基于MEMS矢量水聽器陣列的聲目標(biāo)定向定位技術(shù)研究.pdf

1、將MEMS技術(shù)應(yīng)用于水聽器的研制是一種新的嘗試。由中北大學(xué)自主研制的新型MEMS矢量水聽器，具有體積小、矢量性、批量制造、一致性好且成本低等優(yōu)勢，其制作工藝和性能日趨成熟，因此研究基于MEMS矢量水聽器陣列的聲目標(biāo)定向定位技術(shù)對其工程化應(yīng)用具有重要的意義。
　　本論文系統(tǒng)研究了聲矢量陣列信號處理的相關(guān)內(nèi)容，通過數(shù)學(xué)建模、理論分析、算法仿真和MEMS矢量水聽器陣列實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理等各個(gè)方面，測試了所提各種算法的性能，檢驗(yàn)了MEMS矢量

2、水聽器的工程實(shí)用性。論文主要研究成果有：
　?。?）根據(jù)蓋氏圓盤定理，提出了聲矢量陣列的蓋氏圓信號源數(shù)估計(jì)方法（GDE-V）及其修正形式（MGDE-V），給出了判斷信號源數(shù)的準(zhǔn)則，并通過在信號源相干時(shí)對協(xié)方差矩陣的修正，解決了相干信號源數(shù)的判斷。仿真實(shí)驗(yàn)表明，GDE-V和MGDE-V方法可有效發(fā)揮矢量陣列的優(yōu)勢，與傳統(tǒng)聲壓陣列相比，有更強(qiáng)的角度分辨能力，在左右舷聲源分辨、相干聲源分辨、低信噪比、小快拍數(shù)等方面具有更高的分辨概率，同

3、時(shí)在相同陣列孔徑下能分辨更多的信號源數(shù)。
　　（2）通過對聲矢量陣列協(xié)方差矩陣的重構(gòu)和引導(dǎo)方位的自適應(yīng)選取，提出了聲矢量陣列的求根MUSIC算法，同時(shí)為減少計(jì)算量，又提出其實(shí)值化形式。理論推導(dǎo)和仿真實(shí)驗(yàn)表明，所提算法在低信噪比、小快拍數(shù)情況下的估計(jì)性能要優(yōu)于傳統(tǒng)聲壓陣列的求根MUSIC算法。同時(shí)在MEMS水聽器陣列的湖試實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行了應(yīng)用，準(zhǔn)確估計(jì)了聲源的方位，并成功跟蹤了機(jī)動船的運(yùn)行軌跡。
　　（3）提出了聲壓振速聯(lián)合處理的

4、MUSIC算法。通過對觀測方向的選擇，將矢量水聽器的振速輸出進(jìn)行投影，以此構(gòu)成聲壓振速的互協(xié)方差矩陣，并通過特征分解實(shí)現(xiàn)聲源的DOA估計(jì)。仿真實(shí)驗(yàn)表明了該算法在各向同性噪聲場中具有比傳統(tǒng)聲壓陣列的MUSIC算法更好的估計(jì)性能，同時(shí)也在MEMS矢量水聽器陣列的湖試實(shí)驗(yàn)中得到成功應(yīng)用。
　?。?）結(jié)合二維MEMS矢量水聽器的特點(diǎn)，分析了各種類型誤差對陣列性能影響的表達(dá)式，建立了在誤差影響下的矢量陣列信號模型，并進(jìn)一步提出了矢量陣列誤差

5、的自校正算法，最后通過仿真實(shí)驗(yàn)和MEMS矢量水聽器陣列的湖試實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證。
　?。?）為解決非均勻結(jié)構(gòu)矢量陣列的DOA估計(jì)，詳細(xì)推導(dǎo)了四種常見非均勻結(jié)構(gòu)矢量陣列的時(shí)延表達(dá)式，形成各陣列導(dǎo)向向量，提出了非均勻結(jié)構(gòu)矢量陣列的MUSIC算法，并通過選擇各陣列中性能最優(yōu)的陣元結(jié)構(gòu)設(shè)置，統(tǒng)計(jì)了各陣列在DOA估計(jì)中隨信噪比和快拍數(shù)變化的成功概率和均方根誤差，仿真實(shí)驗(yàn)表明，非均勻線陣在低信噪比和小快拍數(shù)的情況下具有更高的估計(jì)性能。

6、　?。?）結(jié)合MEMS矢量水聽器陣列在不同環(huán)境中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分別從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)預(yù)處理、環(huán)境噪聲測量、聲壓振速相關(guān)性、矢量陣陣增益、方位估計(jì)等多個(gè)方面進(jìn)行了分析與討論，驗(yàn)證了文中所提算法的實(shí)用性，同時(shí)為MEMS矢量水聽器的工程應(yīng)用提供技術(shù)支撐。
　　論文主要創(chuàng)新有：
　　（1）提出了矢量陣列信號源數(shù)估計(jì)的蓋氏圓方法，使得矢量陣列在信號源數(shù)估計(jì)方面的性能得到提升；
　　（2）提出了矢量陣列的Root-MUSIC算法及其實(shí)值化形