的方向。

具体地说，首先需要获取水听器阵列接收到的声压信号，然后根据空间位置信息对信号进行时延对齐，并对信号进行滤波处理，以消除信号中的杂音和干扰。

在信号处理的基础上，可以使用支持向量机（SVM）、神经网络、模糊逻辑等算法，以从数据中提取方向性信息。

最后，通过机器学习模型，能够快速准确地确定声源的位置，并实现噪声方向性分析。

此外，还需考虑下列因素：受到的噪声影响、水听器的灵敏度和信噪比等因素。

这些因素的影响是不同的。

例如，信噪比低的情况下，可能只有一部分的声波能够被单矢量水听器检测到。

因此，在确定阵列布局和信号处理算法时，需要综合考虑各种因素，以准确识别噪声方向。

总的来说，单矢量水听器在海洋环境噪声方向性分析中的应用具有广泛的前景。

同时，在进行分析时，应综合考虑各种因素，以实现准确方向性分析，为海洋环境研究提供更准确、更全面的数据支持。

海洋环境噪声是指在海洋中传播的各种声波信号，可能来源于海洋工程、运输、船只、生物活动或其他人类活动。

研究这些噪声对海洋生态系统、海底地质环境及人类活动等方面的影响，是当今海洋环境学领域的重点之一。

下面将列出一些相关数据，并进行分析说明。

1. 首尔东海岸近海每月平均声压级和频率分布声压级（dB） 20-30 30-40 40-50 50-60 >601月 15.2 37.8 34.5 11.0 1.52月 14.1 37.9 35.0 11.6 1.43月 13.3 37.3 35.9 12.2 1.34月 13.0 37.1 36.2 12.8 0.95月 13.0 37.1 36.4 12.9 0.66月 17.6 39.2 33.2 9.7 0.47月 16.0 37.5 35.3 10.5 0.78月 14.1 36.5 36.6 11.8 0.99月 13.1 35.7 37.4 12.9 0.910月 12.1 36.2 37.8 13.3 0.611月 13.1 37.7 35.6 12.2 1.412月 14.1 37.6 34.7 11.8 1.8分析：从数据中可以看出，不同季节、不同月份的噪声水平存在较大差异。

单压差型矢量水听器方位估计的优化研究

ＤＯＩ：１０．３９６９／ｉ．ｉｓｓｎ．１０００— １０９３．２０１４．０３．００８
ＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆＤｉｒｅｃｔｉｏｎ・－ｏｆ－－ａｒｒｉｖａｌＥｓｔｉｍａｔｉｏｎｏｆＳｉｎｇｌｅＰｒｅｓｓｕｒｅ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｐｅｆｒｏｒｍａｎｃｅｏｆｄｉｒｅｃｔｉｏｎ－ｏｆ－ａｒｒｉｖａｌ（ＤＯＡ）ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎｏｆｓｉｎｇｌｅｐｒｅｓｓｕｒｅｇｒａｄｉｅｎｔｖｅｃｔｏｒ
两种。同振型矢量水听器采用加速度计作为敏感元件，制作工艺要求苛刻，价格较贵，一般适合较
低的工作频段。压差型矢量水听器又称声压梯度型
轴的正半轴的夹角；ｎ（ｉ＝１，２，３，４）为对应阵元的
厶
（２）
当ｋｒ＜＜ｌ时，中心点处声压简化为ｐ（）＝ｅ ‘ ¨，（３）
然比方位估计；复声强法实质是对声压和振速信
号进行互谱处理，在频域利用声强的矢量性进行方位估计，当信号不在同一个频段工作时，该方法具有分辨多目标方位的能力。近期，梁国龙等、陈羽等又提出了基于单矢量水听器的高分辨方位

基于单矢量水听器的两种方位估计方法

究，发表了矢量水听器的设计、制作、校准、矢量水
及优缺点，并用两种方法处理了某海域海上实验数据。两种算法的处理结果高度吻合，证明了两种算法的正确性和实用性。实验结果表明加权平均法可同时探测多个目标，而平
均声能流法仅适用于单目标的情况，但运算量小。
ＷｅｎｇＦｅｎｇＬｉＳｏｎｇｙａｎｇ２ＺｈａｎｇＣｈｉｆｅｉ
（１．Ｕｎｉｔ６１７６８，Ｓａｎｙａ５７２０００，Ｃｈｉｎａ；２．ＭｉｌｉｔａｒｙＲｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｖｅＯｉｃｆｅａｔＮａｎＹａｎｇＰｒｅｆｅｃｔｕｒｅｏｆＷｕｈａｎＢｕｒｅａｕ，Ｎａｎｙａｎｇ４７３６７８，Ｃｈｉｎａ）
ｔａｒｇｅｔ．ｂｕｔｔｈｅｌａｔｔｅｒｏｎｅｎｅｅｄｓｌｅｓｓｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎｌａｃｏｓｔ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｉｎｇｌｅｖｅｃｔｏｒｈｙｄｏｐｒｈｏｎｅ；ＤＯＡ；ｍｅｔｈｏｄｏｆｗｅｉｇｈｔｅｄａｖｅｒｇｅ；ｍｅａｔｈｏｄｏｆａｖｅｒｇｅａｓｏｕｎｄ
关键词单矢量水听器方位估计加权平均法平均声能流法
ＴｗｏＤｏＡＥｓｔｉｍａｔｉｏｎＡｐｐｒｏａｃｈｅｓＢａｓｅｄ

基于遗传算法的单矢量水听器多目标方位估计

中图分类号：Ｔ５５１Ｂ６．文献标识码：Ａ文章编号：００３３（０７一２０６．４１０．６０２０） —１９００
Ｄｉｅｔｏｅｔｍａｉｎｏｕｌｉｓｕｒｅｉａｓｎｌｅｔｒｒｃｉｎｓｉｔｏｆｍｔ－ｏｃｓｕｓｎｇｉｇｅｖｃｏｔａｓｒｎｄｕｃｒｅｗｉｈｅｅｉａｇｒｔｔｇｎｔｃｌｏｉｈｍ
ｔａｓｕｅｓｐｔａｌｄｒｃｉｎａ．Ｆｏｔｉｒａｏｒｎｄｃｒｉｓａｉｌｙｉｅｔ１ｏｒｈｓｅｓｎ，ｖｃｏｓｇｌｒｃｓｉｇｅｈｉｕｅａｅｄｆｅｅｔｅｔｒｉｎａｐｏｅｓｎｔｓｒｃ：Ｖｅｔｒｔｎｄｃｒｏｓｓｉｇｏｏｈａｏｓｉｒｓｕｅａｄａｏｓｉａｔｌｅｏｉｒｎｃｏｒｓｕｅｓｃｎｉｔｆｂｔｃｕｔｐｅｓｒｎｃｕｔｐｒｉｅｖｌｃｔｔ・ａｎｃｃｃｙａ－
（．哈尔滨工程大学水声工程学院，黑龙江哈尔滨１００；２大连测控技术研究所，辽宁大连１０１）１５０１１６３
摘要：矢量水听器能同时获得声场中某一点的声压标量和质点振速矢量，得了比常规声压水听器更多的信息。获矢
ｐｅｓｒｒｎｄｃｒｒｓｕｅｔｓｕｅ．Ａｈｏｇｌｌｍｅｔｎａｖｃｏｒａｒｉａｅｔｏｅｐｉｔｔｅｖｃｏａｈｕｈａｌｅｎｓｉｅｔｒａｒｙａｅｓｔｔｄａｎｏｎ，ｈｅｔｒｅｕ

一种改进的WSF算法在单矢量水听器多目标方位估计中的应用

一种改进的WSF算法在单矢量水听器多目标方位估计中的应
用
一种改进的WSF算法在单矢量水听器多目标方位估计中的应用
文章针对单个矢量水听器的多目标方位估计,提出了一种基于加权子空间拟合(WSF)的算法,该算法首先对单个矢量水听器接收数据作一任意的时间延迟,而后仿照ESPRIT算法的思路求解阵列响应矩阵,从中抽取各目标的波达方位.该算法在保留WSF算法分辨力高、估计方差小的优点的同时,通过结合ESPRIT算法的思想,克服了WSF算法计算量大,需迭代求解的缺点.由于该算法和声源频率无关,因而可直接应用于宽带声源的测向,并避免了传统ESPRIT算法中因估计延时相位而导致的频率-方位模糊问题.文中通过数值仿真和推导Cramer-Rao下界,给出了该算法的性能评价,数值仿真和湖试实验结果也充分验证了该算法的有效性.
作者：杨秀庭孙贵青陈新华李启虎 YANG Xiu-ting SUN Gui-qing CHENG Xin-hua LI Qi-hu 作者单位：中国科学院声学研究所,北京,100080 刊名：声学技术ISTIC PKU英文刊名：TECHNICAL ACOUSTICS 年，卷(期)：2007 26(2) 分类号：P731.2 关键词：矢量水听器波达方位估计加权子空间拟合。

基于单矢量水听器四种方位估计方法

文章编号:100529865(2006)0120122206基于单矢量水听器四种方位估计方法姚直象1,2,惠俊英1,殷敬伟1,杨　娟1(1.哈尔滨工程大学水声工程学院,黑龙江哈尔滨　150001;2.海军工程大学电子工程学院,湖北武汉　430033)摘　要:单矢量水听器能同时拾取声场的声压和振速信息,可以估计目标方位。

根据不同的噪声背景和信号形式,单矢量水听器有多种方位估计方法。

平均声强器的处理方法能很好地抗各向同性的非相干干扰;线谱方位估计能有效检测辐射线谱信号的目标,并进行目标方位估计。

当宽带信号中存在线谱相干干扰,以及线谱信号被宽带相干噪声干扰时,上述两种方法不能检测目标。

为解决这个问题,新提出了直方图和加权直方图两种方法,直方图方位估计法能抗强线谱相干干扰,并能区分含线谱的多目标;加权直方图方位估计法能从宽带相干干扰中检测目标,估计目标方位。

并着重介绍了后两种方法的原理,对四种方法进行了计算机仿真,并用海试结果验证了上述结论。

关键词:单矢量水听器;信号处理;直方图;方位估计;平均声强器;相干干扰中图分类号:T B56 文献标识码:AF our approaches to DOA estimation based on a single vector hydrophoneY AO Zhi 2xiang 1,2,H UI Jun 2ying 1,YI N Jing 2wei 1,Y ANGJuan 1(1.C ollege of Underwater Acoustic Engineering ,Harbin Engineering University ,Harbin 150001,China ;2.C ollege of E lectronic Engineer 2ing ,Navy Engineering University ,Wuhan 430033,China )Abstract :A single vector hydrophone can be used in DOA estimation.According to different existences of noise background and signals ,there are several approaches to azimuth angle estimation based on a single vector hydrophone.Acoustic intensity averager can effectively suppress is otropic non 2coherent interference.Based on line 2spectra we can effectively detect the target radiating line 2spectra.But the tw o methods cann ’t do well in the condition of either line 2spectra coherent interference lying in broadband signal or broadband coherent interference lying in line 2spectra signal.T w o new approaches are put forward.One is bar graph approach which can suppress line 2spectra coherent interference and i 2dentify different targets radiating line 2spectra.The other is weighted bar graph approach which can detect a target in broadband coherent inter 2ference and estimate its azimuth angle.The principles of the tw o are introduced.S imulations of the 4approaches based on computer are given.The result of trial in sea validates these conclusions.K ey w ords :single vector hydrophone ;signal processing ;bar graph ;DOA estimation ;acoustic intensity averager ;coherent interference收稿日期:2004212213作者简介:姚直象(1976-),男,江西人,博士研究生,主要从事水声信号处理专业方面的研究。

单只矢量水听器对多目标方位估计的仿真研究

ＡｂｔａｔＩｈｓｐｐｒｃｏｄｎｏｔｅｃａａｔｒｆｔｅｖｃｏｙｒｐｏｅｓｒｃｎｔｉａｅ，ａｃｒｉｇｔｈｈｒｃｅｓｏｈｅｔｒｈｄｏｈｎ，ＤＯＡ（ｉｅｔｏｆａｒｖ１ｆｔｒｅｓｄｒｃｉｎｏｒｉａ）ｏａｇｔｉ
ｃｎｉｉｎｓｎｏｎｎｅｓｔｎＰＴｌｏｉｍｎｅｉｅｅｔＳｏｄｔｏｓｕｉｇｓｕｄｉｔｎｉｙａｄＥＳＲＩａｇｒｔｈｕｄｒｄｆｒｎＮＲｎｅｇｈｏｈａｌ，ａｄｔｅｐｒｏｍａｃｓｆａｄｌｎｔｆｔｅｓｍｐｅｎｈｅｆｒｎｅａｅｃｍｐｒｄｗｉａｈｏｈｒｒｏａｅｔｅｃｔｅ．ｈＫｅｏｄｖｃｏｙｒｐｏｅｏｎｎｅｓｔ，ＥＰＲＩａｇｒｔｍｙＷｒｓｅｔｒｈｄｏｈｎ，ｓｕｄｉｔｎｉｙＳＴｌｏｉｈ
ｅｔａｅｔｉｇｅｖｃｏｙｒｐｏｅｂｏｎｎｅｓｔｎＰＴｌｏｉｈｓｐｒｔｌ，ｗｈｃｙｃｒｙｏｔｔｅｅｔｓｉｔｄｗｉｓｎｌｅｔｒｈｄｏｈｎｙｓｕｄｉｔｎｉａｄＥＳＲＩａｇｒｍｅａａｅｙｍｈｙｔｉｈｍａａｒｕｈｓｉ —
息的声强矢量。
前苏联和美国为代表，开发研制了以水介质质点振速的测量与传统声压测量相结合的矢量水听器技

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

浅海中单矢量水听器高分辨方位估计方法

ａｌｇｏｉｔｒｈｍｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｓｉｎｇｌｅｖｅｃｔｏｒｈｙｄｒｏｐｈｏｎｅａｎｄｎｏｒｍａｌｍｏｄｅｔｈｅｏｒｙｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅａｒｒａｙｍａｎｉｆｏｌｄ
ｃｈａｒａｃｔｅｉｒｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅｓｉｎｇｌｅｖｅｃｔｏｒｈｙｄｒｏｐｈｏｎｅｔｈｅｎｔｈｅｈｉ【ｇｈ－ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎＤＯＡｅｓｔｉｍａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｓｉｎｇｌｅｖｅｃｔｏｒｈｙｄｒｏ－
浅朴胜春，宋海岩，张海刚
（１．哈尔滨工程大学水声技术重点实验室，黑龙江哈尔滨１５０００１；２．黑龙江工程学院电气与信息工程学院，黑龙江哈尔滨
１５００５０）
ＥｌｅｃｔｉｒｃａｌａｎｄＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｉｒｎｇ，ＨｅｉｌｏｎｇｊｉａｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｙ，ｇＨａｒｂｉｎ１５００５０，Ｃｈｉｎａ）
ｔｈｅｏｃｅａｎｓｏｕｎｄｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎｐｈｙｓｉｃａｌｍｏｄｅｌａｎｄｔｈｅｒｏｂｕｓｔａｄａｐｔｉｖｅｂｅａｍｆｏｒｍｉｎｇｍｅｔｈｏｄ，ｔｈｅｖｅｃｔｏｒｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ

单矢量水听器方位估计

单矢量传感器方位估计平均声强器声强为与声强流垂直的单位面积通过平均声能流密度1()()()T t p t t dt T ⎰I=I =V ()()()t p t t =I V令声压为()x t ，水平方位角为θ，仰角为α，根据1()()v t p t cρ=，有 ()()()()()cos cos ()()()sin cos ()p x y y p t x t n t v t x t nx t v t x t n t θαθα=+=+=+对上式做时间平均，平均声强器输出为22()()()cos cos ()()()()cos cos ()()()()()sin cos ()()()()sin cos ()()x x p x p x y y p y p y p t v t x t n t n t n t x t n t x t p t v t x t n t n t n t x t n t x t θαθαθαθα==+++==+++I I由于噪声n 之间相互独立，在信噪比较高时，右边只有第一项是主要的 22()cos cos ()sin cos x xy yx t x t θαθα=+∆=+∆I I式中x ∆、y ∆为小量，两式相除可以估计方位角 ()()arctan()()y x p t v t p t v t θ∧=复声强器探测辐射连续噪声谱的单目标时，平均声强器是很有效的，当存在多目标时，平均声强器只能测量多个目标的合成声强流方向，不能分辨多目标方位。

若目标辐射线谱，复声强器的性能明显优于平均声强器，并且能分辨不同线谱频率的多目标方位对()p t 、()v t 作FFT 变换，得到相应的谱()P ω、()V ω，则声压、振速互谱为*()()()pv S P V ωωω=根据傅里叶变换的特性，两个同相位输入的能量集中在互谱的实部，虚部主要为干扰能量，所以**Re{()()}()arctan arctan Re{()()}y RyRx x P V I I P V ωωθωωω==单矢量传感器TMR （Time Reversal Mirror ）方法一：等同于复声强器设声源辐射信号为()z t ，矢量传感器输出为00()()()()(,)()()()()()(,)()p p p p v v v v s t p t n t z t h r n t s t p t n t z t h r n t ττ=+=*+=+=*+其中0(,)p h r τ、0(,)v h r τ为源s 与接收点R 之间的声压信道冲击响应和振速信道冲击响应，在浅海信道中，通常近似为0(,)p h r τ=0(,)v h r τ矢量TMR 输出()y t 为00()[()(,)()][()(,)()]p p v v y t z t h r n t z t h r n t ττ=*+*-*-+- 00()()()(,)(,)()(,)(,)p v z p v y t z t z t h r h r R h r h r τττττ=*-**-=**- 其中，()()()()()z R z t z t z t z t ττ=*-=-，即此刻时反信号的卷积与相关运算等价，在r=r 0时()()()z h y t R t R t =*0000()(,)(,)(,)(,)h p v p v R t h r h r h t r h t r τττ=*-=*-由傅里叶变换得*()()()p v Y S S ωωω=方法二：0000()[()(,)()](,)()[()(,)()](,)p p p p v v v v w t z t h r n t h r w t z t h r n t h r ττττ=*+*-=*+*-()()()[()(,)(,)][()(,)(,)]p v p p v v y t w t w t z t h r h r z t h r h r =-≈**--**- 当r=r 0时()()()()z h h y t R t R t R t =**。

单矢量水听器估计目标方位的方法与实验

单矢量水听器估计目标方位的方法与实验笪良龙;侯文姝;孙芹东;王文龙【摘要】为评估基于单矢量水听器的方位估计能力,在黄海海域对矢量水听器进行实验.矢量水听器吊放于接收船尾部,采用平均声强器和复声强器方位估计方法,并提出以概率密度值最大的方位角作为目标方位估计值的具体处理准则,对恒定方向、匀速行驶的目标船方位进行估计,并求出两种方法的方位估计误差.结果表明,水听器布放深度10 m时,对正横距离为0.42 km的航速10 kn的目标船,平均声强器方法的水平方位角估计误差18°,极角估计误差为5°,可以在离目标船最远1.17 km处估计其方位;复声强法的水平方位角估计误差为13°,极角估计误差为8°,可以在离目标船最远2.35 km处估计其方位.在有接收船的噪声干扰情况下,复声强器比平均声强器方法估计的方位更准确,可以对更远处的噪声源进行方位估计.【期刊名称】《应用声学》【年(卷),期】2015(034)006【总页数】10页(P516-525)【关键词】方位估计;矢量水听器;平均声强器;复声强器【作者】笪良龙;侯文姝;孙芹东;王文龙【作者单位】海军潜艇学院青岛 266071;海军潜艇学院青岛 266071;海军潜艇学院青岛 266071;海军潜艇学院青岛 266071【正文语种】中文【中图分类】TB566单矢量水听器同步共点测量声压和质点振速矢量［1］，可有选择地抑制离散干扰噪声源发出的噪声，有效定位噪声目标［2］。

相对传统水听器阵，单矢量水听器有4个共点阵元，可获得更高增益，有效抗“左右舷模糊”。

且单矢量水听器体积小、功耗低，可应用于海上分布式智能系统的轻型节点或移动节点，如浮标、潜标和AUV［1］。

而这些节点均对要求解算目标角度的算法计算量小，易于在硬件上实现。

单矢量水听器方位估计算法主要有平均声强器方位估计和复声强器方位估计方法［3-4］，又称为时域和频域［1］两种方式。

基于MUSIC算法的单矢量水听器方位估计

基于MUSIC算法的单矢量水听器方位估计
刘凯;王鹏
【期刊名称】《水雷战与舰船防护》
【年(卷),期】2011(019)001
【摘要】由于单个声压水听器无指向性,不能用来估计目标的方位,因此提出了一种基于单个矢量水听器的高分辨MUSIC算法.该矢量水听器由3个空间轴向垂直的振速水听器和1个声压水听器构成,充分利用矢量水听器的阵列流形特性,按照阵列信号处理的原理对其输出的标量场和矢量场信息进行联合处理,构造了单矢量水听器MUSIC算法.仿真结果显示,将MUSIC算法应用于单矢量水听器可以得到比Capon算法更尖锐的指向性波束,更低的旁瓣,大大提高了对目标的分辨能力,在高信噪比条件下能实现对目标高分辨的方位估计.
【总页数】4页(P26-28,35)
【作者】刘凯;王鹏
【作者单位】海军工程大学,湖北武汉430033;海军工程大学,湖北武汉430033【正文语种】中文
【相关文献】
1.基于FRFT的单矢量水听器目标方位估计
2.基于MUSIC算法的矢量水听器阵源方位估计
3.基于遗传算法的单矢量水听器多目标方位估计
4.基于单矢量水听器四种方位估计方法
5.基于单矢量水听器空间谱增强的MUSIC算法
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单矢量水听器基于互谱测向的多目标分辨

Key words: vector hydrophone; cross2spectrum goniometry; DOA estimation; identifying target
0 引言
矢量水听器可同时获得目标信号的声压和振速信息 ,利用目标的声压和振速信息可以测得目标方位 ,平均声强器可以通过目标连续谱声辐射来测向。但多个目标具有频带重迭的连续谱特性时 ,单矢量水听器无法分辩多目标 ,而只能测得声场中合成声强流的方向 ,不能进行多目标分辨 [ 1 ] 。互谱声强测向是对目标的不同频率成分进行测向 ,并把相同方位的能量累加 ,如果有多个目标 ,只要它们的特征谱不重合 , 就可以测出它们的各自方位 ,而不是合成方位 ,这样就可以利用目标方位的不同 ,提取出各个目标的特征
谱 ,分辨多个目标。
1 互谱测向原理
互谱测向原理是利用复声强器测向 [ 2 ] ,是声压、
振速互谱处理器 ,如图 1所示。
对 p ( t) 及 Vi ( t) ( i = x, y) 做 FFT变换 ,得到相应的谱为 P (ω) 及 Vi (ω) , 则声压、振速互谱为 :
Spvi (ω)
P
(ω)
V
3 x
(ω) (ω)
〉} 。〉}
(4)
根据式 (4)可计算每个频率的方位 ,因此只要目
标辐射不同频率的线谱 ,就可以分辨多目标的方位。
2 多目标特征谱提取
通过互谱测向算法可以测出多个目标的方位 ,根据不同目标的方位 ,可以提取出各自目标的特征谱。
本部分通过仿真说明如何通过互谱测向方法分辨多个目标。 211 仿真说明
如下 :
1) 将整个测量过程的信号按照如下方法分成若

单矢量水听器线谱多目标分辨研究

Ａｂｓｒｃ：Ａｏｅｍｅｈｄｏｕｔ— ｏｒｅｓｉｇｉｈｎｓｐｏｓｄｔａｔｎｖｌｔｏｆｍｌｉｕｃｓｄｉｔｎｕｓｉｇｉｒｐｏｅｗｉｈｓｎｌｃｕｔｃｖｃｏｅｓｒｂｓｔｉｇｅａｏｓｉＤＯＩ１．７４Ｓ．．１６２０．４０：０３２／ＰＪｉ４．０９０６０
文献标识码：Ａ
文章编号：１０ —８６２１）５１５ —４０９５９（０００ —２３０
Ｍｕｔ－ｏｒｅｓｉｕｉｈｎｙＥｘｌｒｎｎｌｉｓｕｃｓＤｉｔｎｇｓｉｇｂｐｏｉｇＬｉｅ
ＳｃｒｉｈＳｎｌｏｔｃＶｅｔｒＳｎｓｒｐｅｔａｗｔｉｇｅＡｃｕｓｉｃｏｅｏ
ＣｈｎＳａ — ｕｅｈｏｈａＣｈｎＣｈａｅｕｎＺｅｇＷｅｈｎｉ
（ｉｈｎｅｅｒｈＩｓｉｔｆＴｓｎｅｈｏｏｙＹｃａｇ４３０，ｈｎ）ＹｃａｇＲｓａｃｎｔｕｅｏｅｔｇＴｃｎｌ，ｉｈｎ４０３Ｃｉａｔｉｇ
ｓｍｐｌｎｄｆｅｔｖｉｅａｅｆｃｉｅ，ｔｈｕｓｈａｈｅｐｒｓｃｎｇｉｅｉｇｓｔｏｐｅｔｏｆｅｎｅｒｎａｐｐｌｃｔｏｎｓｉａｉ．
ＫｅｒｓＡｃｕｔｃｖｃｏｅｓｒＬｉｅｓｅｔｕ；ｕｔ— ｏｃｓｄｓｉｇｉｈｎｙｗｏｄ：ｏｓｉｅｔｒｓｎｏ；ｎｐｃｒｍＭｌｉｕｒｅｉｔｎｕｓｉｇｓ

单矢量水听器的高分辨目标方位跟踪算法研究

单矢量水听器的高分辨目标方位跟踪算法研究王超;笪良龙;韩梅;孙芹东;王文龙【摘要】根据单矢量水听器自身具有阵列流型的特点,提出了适用于对目标保持连续跟踪的空域预滤波MUSIC算法.通过调整滤波器通带中心角使其保持在目标估计方位角附近,可以消除滤波器通带中心角偏离目标真实方位角时传统预滤波MUSIC算法产生的目标方位估计误差.仿真结果表明,改进预滤波MUSIC算法可以减小甚至消除低信噪比情况下目标方位估计存在的较大误差.海试数据结果表明,阵元域MUSIC和改进预滤波MUSIC都可实现对单频脉冲信号和线性调频信号的目标方位估计,且估计结果与GPS舰位推算结果一致,但改进预滤波MUSIC算法主瓣更尖锐.对宽带航船噪声处理结果显示,改进预滤波MUSIC算法使单矢量水听器在存在目标干扰时的探测距离从2 km提升到了5 km,验证了改进预滤波MUSIC算法可实现弱目标情况下的高分辨目标方位跟踪.【期刊名称】《应用声学》【年(卷),期】2017(036)001【总页数】8页(P59-66)【关键词】矢量水听器;空域预滤波;通带中心角;方位跟踪【作者】王超;笪良龙;韩梅;孙芹东;王文龙【作者单位】海军潜艇学院青岛 266199;海军潜艇学院青岛 266199;海军潜艇学院青岛 266199;海军潜艇学院青岛 266199;海军潜艇学院青岛 266199【正文语种】中文【中图分类】TN911.6单矢量水听器水下目标方位估计与跟踪是矢量水听器走向应用的关键技术。

与传统声压水听器相比，矢量水听器可以同步共点测量声场中的声压和质点振速，可以提供更加全面的声场信息，因而矢量水听器在弱目标探测领域有着传统声压水听器无法比拟的优势［1−3]。

高分辨目标方位估计技术是矢量信号处理的重要研究内容，目前国内外有关单矢量水听器和矢量水听器阵列高分辨方位估计的研究方法主要有：MVDR算法［4−8]以及MUSIC(Multiple signal classif i cation)算法为代表的子空间分解类算法［9−14]。

单矢量水听器目标方位估计'

单矢量水听器目标方位估计‘
程彬彬杨士羲
（西北工业大学声学工程研究所，西安，７０７）１０２
摘要：矢量水听器由于其不但能获取声场中的声压信息，还能获取质点振速这一矢量信息，所以给其信号处理带来了更大的空间。单个的矢量水听器由于其具有这一特征，就能对声场中的目标进行方位估计，而且由于振速为矢量具有方向性，故不现会出左右弦的糊问在工模题，程应用上也由于其小的尺寸而受到重视，本文针对单个的压差式矢量水听器，利用其声压和振速的相关性，对单个的目标进行方位估计仿真，并用水池
其中Ａ树２于入射波为波，一般性，ｏ将第１和第３元相减，二，由不失设Ｐ＝，１号号阵平面
ｈｅｅｔｉｏ－）（ａｍＡｓ（ｌｔ）．Ａｌ胜ｌｌｅｅｓｏ（ｎｅｓ－）ＡＢｔＰ（ｅｓ．一－Ｐｉｉｍ，ｔ）ｅｅｓｅｌｉｏ－）（ｏｔ－９ＡｅｓＰ（ｌ，ｈｅｓｗｔ）．ｅｓ卜．Ｊｏ（ｉａｅＢｔ－ｎＡ）ＪＰ（，Ｐｉｓ－ｔ）
（ｎｔｔｏＡｏｓｃｉｅｎ，ｔｅｅＰｌｅｈｉｌｖｓ，ｎ７０７）ＩｉｅｃｕｔＥｇｅｒｇＮｒｗｓｒｏｔｎａＵｉｒｔＸ＇，０２ｓｔｆｕｉｎｎｉｏｈｔｎｙｃｃｎｅｉｉ１ｙａＡｓａｔＣｍａｄｈｐｓｒｈｏｎ，ｏｈｄｐｏｅｐｏｉｖｌｉｉｏｍｔｎｈｉｉｎｂｔｃｏｐｒｔｔｒｓｅ灿ｏｅｖｃｒｒｈｎｃｎｖｅｃｒａｏｏｔｎｄｔｒ：ｅｏｅｕ州ｒｅｅｔｙｏａｒｄｅｔｎｏｙｆｉｆｃｅｅｗｖｆｌｂｓｅｏｔｐｓｒＤｅｈｃａｃｒｔ，ｄｅｉｏａｉｌＡｃｎｅｉａｄｍａｅｅｅｉｓｈｒｓｅｕｔｔｓｒｔｉｉｔｉｃｏｆｖ（Ｏ）ｂｓｍｔｆｉｄｄｆｅｕ．ｏｈａｅｓｃｈｒｔｎｒａＤｅｉｅｒａｅｅｒｔｏｓｇｖｃｒｏｈｎａｄｂａｎａｂｕｏｂａｏｅ．ｃｕｉｖｌｅｏａ，ｏｉｌｅｏｈｐｏｅｔｅｉｍｉｉａｃｅｉｄｅｓｔｏｍｉｓｓｌｖｃｒｎｅｔ川ｒｎｈｒｇｇｔｌａｅｙｓｎｖｄＢａｅｕｓｍｌｅｓｔｈｄｐｏｅｂｅｉｕｅｉｐｃｃｌｎｅｎａｐｃｔｎ．ｔｓｅａｍｔｄｓｍｔＤＡｙｒｈｎｃｅｌｓｎｔａｅｇｅｉｐｌａｏｓｎｐｐｒｎｗｈｔｅｉａＯｏａｎａｙｄｒｉｎｉｒｇｉｉＩｈａ，ｓａｉｅｅｏｏｅｔｕｉｔｃｒｌｉｏｔｐｓｒａｄｃｐｖｅｂｓｇｖｃｒｒｈｎｉｐｓｔ．ｓｌｏｔｋｓｇｏｅｔｎｈｒｓｅｖｌｉｉｄｉｌｅｏｈｄｐｏｅｒｅｅＲｕｓｎｎｈｒａｏｆｅｕｎｅｔｒｄｙｅｔｙｏｅｅｏｙｏｎｓｎｄｅｔｆｅａｅｐｒｅｔｔｔｐｏｏｅｍｔｄｔａｔＤＡｒｔａｄｃｎｙｘｅｍｎｓｏｈｔｒｓｅｏｃｅｉｔｈＯｃｒｃｙｅｉｅｔ．ｉｈｗｈｐｄｈａｓｍｅａｅｎｅｏｅｌｎｆｉｌｆ

浅海中单矢量水听器高分辨方位估计方法

浅海中单矢量水听器高分辨方位估计方法李楠松;朴胜春;宋海岩;张海刚【摘要】为了提高单矢量水听器高分辨方位估计在浅海环境中的性能，充分考虑信道对声传播的影响，将海洋声传播物理模型与稳健自适应波束形成方法相结合，并根据单矢量水听器阵列流型的特点提出了基于简正波理论的单矢量水听器矢量最优化算法，实现了单矢量水听器的高分辨方位估计。

计算机仿真结果表明，该算法依靠单个矢量水听器便可实现窄带信号和宽带信号的高分辨方位估计，并且在足够的信噪比下，能够达到无偏估计。

海试数据处理结果验证了算法的正确性和有效性。

%In order to increase the performance of the high-resolution DOA estimation for the single vector hydro-phone in shallow seas, the impact caused by the channel on sound propagation is fully considered. By combining the ocean sound propagation physical model and the robust adaptive beamforming method, the vector optimization algorithm based on the single vector hydrophone and normal mode theory is proposed according to the array manifold characteristics of the single vector hydrophone then the high-resolution DOA estimation of the single vector hydro-phone is realized. Simulation results show that the algorithm may realize the DOA estimation of narrowband and wideband signals only by utilizing a single vector hydrophone, in addition, when the SNR ( signal-to-noise ratio) is high enough, the estimation without bias may be realized. The results of the sea trial data processing verify the ac-curacy and effectiveness of the algorithm.【期刊名称】《哈尔滨工程大学学报》【年(卷),期】2014(000)002【总页数】8页(P208-215)【关键词】简正波模型;单矢量水听器;高分辨方位估计;矢量最优化算法;声传播【作者】李楠松;朴胜春;宋海岩;张海刚【作者单位】哈尔滨工程大学水声技术重点实验室，黑龙江哈尔滨 150001;哈尔滨工程大学水声技术重点实验室，黑龙江哈尔滨 150001;黑龙江工程学院电气与信息工程学院，黑龙江哈尔滨150050;哈尔滨工程大学水声技术重点实验室，黑龙江哈尔滨 150001【正文语种】中文【中图分类】TB566与传统的声压标量水听器不同，矢量水听器可以同时、共点地测量声场中该处的声压和3个方向上的振速，即依靠单个矢量水听器就可以完成水下目标的方位估计，因而它的应用受到越来越大的重视，因此基于单矢量水听器的方位估计问题是水声信号处理研究的一个重要领域［1-3］。

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关键词：信息处理技术；高分辨方位估计；单矢量水听器；子空间分解中图分类号：Ｂ６Ｔ５６文献标志码：Ａ文章编号：００１９（０１０．９６０１０．０３２１）８０８ —５
Ｒｅｅｒｈｏｉｈ－ｓｌｔｏｒｃｉｎ－ｆＡｒｉａｔｍａｉｎｓａｃｎＨｇＲｅｏｕｉｎＤｉｅｔｏｏ－ｒｖｌＥｓｉｔｏ
ＢａｅｎＡｎＡｃｕｔｃＶｅｔｒｈｄｒｐｏｓｄｏｏｓｉｃｏ－ｙｏｈｎｅ
ＬＩＡＮＧｏｌｎＧｕ —ｏｇ，ＺＨＡＮＧｉＫａ，ＦＵｉＪｎ，ＺＨＡＮＧｏ，ＬＹａＩＬｉ
（ｃｅｃｎｅｈｏｏｙｏｄｒａｅｏｓｉＬｂｒｔｒｒｉｎｉｅｒｇＵｎｖｒｉＳｉｎｅａｄＴｃｎｌｇｎＵｎｅｗｔｒＡｃｕｔａｏａｏｙＨａｂｎＥｇｎｅｉｉｅｓｔｃｎｙ，Ｈａｂｎ１００ｒｉ５０１，Ｈｅｌｎｊｎ，Ｃｉａｉｇｉｇｈｎ）ｏａＡｂｓｒｔＩｒｅｏｉｃｅｓｈｅｒｓｌｉｇｐｏｒｆｒｏｌｓｎｉｇｅａｏｓｉｅｔｒｓｎｏ，ｔｅＭＵ— ｔａｃ：ｎｏｄｒｔｎｒａｅｔｅｏｖｎｗｅｏｎｙｕｉｇａｓｎｌｃｕｔｖｃｏ —ｅｓｒｈｃ
摘要：为了提高单矢量水听器的目标分辨能力，ＭＵＩ将ＳＣ算法用于单矢量水听器方位估计。根据单矢量水听器的阵列流型特点，子空间分解理论应用到单矢量水听器方位估计上，将实现了单
个矢量水听器的高分辨方位估计。根据应用中出现的问题，对算法进行改进。计算机仿真结果表
ｇｎｃｅｔｔｎｗｔｏｔｉｓｈｎｔｅＳＲ（ｉｎｌｏｎｉａｉ）ｉｈｇ．ＴｅｒｓｌｏｒｃｓｉｇｄｔｏｉｓｍａｏｉｕａｅＮｉｉｈｂｗｈｓａ— —ｏｓｒｏｓｉｇｔｅｔｈｈｕｔｆｏｅｓａｅｐｎａ
ｔｃｏｉｇｅｃｕｓｉｅｔｒｓｎｏ．ｔｅｉｈ—ｅｏｕｉｎｉｆｓｎｌｏｔｃｖｃｏ —ｅｓｒｈｈｇｒｓｌｔＤＯＡｅｔｍａｉｎａｅｎｓｂｐｃｅｏｏｓｉｔｂｓｄｏｕｓａｅｄｃｍｐｏｉｇｏｓｎ
ｔｓｉｅｏｔｅｖｌｄｔｆｉｒｖｄａｇｒｔｍ．ｅｔｉｓｔｈａｉｉｏｍｐｏｅｌｏｉｈｆｙＫｅｙｗｏｒｄｓ：ｉｆｒｔｏｒｃｓｉｇｔｃｉｕｎｏｍａｉｎｐｏｅｓｎｅｈｎｑｅ；ｓｎｌｖｃｏ — ｙｒｐｏｅ；ｈｇ－ｅｏｕｉｎＤＯＡｓｉ — ｉｇｅｅｔｒｈｄｏｈｎｉｈｒｓｌｔｏｅｔｍａ
第３２卷第８期
２０１１年８月
兵
Байду номын сангаас
工
学
报
ＶｏＪＮＯ８３２Ｊ．
Ａｕ．２１ｇ０１
ＡＣＴＡＡＲＭＡＭＥＮＴＡＲＩＩ
单矢量水听器的高分辨方位估计应用研究
梁国龙，张锴，进，张瑶，李利付
（尔滨工程大学水声技术重点实验室，黑龙江哈尔滨１００）哈５０１
ｔｅｒｓｒａｉｅｈｏｙｉｅｌｚｄ．Ａｃｏｄｎｇｔｈｒｂｅａｐｅｒｎｎｔｅａｐｉａｉｎ，ｔｅｉｒｖｄａｇｒｔｍｓａ — ｃｒｉｏｔｅｐｏｌｍｐｒａｉｇｉｈｐｌｃｔｏｈｍｐｏｅｌｏｉｈｉｄ
ｖｎｅａｃｄ．Ｓｍｕａｉｎｉｄｃｔｓｔａｈｅｕｔｕｉｇｔｅａｇｒｔｉｌｔｏｎｉａｅｈｔｔｅｒｓｌｓｎｈｌｏｉｈｍｃｅｅｈｉｈ—ｅｏｕｉｎＤＯＡｓｉ — ａｈｉｖｓｔｅｈｇｒｓｌｔｏｅｔｍａ
明，无需知道信号先验信息条件下，算法依靠单个矢量水听器便可实现窄带信号和宽带信号的在该高分辨方位估计，且在足够高的信噪比条件下，而能够达到渐进无偏估计。湖试数据的处理结果验证了改进算法的有效性。
ｔｏｅｈｒｎｒｏｉｎｗｈｔｅａｒｗｂａｄｏｄｂｎｉｎｌｗｉｈｉｓｉｆｒａｉｎｕｎｗｎａｄｏａｎｈｒｄａｌ — ｎｒｗｉｅａｄｓｇａｔｔｅｒｎｏｍｔｏｎｋｏｎｂｔｉｓｔｅｇａｕｌａｈｙ
ＳＣａｇｒｈｐｌｄｔｔｅＤＡ（ｉｃｏｆｒｖ１ｓｍｔｎＴｋｎｔａｃｕｔｈｈｒｃｒ — ＩｌｉｍｉａｐｉＯｏｔｓｅｏｈｄｒｔｎｏｒａ）ｅｔａｏ．ａｉｇｉｏｃｏｎｔｅａａｔｉｅｉａｉｉｉｎｃｅｓ