CN111596262A - 矢量水听器及基于该矢量水听器的多目标方位估计方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种矢量水听器及基于该矢量水听器的多目标方位估计方法。所述矢量水听器包括：声学传感器，用于接收目标信号，所述声学传感器包括多个阵元，所述阵元包括若干个传感器单元；目标方位估计模块，用于将采集到的目标信号进行离散化处理，并建立混合矩阵，建立所述声学传感器面阵中心声强方程，建立环境噪声矩阵，并根据环境噪声矩阵和混合矩阵得到目标信号矩阵，将得到的目标信号矩阵与所述声学传感器面阵中心声强方程进行比较归一化处理，获得目标声压信号的强度矢量信息，从而完成目标信号的方位估计。本公开的矢量水听器测试方法简单、成本低、可实现批量化生产。

Description

矢量水听器及基于该矢量水听器的多目标方位估计方法

技术领域

本公开涉及水声传感技术领域，具体涉及一种矢量水听器及基于该矢量水听器的多目标方位估计方法。

背景技术

水具有较大的比热容和较强的吸热能力，红外技术的应用受到很大限制；由于散射等原因，电磁波的传播距离有限；探照灯在水中的探测距离也仅在数十米范围内，且容易暴露自己，在军事中难以得到应用。声波在水中衰减较小，传播距离较远，且容易隐藏自己。因此，声波成为水下信息传播的重要载体，而声学技术为人们解决水下远距离探测和信息传输的问题提供了可能。

矢量水听器与标量水听器相比可以测量声场中的矢量信息，抑制环境中的各向同性噪声而成为未来的发展方向。因此，测量结果可以更全面、更准确地反映声场的真实情况。目前设计矢量水听器多是采用同振式或声压梯度原理实现的。

中北大学基于同振式工作原理研制的仿生MEMS矢量水听器存在加工精度较低、一致性差、带宽小等问题。哈尔滨工程大学通过采用MEMS工艺加工的压阻式加速度计测试水下矢量信息结果表明水听器在1kHz频率处灵敏度为-194dB(re:1V/μPa)，存在声压灵敏度较低的问题。WilcoxonResearch公司通过正交放置的敏感元件为PZT-PT压电单晶体的加速度计，其是基于声压梯度原理测量声场中的矢量信息，但是其存在PZT含铅，不符合电子产品无铅化的发展趋势。

发明内容

本公开至少一个实施例提供一种基于面阵设计的矢量水听器及基于该矢量水听器的多目标方位估计方法。本公开的面阵声学传感器探头具有体积小、成本低和低频响应特性好和大带宽的特点，在矢量水听器系统中具有较好的应用前景。

本公开的至少一个实施例提供一种矢量水听器，包括：

声学传感器，用于接收目标信号，所述声学传感器包括多个阵元，所述阵元包括若干个传感器单元；

目标方位估计模块，用于将采集到的目标信号进行离散化处理，并建立混合矩阵，建立所述声学传感器面阵中心声强方程，建立环境噪声矩阵，并根据环境噪声矩阵和混合矩阵得到目标信号矩阵，将得到的目标信号矩阵与所述声学传感器面阵中心声强方程进行比较归一化处理，获得目标声压信号的强度矢量信息。

在一些示例中，所述声学传感器为压电式或电容式声学传感器。

在一些示例中，所述声学传感器包括4个或8个或16个按中心对称排列的阵元。

在一些示例中，所述传感器单元为正方形或圆形或正六边形。

在一些示例中，所述阵元的传感器单元按等间距排布。

在一些示例中，所述阵元的所述传感器单元在电学上相互并联。

在一些示例中，所述声学传感器封装在由防水、透声材料制成的外壳中，该材料为与海水或淡水的声学阻抗相同的聚氨酯透声橡胶。

本公开的至少一个实施例提供一种多目标方位估计方法，包括：

利用声学传感器采集被测水下信号，所述声学传感器包括多个阵元，所述阵元包括若干个在电学上相互并联传感器单元；

对采集到的信号进行离散化处理，获得每个采样点的幅值；

将每个采样点的幅值进行矩阵化，获得每个所述阵元采集到的混合信号矩阵；

假设最大信号波束方向为(α_s,θ_s)，则归一化声压函数D(α,θ)表示P(α,θ)任意一点的声压，其偏转方向为(α,θ)。P(α_s,θ_s)表示声学传感器阵元接收到的水下声压信号与环境噪声信号的和；

归一化声压函数形式：

混合矩阵为：

D(α,θ,α_s,θ_s)＝D₁(α,θ,α_s,θ_s)×D₂(α,θ,α_s,θ_s)

假设水下环境噪声矩阵模型如下：

将混合矩阵与环境噪声矩阵相减得到水下声压信号矩阵；

将所述阵元得到的水下声压信号与假设的声学传感器面阵中心声强对比得到水下声压信号的强度矢量信息；

假设声学传感器面阵中心归一化声强方程形式为：

声压信号的强度矢量方向函数公式如下：

i、j表示虚数单位，A,B表示声学传感器面阵中心声强系数，α_Z表示声压信号投影到XOY平面内的角度，θ_Z表示声压信号投影到XOZ平面内的角度。

在一些示例中，对所述声学传感器获得的混合矩阵进行特征值分解，结合环境噪声矩阵得到声源个数。

在一些示例中，对所述阵元提取环境噪声时，通过设定门限值来建立环境噪声矩阵。

附图说明

为了更清楚地说明本公开实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍。

图1为本公开一实施例提供的矢量水听器系统框图。

图2为本公开一实施例提供的矢量水听器工作机理示意图。

图3为本公开一实施例提供的矢量水听器接收声信号时的示意图。

图4为本公开一实施例提供的压电式传感器单元截面结构示意图。

图5a为本公开第一实施例提供的声学传感器结构示意图。

图5b为本公开第二实施例提供的声学传感器结构示意图。

图5c为本公开第三实施例提供的声学传感器结构示意图。

图6为本公开一实施例提供的电容式传感器单元截面结构示意图。

图7为本公开一实施例提供的声学探头透声封装的截面结构示意图。

具体实施方式

图1为本公开一实施例提供的矢量水听器框图。如图1，矢量水听器包括声源模块、信号传输模块和采集模块。所述声源模块包括声学传感器、高速切换开关电路和信号放大电路。所述采集模块包括多通道数据采集器和目标方位估计模块。所述信号传输模块包括接收模块和发射模块。所述发射模块与所述声源模块连接，将经过放大处理的目标信号发送到所述采集模块，所述接收模块与所述多通道数据采集器连接，接收所述发射模块发射的信号。

图2为本公开一实施例提供的矢量水听器工作机理示意图。如图2，所述声学传感器接收目标信号。所述高速切换开关电路将所述声学传感器内各阵元接收到的多路目标信号通过一路放大电路进行放大。所述数据采集器采集放大后的目标信号。所述目标方位估计模块将采集到的目标信号进行离散化处理，并建立混合矩阵，建立所述声学传感器面阵中心声强方程，建立环境噪声矩阵，并对建立的环境噪声矩阵和混合矩阵进行运算，得到目标信号矩阵；将得到的目标信号矩阵与所述声学传感器面阵中心声强方程进行比较归一化处理，获得目标声压信号的强度矢量信息，从而完成目标信号的方位估计。

所述声学传感器可以为压电式或电容式声学传感器。所述声学传感器基于MEMS技术制备，包含多个按中心对称排列的阵元，从而实现高灵敏度和小体积等优点。如图3所示，所述声学传感器包括M×N个阵元，分别沿x轴和y轴方向并行规则排列，且对应x轴、y轴方向，阵元中心距分别为d_ex和d_ey。所述阵元包括若干个传感器单元，所述传感器单元可按等间距排布。所述传感器单元可以为圆形、正方形或者正六边形。组成一个所述阵元的所有所述传感器单元的同种极性电极相互连接，即组成该阵元的所有所述传感器单元在电学上相互并联。

图4为本公开一实施例提供的压电式传感器单元截面结构示意图。如图4，压电式传感器单元包括具有真空凹腔结构的衬底101，和位于衬底101上的换能器单元结构层。所述换能器单元结构层包括从下到上依次堆叠的氧化硅层102、硅结构层103、电介质层104、底电极层105、压电材料层106、顶电解质层107、顶电极层108和电气连接层109。图5a、图5b和图5c展示了4个压电声学传感器阵元按中心对称排列，每个阵元由若干个正六边形传感器单元201、正方形传感器单元202和圆形传感器单元203按照等间距中心对称排布组成。

图6为本公开一实施例提供的电容式传感器单元截面结构示意图。如图6，电容式传感器单元从下到上依次堆叠的下电极层301、具有真空凹腔结构的衬底302、电介质层303、硅结构层304、电介质层305和顶电极层306。

如图7，所述声源模块402封装在由防水、透声材料制成的外壳401中，该材料可以是与海水或淡水的声学阻抗相同的聚氨酯透声橡胶。

利用上文所述的矢量水听器对水下目标信号方位进行估计的具体方法如下：

利用所述声学传感器采集被测水下信号，并对采集到的信号进行离散化处理，获得每个采样点的幅值。

将每个采样点的幅值进行矩阵化，获得每个所述阵元采集到的混合信号矩阵。

假设最大信号波束方向为(α_s,θ_s)，则归一化声压函数D(α,θ)表示P(α,θ)任意一点的声压，其偏转方向为(α,θ)。P(α_s,θ_s)表示所述阵元接收到的水下声压信号与环境噪声信号的和。

归一化声压函数形式：

依据Bridge乘积定理：声学传感器接收到的声压信号等于具有相同振幅和相位的点源组合阵的声压信号函数D₁(α,θ,α_s,θ_s)与D₂(α,θ,α_s,θ_s)的乘积。

混合矩阵公式如下：

D(α,θ,α_s,θ_s)＝D₁(α,θ,α_s,θ_s)×D₂(α,θ,α_s,θ_s)

对多目标进行识别时将所述声学传感器获得的混合矩阵进行特征值分解，结合环境噪声矩阵计算得到声源个数。

在通过水下环境噪声结构提取环境噪声矩阵模型时，通过设定一个具体的门限值来建立环境噪声矩阵。

假设水下环境噪声矩阵模型如下：

将混合矩阵与环境噪声矩阵相减得到水下声压信号矩阵。

将所述阵元得到的水下声压信号与假设的所述声学传感器面阵中心声强对比得到水下声压信号的强度矢量信息。

假设所述声学传感器面阵中心归一化声强方程形式为：

i、j表示虚数单位，A,B表示传感器面阵中心声强系数，α_Z表示声压信号投影到XOY平面内的角度，θ_Z表示声压信号投影到XOZ平面内的角度；

声压信号的强度矢量方向函数公式如下：

所述声学传感器中各阵元接收到的声压信号等于等效为组成阵元的所有传感器单元接收到的声压信号的叠加，故声学传感器接收性能与各阵元的几何结构尺寸和各阵元的间距密切相关。本公开所述阵元几何结构尺寸分别为

时声学传感器接收性能最优。

Claims (10)

1.一种矢量水听器，其特征在于，包括：

声学传感器，用于接收目标信号，所述声学传感器包括多个阵元，所述阵元包括若干个传感器单元；

目标方位估计模块，用于将采集到的目标信号进行离散化处理，并建立混合矩阵，建立所述声学传感器面阵中心声强方程，建立环境噪声矩阵，并根据环境噪声矩阵和混合矩阵得到目标信号矩阵，将得到的目标信号矩阵与所述声学传感器面阵中心声强方程进行比较归一化处理，获得目标声压信号的强度矢量信息。

2.根据权利要求1所述的矢量水听器，其特征在于，所述声学传感器为压电式或电容式声学传感器。

3.根据权利要求1所述的矢量水听器，其特征在于，所述声学传感器包括4个或8个或16个按中心对称排列的阵元。

4.根据权利要求1所述的矢量水听器，其特征在于，所述传感器单元为正方形或圆形或正六边形。

5.根据权利要求1或3所述的矢量水听器，其特征在于，所述阵元的所述传感器单元按等间距排布。

6.根据权利要求1所述的矢量水听器，其特征在于，所述阵元的所述传感器单元在电学上相互并联。

7.根据权利要求1所述的矢量水听器，其特征在于，所述声学传感器封装在由防水、透声材料制成的外壳中，该材料为与海水或淡水的声学阻抗相同的聚氨酯透声橡胶。

8.一种多目标方位估计方法，其特征在于，包括：

利用声学传感器采集被测水下信号，所述声学传感器包括多个阵元，所述阵元包括若干个在电学上相互并联传感器单元；

对采集到的信号进行离散化处理，获得每个采样点的幅值；

将每个采样点的幅值进行矩阵化，获得每个所述阵元采集到的混合信号矩阵；

假设最大信号波束方向为(α_s,θ_s)，则归一化声压函数D(α,θ)表示P(α,θ)任意一点的声压，其偏转方向为(α,θ)。P(α_s,θ_s)表示声学传感器阵元接收到的水下声压信号与环境噪声信号的和；

归一化声压函数形式：

混合矩阵为：

D(α,θ,α_s,θ_s)＝D₁(α,θ,α_s,θ_s)×D₂(α,θ,α_s,θ_s)

假设水下环境噪声矩阵模型如下：

将混合矩阵与环境噪声矩阵相减得到水下声压信号矩阵；

将所述阵元得到的水下声压信号与假设的声学传感器面阵中心声强对比得到水下声压信号的强度矢量信息；

假设声学传感器面阵中心归一化声强方程形式为：

声压信号的强度矢量方向函数公式如下：

i、j表示虚数单位，A,B表示声学传感器面阵中心声强系数，α_Z表示声压信号投影到XOY平面内的角度，θ_Z表示声压信号投影到XOZ平面内的角度。

9.根据权利要求8所述的多目标方位估计方法，其特征在于，对所述声学传感器获得的混合矩阵进行特征值分解，结合环境噪声矩阵得到声源个数。

10.根据权利要求8所述的多目标方位估计方法，其特征在于，对所述阵元提取环境噪声时，通过设定门限值来建立环境噪声矩阵。

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