摘要
浅海低频声场中的声源测向技术是一项在军民两用领域都具有关键意义的重要技术。而矢量传感器技术的进步则为海洋声学和水声工程的发展注入了新的活力，也催生了多种多样的基于矢量声信号处理的新型声源测向技术。论文回顾了矢量传感器技术以及基于矢量传感器的方位估计技术的发展历程，总结了其研究现状，并在此基础上对声源被动测向技术展开了研究。 首先介绍了在矢量声场中对声源进行方位估计的物理基础，包括水下矢量声场的基本知识和单矢量传感器的测量模型。其中，还特别研究了组合式矢量传感器的几何中心声压的测量问题，从数学上证明了目前常用的测量方式的合理性。 论文把基于单矢量传感器的声源被动测向方法分成了两大类，分别是基于声能流的方法和基于等效阵列的方法。对于前者，论文进行了简要介绍，并利用实测数据对两种基于直方图统计的复声强法进行了验证。而后者又可以分为两类，分别为参数化的方位估计方法和空间谱估计方法。论文在单矢量传感器上实现了四种经典空间谱估计方法和两种经典参数化方位估计方法，仿真实验表明，相比传统的标量声压传感器阵列，单矢量传感器具有在全空间中无模糊测向的能力。 提出了一种新的参数化方法——基于张量分解的多参数联合估计算法。利用单矢量传感的四路测量数据及其高阶累积量，可以构建一个符合平行因子模型的数据张量。再对张量进行分解，就可以得到声源的二维波达方向和频率的估计值。该算法具有比同类型的旋转不变子空间技术更为优良的性能。 提出了一种新的（伪）空间谱估计方法——基于矢量传感器阵的改进最小方差无畸变方位估计算法。该算法利用最小方差无畸变波束形成器的信号对消现象，构建了一种对观察方位是否等于期望方位敏感的伪空间谱。改进算法的伪谱具有比传统空间谱估计方法更为尖锐的谱峰，并且在低信噪比和快拍数缺乏的条件下具有更好的性能。 最后研究了更符合实际浅海环境的简正波模型，推导了简正波理论下矢量传感器阵的测量模型。以多重信号分类算法为例，研究了模型失配对方位估计的影响，并且给出了简正波模型匹配算法。在简正波模型中，原有的平面波假设会使方位估计结果为有偏估计，而模型匹配算法则能够实现无偏估计。
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