阵列声强器及其应用

    引 言

    声矢量传感器能够同时拾取空间同一点的声压和振速信息，可以方便地测量声场声强[1,2]。声矢量传感器阵可应用波束形成器检测目标并测向[3]。受单声矢量传感器声强处理[4]的启发，本文提出了阵列声强器的概念，对声压和振速信息在波束域进行处理，以得到目标的方位信息。

    增加基阵的孔径可以获得更窄的主波束，从而提高基阵的方位分辨力。如果通过增加阵元的个数来达到此目的，则将相应增加硬件成本和计算负担。如果通过增加阵元间距使得阵列孔径扩展，则当空间欠采样时，将会出现栅瓣模糊。由于声矢量传感器的振速输出本身即具有偶极子指向性，可望借助于这一特性实现稀疏声矢量传感器阵的无栅瓣模糊测向。

    文[5,6]对宽带声矢量传感器阵处理方法进行了研究，指出其具有抗左右舷模糊的能力，并可以实现空间欠采样。但这些算法对声矢量传感器阵的声强信息特性没有充分利用。

    Wong 等提出了一系列基于子空间类算法（如 MUSIC，ESPRIT 等）的稀疏声矢量传感器阵信号处理方法，可以有效扩展阵列孔径，实现稀疏阵无模糊测向[7,8]。文[9]将这类算法引入了声矢量线列阵方位估计中，并进行了湖试验证。但是由于水声信道的空变时变性，存在多途，在低信噪比下难以区分信号和噪声子空间，关于信源个数的先验知识难以有效获取，因此此类基于子空间类算法目前还难以在工程上应用。

    本文应用常规波束形成(CBF,Conventional BeamForming)的方法，结合所提出的阵列声强器处理，实现了稀疏声矢量传感器阵的无模糊全空间测向。其思路是，利用声矢量传感器阵进行 CBF，获得具有栅瓣模糊但却较窄的波束，再用阵列声强器抑制其栅瓣模糊，从而实现不增加阵元个数的情况下，有效增大阵列孔径的目的。

    1 阵列声强器

    1.1 单声矢量传感器的声强器方位估计

    本文只考虑二维问题，不使用沿海深方向的振速分量。各向同性介质中，远场平面波条件下，单个声矢量传感器的声压p (t)，振速 ( )xv t 、 ( )yv t 输出为，

    上式中，为书写简便，假定波阻抗ρc =1。x(t)为目标信号，sθ 为目标方位， ( )pn t 、 ( )vxn t 和 ( )vy为各向同性的加性非相干干扰，且是相互独立的。

    各向同性干扰场的振速及声强流的期望为零，而目标信号振速及声强流的期望不为零，这是声强器抗干扰的物理基础。x 轴瞬时声强流分量 ( )xI t 、y 轴瞬时声强流分量 ( )yI t 的时域平均即为平均声强流，可以写成下式：

    对于声压和振速各分量 ( )pn t 、 ( )vxn t 、 ( )vyn t 及 x (t)均相互独立，所以交叉相乘平均以后为小量，分别用 ( )xδ t 和( )yδ t 表示。