光纤矢量水听器指向性锐化技术研究

　　1 引言

　　光纤水听器和矢量水听器是近些年来出现的新型水听器, 与普通声压水听器相比, 它们有着较为优越的性能[1], 光纤矢量水听器则结合了二者的优势,有着更为广阔的应用前景, 在本文中, 我们分析了光纤矢量水听器的指向性并对其进行了海试实验验证。光纤矢量水听器常规波束形成具有余弦指向性, -3dB波束全宽度约为90°, 不能分辨多目标, 目前文献上提出的锐化方法有高次衰减窄波技术, 倍频窄波束技术[2], 但在实际应用中效果不是很好。最小方差无失真响应(MVDR)自适应波束形成器[3]是在保持信号不变的约束下使噪声输出功率最小,有良好的弱信号检测和高分辨力性能, 近年来在声纳、雷达和通讯等领域得到越来越广泛的应用, 本文将其应用到光纤矢量水听器指向性锐化中, 取得了较好的效果。

　　2 指向性锐化技术及仿真

　　2.1 MVDR指向性锐化技术

　　在远场声波中, 球面波和柱面波可以近似为平面波, 假设噪声场为各向同性噪声场, 文献[4] 证明了远场平面波声压和振速完全相关, 而各向同性噪声场中声压和振速是不相关的。MVDR处理的原则是通过延时补偿使信号部分聚焦成为一恒定直流项, 再调整权矢量使噪声部分输出最小。假设信号为窄带信号, 则可得阵列的输出:Cout=

α(θ，φ)p(t)+e(t), 其中p(t)为窄带信号, e(t)为噪声矢量的复表示,, 为信号方向矢量, MVDR波束输出为, 其中α(θs, φs)是常规波束形成导向因子, 满足

　　矢量水听器的功率输出为P=E(Mout·Mout*)=Rx+WH·e(t)He(t)·W=Rx+WHReW,Rs是信号协方差矩阵, Re为噪声空间协方差矩阵。

　　所以, MVDR 可以表述为有约束的优化问题

　　解析解为

　　由于在实际中Re是测不到的, 在应用中, 将对干扰源与噪声功率的最小化, 用对阵列总输出功率的最小化来替代, 文献[5]证明了在导向矢量对准信号方向时, 二者的等价性。

　　2.2 仿真分析

　　考虑二维情况, 假设远场平面波为单频正弦信号, 噪声为各向同性加性噪声, 信噪比为20dB, 单信号来波方向为90度, 则MVDR输出为cadiod指向性比较如下图:

　　由下图可以看出, MVDR使得光纤矢量水听器指向性得到了极大锐化, 这也证明了MVDR在保证信号方向输出不变的前提下, 使噪声输出得到了极大压缩。

　　3 光纤矢量水听器原理及海上试验

　　我们研究的光纤矢量水听器是干涉型同振矢量水听器, 其光学结构是一个干涉型光纤加速度传感器, 其基本工作原理是: 两个弹性体A、B支撑一质量块M, 光纤干涉仪的两臂绕在弹性体上, 在声场加速度作用下, 质量块对弹性柱体施加以惯性作用力, 弹性柱体的轴向形变引起径向形变, 引起缠绕在弹性柱体上的光纤长度发生变化, 进而在光纤干涉仪上产生相位差变化, 通过反解可以得到声场的加速度矢量。在实际应用中, 一般将三个光纤加速度计做成一整体, 如图3所示, 以减小体积和交叉串扰, 保证测量声场矢量的共点性。2003年国防科大和中科院声学所联合在青岛外海进行了光纤矢量水听器的海上试验, 取得良好结果。图4为光纤矢量水听器海上试验情况。