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基于MEMS矢量水听器阵列的测向技术研究

作　者: 陈桂英
导　师: 张文栋；张国军
学　校: 中北大学
专　业: 测试计量技术及仪器
关键词: MEMS矢量水听器 阵列信号处理 DOA估计 测向 阵列误差
分类号: TB565.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2014年
下　载: 2次
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内容摘要


空间信号源的波达方位角估计已经成为水声领域中的一个重要研究方向。矢量水听器与传统的声压水听器相比，有着得天独厚的优势，它可以同时获得声场中的声压信息和振速信息，为水下声信号的检测和估计提供了更为丰富的声场信息。由中北大学自主研制的MEMS矢量水听器具有体积小、质量轻、成本低、且一次性集成等优点，随着生产工艺的日益成熟和性能的不断改善，该MEMS矢量水听器将被广泛的应用于水声领域。因此，采用该MEMS矢量水听器组阵对目标测向的研究是具有重要意义的。论文的主要研究内容如下：首先，介绍了MEMS矢量水听器的仿生工作原理、理论分析了水听器的指向性，通过实验验证了矢量水听器具有良好的灵敏度和偶极子指向性，并对水听器的测向原理做了简单的介绍，为后续实验奠定了理论基础。其次，阐述了阵列信号处理的原理、传感器阵列的输出模型和常用的阵列形式。通过计算机仿真，分析MUSIC算法和ESPRIT算法对目标波达方位角估计的性能并进行对比。表明MUSIC算法的性能比ESPRIT算法更加优越，但ESPRIT算法无需谱峰搜索，计算量减小了许多。再次，对水听器阵列的误差进行了建模，理论分析了阵列误差对MUSIC算法的影响。针对阵列误差的影响，重点仿真分析幅度误差和相位误差对MUSIC算法进行波达方位角估计的影响。为减少幅相误差的影响，研究了单辅助源和辅助阵源两种校正算法，通过这两种方法实现了幅相误差的校正。最后，利用MEMS矢量水听器组成十字阵，实现了对目标的动态跟踪。对部分测试数据进行了分析处理，结果表明，利用MUSIC算法能够对矢量水听器阵列的方位角进行波达估计，并能较好的对运动目标进行方位跟踪。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章 绪论  9-19
  1.1 研究背景及意义  9-11
  1.2 矢量水听器技术的国内外研究情况  11-16
    1.2.1 国外研究情况  11-15
    1.2.2 国内研究情况  15-16
  1.3 阵列信号处理简介  16-17
  1.4 论文主要研究内容  17-19
第2章 MEMS 矢量水听器介绍  19-30
  2.1 MEMS 矢量水听器仿生原理  19-21
  2.2 矢量水听器指向性  21-26
    2.2.1 矢量水听器的指向性形成  21-24
    2.2.2 MEMS 矢量水听器指向性实验图绘制  24-26
  2.3 MEMS 矢量水听器灵敏度测试  26-28
  2.4 MEMS 矢量水听器探测原理  28-29
  2.5 本章小结  29-30
第3章 阵列信号处理的理论和子空间算法  30-46
  3.1 阵列信号处理原理  30-32
  3.2 常用两种阵列形式  32-34
    3.2.1 均匀线阵  32-33
    3.2.2 均匀十字阵  33-34
  3.3 单目标传感器阵列的输出模型  34-36
    3.3.1 单目标标量传感器阵列输出模型  34-35
    3.3.2 单目标矢量传感器阵列输出模型  35-36
  3.4 基于阵列的 DOA 估计子空间算法  36-45
    3.4.1 MUSIC 算法  36-40
    3.4.2 ESPRIT 算法  40-44
    3.4.3 MUSIC 算法与 ESPRIT 算法的性能比较分析  44-45
  3.5 本章小结  45-46
第4章 矢量水听器阵列的误差分析和校正  46-60
  4.1 概述  46
  4.2 矢量水听器阵列误差分析  46-55
    4.2.1 阵列误差信号模型  46-48
    4.2.2 水听器阵列误差对测向性能的影响  48-50
    4.2.3 仿真分析  50-55
  4.3 矢量水听器阵列误差校正  55-59
    4.3.1 单辅助源的幅相误差校正  56
    4.3.2 辅助阵源的幅相误差校正  56-57
    4.3.3 仿真实验  57-59
  4.4 本章小结  59-60
第5章 测向实验研究  60-70
  5.1 概述  60
  5.2 实验方案简介  60-62
  5.3 实验数据分析  62-69
  5.4 本章小结  69-70
结论  70-72
参考文献  72-76
攻读硕士学位期间发表的论文  76-77
致谢  77-78

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中图分类: > 工业技术 > 一般工业技术 > 声学工程 > 水声工程 > 水声仪器与设备 > 水声换能器、水听器
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