基于纳机电矢量水听器的水下目标估计

　　1引言

　　有关纳机电矢量水听器的结构以及工作原理，张文栋等人在相关文献[1~3]中已阐述详尽。其基本工作原理是用共振隧穿纳米薄膜代替纤毛周围的感觉细胞，用空芯光子晶体光纤[4,5]模拟纤毛，通过测量与水质点同振的光纤的振速，从而实现水下声信号探测。纳机电矢量水听器能同时测量声场中质点的声压p(t)和质点振速v(t)的两个正交分量Vx(t)和Vy(t)，因此可以利用P(t)和V(t)的各种组合来进行信号检测。文中讨论由[P,V]组合组成的检测器，利用波束形成的原理，进行目标的定位[6]。

　　文中首先引进了纳机电矢量水听器的定向机理，介绍了一种矢量水听器定向算法，最后通过在汾河水库进行的定向测试结果，验证了该算法可以适用于纳机电矢量水听器。

　　2定向机理

　　声场是矢量场，平面波是纵波，所以矢量水听器所测到的振动方向(振速v)及声强流方向Pv(P为声压)与声传播方向一致，即该声波方位就是目标方位，测量Pv便可得到目标方位[7]。

　　由声学理论可知平面波声压可表示为：

　　式中k是波矢量，表示声波传播的方向，它与水平面的夹角为α，取值范围为，它在水平面内的投影与x轴的夹角为θ，取值范围[0.2π]。如图1所示：

　　在均匀介质中，声场的运动方程为：

　　将(2)代入(1)得：

　　上式是x, y, z轴上的单位矢量，式(3)表明，平面波的声压与质点振速三分量之间仅差一个常数，两者的波形则是一样的，因而对平面波来说，声压与振速是完全相关的。由(3)可得质点振速的三个分量：

　　且

　　由此可见，只要测得质点振速在水平面内的二个分量vx，vy，就可以由(4)式得到声源在水平面内的方位角θ，这就是矢量水声传感器确定声源方位的基本原理。

　　3算法简介

　　波束形成法是指矢量水听器输出信号经过处理(加权、延时、求和等)形成空间指向性的方法。图2显示了常规波束形成法(CBF)的原理框图[8]。波束形成器可以看成是一个空间滤波器,它可以滤去空间某些方位的信号,只让指定方位的信号通过。为实现波束锐化，还有多种波束形成法，本文采用的为加法延迟线波束形成，基本原理为：对矢量水听器的三路输出信号P(t)，Vx(t)和Vy(t)分别施加以1，cosα和sinα的权重, 并求和：

　　加权求和信号y(t)的平均功率为:

　　式中, E[ ]表示集总平均。在α∈[0,2π]内搜索P(α)的最大值, 最大值所对应的位置即为声波到达方向α。