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小尺寸声矢量平面阵三维波束形成方法

李良文 朴胜春 郭俊媛 叶扬

李良文, 朴胜春, 郭俊媛, 叶扬. 小尺寸声矢量平面阵三维波束形成方法[J]. 声学学报, 2023, 48(3): 471-481. doi: 10.15949/j.cnki.0371-0025.2023.03.015
引用本文: 李良文, 朴胜春, 郭俊媛, 叶扬. 小尺寸声矢量平面阵三维波束形成方法[J]. 声学学报, 2023, 48(3): 471-481. doi: 10.15949/j.cnki.0371-0025.2023.03.015
LI Liangwen, PIAO Shengchun, GUO Junyuan, YE Yang. Three-dimensional beamforming for small aperture planar acoustic vector sensor array[J]. ACTA ACUSTICA, 2023, 48(3): 471-481. doi: 10.15949/j.cnki.0371-0025.2023.03.015
Citation: LI Liangwen, PIAO Shengchun, GUO Junyuan, YE Yang. Three-dimensional beamforming for small aperture planar acoustic vector sensor array[J]. ACTA ACUSTICA, 2023, 48(3): 471-481. doi: 10.15949/j.cnki.0371-0025.2023.03.015

小尺寸声矢量平面阵三维波束形成方法

doi: 10.15949/j.cnki.0371-0025.2023.03.015
基金项目: 国家自然科学基金项目(11904065)资助
详细信息
    通讯作者:

    郭俊媛, guojunyuan@hrbeu.edu.cn

  • 中图分类号: 43.60, 43.58, 43.30

Three-dimensional beamforming for small aperture planar acoustic vector sensor array

  • 摘要:

    提出了一种基于声场多极子展开的小尺寸声矢量平面阵三维波束形成方法。该方法利用了声场的垂直振速信息, 并结合球谐波函数与多极子模态之间的联系, 可用二维的阵列结构合成指向任意方向的三维波束图, 简化了三维波束形成所需的阵列结构。以3 × 3均匀矩形阵为例的仿真结果表明, 在相邻阵元间距小于0.2倍信号波长时, 所提方法引入的差分近似误差可被忽略, 所得阵列波束图接近理论波束图。相比于声压球面阵三维波束形成方法, 所提方法在低频段能在获得相同阵增益的同时有着更好的稳健性, 为实现小尺寸阵列的三维波束形成提供了一种可靠的方法。

     

  • 图 1  3 × 3均匀矩形阵几何示意图

    图 2  平面阵2阶振速差分示意图 (a) ${\partial ^3}p/\partial {x^3}$; (b) ${\partial ^3}p/\partial {x^2}\partial y$; (c) ${\partial ^3}p/\partial {x^2}\partial {\textit{z}}$; (d) ${\partial ^3}p/\partial x{\partial ^2}y$; (e) ${\partial ^3}p/\partial x\partial y\partial {\textit{z}}$; (f) ${\partial ^3}p/\partial {y^3}$; (g) ${\partial ^3}p/\partial {y^2}\partial {\textit{z}}$; (h) 阵列俯视图

    图 3  所提三维波束形成方法流程图

    图 4  本文所提方法三维波束图 (a) 指向方向$ \left( {{{45}^ \circ },{{45}^ \circ }} \right) $; (b) 指向方向$ \left( {{0^ \circ },{0^ \circ }} \right) $

    图 5  不同阶数下所提方法波束在方位角和俯仰角的切面图 (a) 方位角${0^ \circ }$切面图; (b) 俯仰角${90^ \circ }$切面图

    图 6  波束图随$ {d \mathord{\left/ {\vphantom {d \lambda }} \right. } \lambda } $的变化 (a) 方位角${0^ \circ }$处切面图; (b) 俯仰角${90^ \circ }$处切面图

    图 7  不同阶数下SHDSF和PABF法阵增益上限和白噪声增益随$ {d \mathord{\left/ {\vphantom {d \lambda }} \right. } \lambda } $(${{{r_s}} \mathord{\left/ {\vphantom {{{r_s}} \lambda }} \right. } \lambda }$)的变化 (a) 阵增益; (b) 白噪声增益

    图 8  误差对SHDSF法和PABF法阵增益的影响 (a) 幅度误差; (b) 相位误差; (c) 位置误差; (d) 指向误差

    图 9  水下环境参数及声线到达结构 (a) 水下环境参数; (b) 到达接收器的直达声线、海面反射声线、海底反射声线及海面−海底反射声线; (c) 各条声线的到达时间及幅度

    图 10  声压球面阵和矢量平面阵三维波束形成空间谱 (a) 声压球面阵; (b) 矢量平面阵

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出版历程
  • 收稿日期:  2022-04-12
  • 修回日期:  2022-08-21
  • 刊出日期:  2023-05-11

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