CN101398482A - 声接收基阵被动宽带检测中的噪声场数值计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种声接收基阵被动宽带检测中的噪声场数值计算方法，针对基阵进行建模，对模型进行网格划分，对基阵实体模型进行网格划分，设定离散噪声源为点噪声源，向外辐射球面波，并设定相应参数，利用边界元法计算散射声场的声压响应；将噪声响应分别与离散噪声源相比求解出传递函数矩阵H(ω)，代入最优化问题中，得到基阵的加权系数，从而达到提高声接收基阵被动宽带检测性能的目的。

Description

声接收基阵被动宽带检测中的噪声场数值计算方法

技术领域

本发明涉及换能器基阵领域，尤其是一种噪声场的计算方法。

背景技术

获得良好的声接收基阵被动宽带检测性能是基阵设计的重要目标之一，具体讲就是提高声接收基阵对于湮没在噪声背景中的微弱信号检测能力。通常情况下，由于噪声的存在，基阵接收数据的信噪比较低，被动宽带检测性能被削弱。提高检测性能的目的就是在于保持期望方向上信号响应一定的同时减小噪声的干扰。传统的检测理论一般假设噪声场为均匀噪声场，但是这一假设明显偏离实际情况。因此，基于宽带检测性能的基阵设计离不开基阵中各个阵元上噪声接收信息的详细知识，真实度高的噪声信息的获取是获得良好的被动宽带检测性能的前提条件之一。

声接收基阵承受着近场或远场离散噪声源的干扰。海洋航行器的螺旋桨噪声、拖曳线列阵的拖船噪声、在海洋多航行器环境下非目标产生的噪声等等都属于离散噪声源。当这些离散噪声源通过水声信道传到声接收基阵，从而形成干扰，削弱了基阵的被动宽带检测性能。针对声接收基阵承受离散噪声源干扰的情况，现有的噪声获取方法主要有三种。

第一种方法就是基于已有的声场计算模型(射线模型、抛物线模型、简正波模型等)计算离散噪声源在各个阵元上的噪声响应。这种方法主要针对远场离散噪声源，并且忽略基阵架或障板结构对于基阵接收噪声的散射作用，其特点是考虑海洋信道传播特性。但是在工程实际中，特别是存在近场离散噪声源的情况，由于基阵架或者障板结构对噪声源的散射影响，这种方法得到的基阵接收噪声响应与实际差别较大。

第二种方法就是建立声接收基阵以及基阵架或障板的几何模型，利用结构-声分析解析计算离散噪声源在各个阵元上的噪声响应。这种方法考虑了这些特殊结构对基阵接收噪声的影响，但是它仅适用于结构简单、规则的情况。例如球体、圆柱体等存在解析解的情况。一旦基阵架或障板的结构复杂，这种方法就会失效。

第三种方法就是直接利用试验的方法测量基阵各个阵元上的噪声响应。实际测量基阵噪声响应虽能反映基阵架或障板结构的影响，但由于测量工作需要在感兴趣的频段内多个频率点上进行测量，耗费大量的人力、物力；同时测量受到水声环境、人为操作误差和信号处理方法的影响，使得通过实际测量基阵噪声响应来完成对声接收基阵被动宽带检测性能优化设计变得非常困难，不能很好地推广使用。

发明内容

为了克服现有技术获取基阵离散噪声响应不够精确以及实际测量工作难以实现等不足，本发明提出了一种针对离散噪声源的噪声数值计算方法，针对存在离散噪声源干扰情况下的声接收基阵各个阵元上的噪声响应做出更加准确的预报，并将其应用于基于被动宽带检测性能的基阵设计中，以得到良好的被动宽带检测性能。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：

1.构建基阵几何模型。

针对具有复杂基阵架或障板结构的基阵，根据其实际尺寸大小进行实体建模。

2.划分单元网格

针对具有复杂基阵架或障板结构的基阵实体模型进行网格划分，以满足边界元计算方法的要求。网格划分时需将基阵的各个阵元以网格节点的形式建立在整个模型中，边界元的网格形状、大小要保持一致，对于边界元模型来说，通常假设在最小波长内有6个单元网格，也就是最大单元的边长要小于计算频率最短波长的1/6，或者要小于最高计算频率点处的波长的1/6。

3.确定分析方法

边界元方法一般分为直接边界元法和间接边界元法，二者的主要区别在于间接边界元法一般针对的模型是不封闭的结构，模型的内部和外部都有声场，而直接边界元法针对的模型必须是封闭的结构，声场只能在模型的一侧存在。在利用边界元方法计算散射声场之前，根据基阵的几何模型是否为封闭结构，我们选择其对应的分析方法。

4.设定噪声源模型

设定离散噪声源为点噪声源，向外辐射球面波。依据离散噪声源空间实际位置及大小设定相应参数，包括点噪声源的坐标位置以及声功率大小。

5.计算基阵噪声场

在噪声数值计算方法中，我们利用边界元法计算噪声源在流体介质中由于基阵架或障板结构所引起的散射声场的声压响应。具体分为以下五个步骤：

1)设定参量。设定流体介质和基阵架或障板结构的材料属性，包括材料的密度、弹性模量、泊松比以及声波的在流体介质中的速度。材料参量设定必须与实际情况相符，材料参量的准确与否关系到计算结果的准确性。

2)设定边界条件。基阵架或障板结构通常会受到约束条件的限制，因此需要设定边界条件。边界条件主要包括位移边界条件、载荷边界条件、速度边界条件、阻抗边界条件、压力边界条件和密封边界条件。边界条件既可以直接定义为常值的形式，也可以用数表的形式定义为时间或者频率的函数，还可以直接导入利用有限元软件分析的结果。

3)设定需要求解的参数。在噪声数值计算方法中，待求参数是离散噪声源在流体介质中由于基阵架或障板结构所引起的散射声场的声压响应，同时根据基阵设计指标要求的频率确定求解的频率范围。

4)按照上述参数设置，依据边界元理论计算散射声场，得到基阵各个阵元上的声压响应。

5)提取不同频率点阵元的声压数据，包括声压的幅度与相位信息。至此，就得到离散噪声源干扰在声接收基阵各个阵元上的噪声响应。

6.求解传递函数

将所求得的不同阵元的噪声响应分别与离散噪声源相比可以求解出传递函数矩阵H(ω)，其中ω是角频率。

7.将所得H(ω)代入下面的最优化问题中，利用序列二次规划方法进行求解，得到基阵的加权系数。该基阵设计提高了基阵输出信噪比，从而达到提高声接收基阵被动宽带检测性能的目的。

$\underset{w_m}{\min }{{\∫}_{-B}^{+B}\left[X^{*}(w,\mathrm{\ω})H^{*}\left(\mathrm{\ω}\right)C\left(\mathrm{\ω}\right)H\left(\mathrm{\ω}\right)X(w,\mathrm{\ω})\right]}^2\mathrm{d\ω}---\left(1\right)$

subject toΣw_m＝1且w_m≥0对于所有m

其中，[-B，B]是所求频率范围；w是待求声接收基阵的加权系数；ω是角频率；m是基阵阵元个数；X(w，ω)是波束形成器处理向量；H(ω)是传递函数矩阵；C(ω)是噪声源的自相关矩阵。

本发明的有益效果是：本发明的基本原理和计算方法已经得到实例验证。结果表明：

1.计算得到的基阵阵元上的噪声响应充分考虑了复杂基阵架或障板结构的影响，克服了现有技术带来的计算不准确以及难以实现等不足。

2.利用基于噪声数值计算方法的结果进行基阵被动宽带检测性能设计，将计算得到的加权系数应用于某水下声接收基阵当中，提高基阵输出信噪比，改善了基阵被动宽带检测性能。

3.通过对离散噪声源干扰情况下的声接收基阵各个阵元上的噪声响应做出准确的预报，对于需要噪声先验信息的其他声接收基阵信号处理领域，本发明同样具有参考价值。

4.本发明提出的噪声数值计算方法针对离散噪声源为宽带噪声，因此对于现代声纳系统中常用的宽带声基阵，本发明可以得到广泛的应用。

利用本发明的基本原理和计算方法，可以避免实际测量基阵噪声响应而得到与实际情况相吻合的结果，并可将相应得到的基阵噪声响应应用到声接收基阵被动宽带检测性能优化设计当中，获得与良好的检测性能，对水下声系统总体性能的发挥具有重要意义。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

附图说明

图1是本发明的流程图。

图2(a)是单一点噪声源情况下11元共形阵的侧视图；图2(b)是单一点噪声源情况下11元共形阵的正视图。

图3是11元共形阵的边界元模型示意图。

图4(a)是基阵扫描其最大响应轴方向时阵元上的加权系数示意图；图4(b)是基阵扫描其偏离最大响应轴30°方向时阵元上的加权系数示意图。

图5(a)是基阵扫描其最大响应轴方向时信噪比的增益示意图，图5(b)是基阵扫描偏离最大响应轴30°方向时信噪比的增益示意图。

具体实施方式

以11元壳体声接收基阵为例，利用噪声数值计算方法获得基阵各个阵元的离散噪声源接收信息，并将其应用于被动宽带检测性能的优化设计中，使其获得良好的宽带检测性能。

基阵几何结构如图2所示，该声接收基阵安装在圆柱壳体头部的表面上，由11个阵元构成。阵元之间等间隔，相邻2个阵元的夹角为18°，整个基阵安装在180°的圆弧上。圆柱壳体头部半径为0.2m。假设圆柱壳体为刚性，内部充满空气，忽略声波在其腔体内的传播，并将其放置于无限大的水介质中。同时忽略阵元之间的耦合作用。

假设单一点噪声源位于圆柱壳体头部的正上方(z轴正半轴)，如图2所示。当噪声入射到基阵时，由于圆柱壳体对入射声波的散射作用，阵元实际接收到的噪声场就是入射波和散射波叠加后的声场。

针对此基阵，利用噪声数值计算方法获得基阵噪声响应的主要步骤如下所示：

1)构建基阵的几何模型。我们利用有限元软件ANSYS的前处理功能，按照该基阵的实际尺寸建立圆柱壳体模型。

2)我们借助ANSYS软件对该基阵模型进行网格划分，并将基阵的各个阵元以网格节点的形式建立在整个模型中。在划分网格时，按照频率设计要求，考虑分析时的正确性与经济性，选取适当的参数以保证网格大小的一致以及数目的合理性。

3)确定边界元分析类型。该基阵为封闭结构，放置于无限大水介质中，当点噪声源入射时，忽略其腔体的声场。此时，只有基阵的外部具有散射声场，我们选取直接边界元法计算由于该圆柱壳体基阵架引发的散射声场的响应。

4)定义噪声源模型。假设点噪声源发射球面波，位于坐标(0，0，0.3)处，声功率为1W。

5)计算基阵噪声场。在本发明中，我们利用目前比较成熟的边界元计算软件SYSNOISE来计算噪声场。我们将第二步中已经划分好网格的模型导入到SYSNOISE软件中，生成边界元模型，然后依照下面步骤进行噪声场计算。

i.在设定参量中，设置基阵模型为钢性材料，密度为7.8×10³kg/m³，弹性模量为21.6×10¹⁰N/m²，泊松比为0.28，流体介质为水，声波在水中的速度为1483m/s。

ii.设定边界条件为阵元处质点振速为零，即点声源不能激励圆柱壳体结构发生振动向外辐射声波。

iii.待求参数是声源在流体介质中由于半球体基阵架所引起的散射声场的声压响应，计算频率为4000Hz～6000Hz，100Hz步进。。

iv.依据边界元理论计算散射声场，得到21个频率点上的基阵接收点噪声源的声压响应向量。

v.提取不同频率点阵元的声压数据，包括声压的幅度与相位信息。至此，就得到离散噪声源干扰在声接收基阵各个阵元上的噪声响应。

6)将所求得的21个频率点上的不同阵元的噪声响应分别与对应频率的离散噪声源相比可以求解出传递函数矩阵H(ω)。

7)把所得传递函数矩阵H(ω)代入公式(1)的优化问题，利用序列二次规划求解即可以得到基阵的加权系数。

图4给出了利用噪声数值计算方法获取的基阵噪声响应，基于动宽带检测优化设计得到的基阵加权系数。图4(a)表示基阵扫描其最大响应轴方向时阵元上的加权系数；图4(b)表示基阵扫描其偏离最大响应轴30°方向时阵元上的加权系数。

为了验证上述加权系数的性能，我们把它与均匀加权系数进行比较，考虑每一步迭代时基阵输出信噪比的增益。图5(a)表示基阵扫描其最大响应轴方向时信噪比的增益，图5(b)表示基阵扫描偏离最大响应轴30°方向时信噪比的增益。从图中可以看出，在迭代6步收敛后，基阵输出的宽带信噪比分别得到11dB和23dB的改善。

Claims (2)

1、声接收基阵被动宽带检测中的噪声场数值计算方法，其特征在于包括下述步骤：

(a)针对具有复杂基阵架或障板结构的基阵，根据其实际尺寸大小进行实体建模；

(b)对基阵实体模型进行网格划分，网格划分时需将基阵的各个阵元以网格节点的形式建立在整个模型中，边界元的网格形状、大小要保持一致，单元的边长要小于计算频率最短波长的1/6，或者要小于最高计算频率点处的波长的1/6；

(c)根据基阵的几何模型是否为封闭结构，选择其对应的分析方法，间接边界元法针对的模型是不封闭的结构，直接边界元法针对的模型是封闭的结构；

(d)设定离散噪声源为点噪声源，向外辐射球面波；依据离散噪声源空间实际位置及大小设定相应参数，包括点噪声源的坐标位置以及声功率大小；

(e)利用边界元法计算噪声源在流体介质中由于基阵架或障板结构所引起的散射声场的声压响应；至此，就得到离散噪声源干扰在声接收基阵各个阵元上的噪声响应；

(f)将所求得的不同阵元的噪声响应分别与离散噪声源相比可以求解出传递函数矩阵H(ω)，其中ω是角频率；

(g)将所得H(ω)代入下面的最优化问题中，利用序列二次规划方法进行求解，得到基阵的加权系数；该基阵设计提高了基阵输出信噪比，从而达到提高声接收基阵被动宽带检测性能的目的；

$\underset{w_m}{\min }{\∫}_{-B}^{+B}{\left[X^{*}(w,\mathrm{\ω})H^{*}\left(\mathrm{\ω}\right)C\left(\mathrm{\ω}\right)H\left(\mathrm{\ω}\right)X(w,\mathrm{\ω})\right]}^2\mathrm{d\ω}$

subject to∑w_m＝1且w_m≥0对于所有m

其中，[-B，B]是所求频率范围；w是待求声接收基阵的加权系数；ω是角频率；m是基阵阵元个数；X(w，ω)是波束形成器处理向量；H(ω)是传递函数矩阵；C(ω)是噪声源的自相关矩阵。

2.根据权利要求1所述的声接收基阵被动宽带检测中的噪声场数值计算方法，其特征在于所述的步骤(e)包括以下步骤：

(a)设定流体介质和基阵架或障板结构的材料属性，包括材料的密度、弹性模量、泊松比以及声波的在流体介质中的速度；

(b)设定边界条件，边界条件包括位移边界条件、载荷边界条件、速度边界条件、阻抗边界条件、压力边界条件和密封边界条件；

(c)设定需要求解的参数；在噪声数值计算方法中，待求参数是离散噪声源在流体介质中由于基阵架或障板结构所引起的散射声场的声压响应，同时根据基阵设计指标要求的频率确定求解的频率范围；

(d)按照上述参数设置，依据边界元理论计算散射声场，得到基阵各个阵元上的声压响应；

(e)提取不同频率点阵元的声压数据，包括声压的幅度与相位信息。

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