近场散射下基于幅度相位修正的单矢量水听器测向方法

本发明涉及水下目标声学探测领域，具体涉及一种近场散射下基于幅度相位修正的单矢量水听器测向方法。

背景技术：

1、声波是水下信息传播的主要载体，兼有标量场和矢量场，传统水听器仅拾取声场标量信息，而矢量水听器可同时、共点获取空间某点的声压和质点振速，获得更多目标声信息。矢量水听器设备简单、质量轻、具有与频率无关的偶极子指向性，单矢量水听器即实现目标测向，因此单个矢量水听器在一些安装空间有限的场合下具有重要的应用价值。然而，由于平台边界对入射声波的非规则散射作用，导致矢量水听器各通道指向性畸变，影响了矢量水听器测向性能。

2、声隐身能力和声探测能力是我国海洋声学装备技术发展的两个重要方面，水下潜器在保持自身高度隐蔽性的同时需要时刻搜索周围目标，尽可能先于敌方发现目标。水下潜器表面空间有限，大面积敷设的吸声材料，与大孔径声纳基阵在空间上矛盾。为首先保证隐身性能，传统声学材料和传感器无法兼顾声隐身能力和声探测感知能力，不得不牺牲低频化探测性能。因此，如何在不损失声隐身能力的同时提高其声探测感知能力，对海洋声学装备技术的发展具有重要意义。

3、文献(fisher ka.structural and acoustic response ofmotion sensorsmounted on a compliant coating[d].georgia institute of technology,1998.)开展传感器涂层(sensor-coating)的相关研究，将单个光学位移传感器置于以钢板为背衬的涂层表面，用于响应入射波条件下流体加载涂层表面的位移，但方案中未拾取声场声压信息，可用信息量减少。文献(fisher s a,maidanik g,dual response acoustical sensorsystem,us7206258b1,2007.)提出一种声压传感器和振动传感器内嵌的声学覆盖层系统，将声压、振速传感器有规律的间隔排列于船体背衬的涂层表面，扩展了声学传感器的安装空间，但是此方法不能共点获得声压与振速信息，并且没有考虑声学覆盖层内部空腔结构对入射声波的非规则散射作用。文献(胡青,冯亮等.传感与消声一体化水听器及其实现方法:cn107995557a[p].20200515,2020.)设计了一种具有消声作用的水听器，利用被动吸声层实现高频段声波的吸声，换能器发声抵消低频声波，该一体化水听器设计主要针对低频宽带吸声性能问题，未考虑声纳的目标探测。

4、对此，将矢量传感器内嵌于声学覆盖层中，实现吸声与传感一体化的声学覆盖层，可以扩展基阵安装空间。但由于声学覆盖层外部形状不规则且内部结构复杂，矢量水听器指向性特性不再是偶极子指向性，而是随频率发生复杂的变化，因此本发明重点解决指向性畸变时，单矢量水听器的测向问题。

5、本发明将单个矢量水听器应用于非自由场中，实现了近场散射下的目标测向，能够还原出此方位目标对应的自由场条件下单矢量水听器的接收信号参数。本发明克服了由于非规则边界、散射等作用导致的接收指向性畸变问题，可以应用于矢量水听器内嵌安装于声学覆盖层的目标探测，从而加大基阵有效孔径，获得更大的空间增益，为矢量水听器在水下平台上的应用奠定基础。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种近场散射下基于幅度相位修正的单矢量水听器测向方法，包括以下步骤：

2、步骤1：通过试验测量或数值仿真，获取自由场条件下，单个矢量水听器的声压、振速各通道幅度相位响应h(θ)：

3、在消声水池进行试验测量，试验过程中，单个矢量水听器和发射换能器置于水下h处，发射换能器距矢量水听器声中心l，声源发射频率为f的无限长正弦信号x(t)＝asin(wt),其中，w＝2πf，a为发射信号幅度，t为时间。定义矢量水听器x方向振速正对发射换能器为0°，即声波垂直入射，矢量水听器以1°每秒的速度匀速转动，转动一圈即360°，测量计算声压p0、振速vx0、vy0通道的幅度相位响应为

4、

5、式中，θ为目标水平方位角，hp(θ)、hvx(θ)、hvy(θ)分别为自由场条件下，p、vx、vy通道的幅度相位响应。

6、步骤2：通过试验测量或数值仿真，获取指向性畸变条件下，单个矢量水听器的声压、振速各通道幅度相位响应h'(θ,f)：

7、由于非规则边界、内部结构谐振等近场散射，矢量水听器接收信号是入射声波和辐射声波的叠加，与频率和角度有关，因此，各通道接收指向性发生畸变，振速不再具有偶极子指向性，且随频率变化。以单矢量水听器内嵌声学覆盖层为例，将上述矢量水听器放置于声学覆盖层开孔中，保持矢量水听器和发射换能器位置、发射信号与步骤1一致，以相同的方式，测量计算声压p1、振速vx1、vy1通道的幅度相位响应为

8、

9、式中，h'p(θ,f)、h'vx(θ,f)、h'vy(θ,f)分别为指向性畸变后p、vx、vy通道的幅度相位响应。

10、步骤3：根据自由场条件下、指向性畸变条件下，单个矢量水听器的声压、振速各通道幅度相位响应h(θ)、h'(θ,f)，计算指向性畸变前后声压振速响应比值δ(θ,f)，将该响应比值作为先验信息留以备用：

11、取幅度相位响应h(θ)和h'(θ,f)从-90°到90°的值做进一步计算，得到指向性畸变前后声压、振速各通道幅度相位响应比值

12、

13、式中，δ(θ,f)中包含幅度畸变δa和相位畸变是角度和频率的函数，δ＝[δp,δvx,δvy]t。

14、步骤4：矢量水听器应用在相同声散射条件下，在探测频率为的实际目标时(目标方位未知)，使用响应比值对矢量水听器接收信号的幅度相位进行修正，构造函数

15、与步骤2相比，矢量水听器以相同的安装方式应用在相同的声学覆盖层中，当接收到一组频率为方位未知的窄带目标数据时，使用响应比值对该组数据中声压p’、振速vx’、vy’的幅度、相位逐一进行修正

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17、根据自由场条件下声压与振速分量的关系，构造函数

18、

19、步骤5：对每一个可能的目标方位均做一次函数计算，即计算并画出θ从-90°到90°角度遍历后的f曲线；

20、步骤6：根据函数构造原理，f取得最小值所对应的角度即为目标方位

21、步骤7：根据测得的目标方位角还原出此目标方位对应的自由场条件下单矢量水听器接收信号y'(t)：

22、根据指向性畸变前后各参数的等量关系，得到对应的自由场条件下矢量水听器接收信号为

23、

24、式中，为该频率为目标在处的幅度相位响应比值，其中包含各通道响应比值

25、本发明的有益效果在于：

26、(1)本发明克服了由于非规则边界、内部结构谐振等作用导致的指向性畸变问题，将单个矢量水听器应用于非自由场中，实现了近场散射下的目标测向。

27、(2)本发明在完成测向工作之后，能够还原出此方位目标对应的自由场条件下单矢量水听器的接收信号参数。

28、(3)本发明可以应用于声学覆盖层内嵌条件下单矢量水听器的目标探测，扩展了安装空间，为矢量水听器在水下平台上的应用奠定基础。