CN103197278A - 一种基于多普勒频移变化率的舰船线谱噪声源定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于多普勒频移变化率的舰船线谱噪声源定位方法，在现有的单个水听器测量舰船辐射噪声的平台上，利用测量时舰船与测量水听器之间相对运动产生的多普勒效应，结合首次提出的L-相位分布，提取多普勒信号的多普勒频移变化率，实现了舰船低频线谱噪声源的定位，该方法实施简单，测量精度比通过特性法要高。

Description

一种基于多普勒频移变化率的舰船线谱噪声源定位方法

技术领域

本发明是一种舰船线谱噪声源定位方法，涉及信号处理、水声测量等领域。

背景技术

舰船辐射噪声的总声级取决于所有辐射噪声源，主要的噪声源来源于舰船的主机推进系统、螺旋桨、辅机机械系统和航行时产生的水动力效应。其中，由辅机机械的往复运动引起的线谱噪声具有频率低、功率高和稳定性强等特点，其携带着舰船重要的特征信息，可被远距离探测，是水声设备探测舰船的关键。降低舰船噪声不仅可以有效地减小舰船航行对海洋生物的噪声影响，同时也有利于提高装备在舰船上的各种水声设备的性能。因此，舰船降噪成为舰船声学设计的迫切任务，而精确识别舰船上主要噪声源的位置为舰船的声学设计提供了参考，同时其也可为探寻研究舰船内部机械的振动机理提供重要依据。

以往对舰船辐射噪声的测量主要利用其通过特性来实现。在进行辐射噪声测量时，被测舰船做匀速直线航行，由远及近接近测量水听器并由近及远离开测量水听器，在这个过程中测量水听器记录被测舰船辐射噪声的声压级（或功率谱级）与测量水听器相对位置的对应关系，一般称之为舰船辐射噪声的通过特性。利用水下测距信息与辐射噪声同步记录的方法可得到舰船部位与辐射噪声信号对应的通过特性曲线。舰船辐射噪声通过特性包括总声级通过特性，1/3oct频带级通过特性和线谱通过特性。总声级通过特性曲线的最大值对应于舰船总声级最大的位置，而1/3oct频带声压级和线谱通过特性则反映不同频率的噪声级和被测舰船不同位置的关系。把测量水听器与船体上某一个参考位置的关系确定，那么在空间（或时间）上，测量数据与船体部位就形成了一一对应关系，它反映了舰船通过测量水听器时，声压沿艇体的分布。通过对纵向通过特性分析，可得到不同频带噪声级与艇体部位的对应关系，为确定舰船的噪声源位置提供了一种方法。利用舰船通过特性来进行舰船线谱噪声源定位方法，测试简单但是噪声源定位精度不理想。

徐灵基（Xu Ling-ji,Yang Yi-xin,and Tian Feng.Doppler method for identification ofnoise sources on underwater moving target[C].In:Asia-Pacific Signal and InformationProcessing Association Annual Summit and Conference2011,Xi’an,2011,83-88.）提出利用多普勒频移方法来识别水下运动目标低频线谱声源的位置，取得了一定的效果。时洁（时洁，杨德森，时胜国.基于最差性能优化的运动声源稳健聚焦定位识别方法研究[J].物理学报,2011,60(6):1-11.）、王志伟（王志伟，徐灵基，杨益新等.直线阵识别水下运动目标噪声源方法研究[J].振动与冲击，2012；31(19)：118-122.）利用声聚焦阵列的高分辨技术来测量水下运动目标的噪声源，定位精度较高。然而对于舰船上的低频线谱声源，上述方法需要的阵列孔径太大，且对阵列布放的形状要求严格，很难应用于实际的舰船辐射噪声测试中。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明采用的舰船通过特性法对舰船线谱噪声源定位精度低的不足，本发明利用被测舰船与测量水听器相对运动引起的多普勒频移变化率特性，在仅使用单个水听器的测量条件下，实现对舰船线谱噪声源的定位。

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）在舰船上任意固定位置L_c处布放一个已知的水声同步定位仪作为信标源，舰船以速度ν做匀速直线航行，由远及近接近测量水听器并由近及远离开测量水听器，测量水听器与舰船运动轨迹的正横距离为R₀，在这个过程中测量水听器接收舰船辐射的声信号，并将其转换成电压信号s(t),0＜t≤T，t表示时间，T表示数据记录的时间长度；

2）把采集得到的水听器接收信号s(t)做快速傅立叶变换分析频谱，找到信号中存在的低频线谱，其频率选择为

m＝1,2,…,M，M表示低频线谱的个数，通过带通滤波器分离出存在线谱的频带宽度为

各个小区域信号，得到各个低频线谱噪声源多普勒信号s_m(t)，将分离出的线谱噪声源多普勒信号s_m(t)复数化得到多普勒解析信号z_m(t)，其中z_m(t)＝s_m(t)+jH[s_m(t)]，H[s_m(t)]表示信号s_m(t)的希尔伯特变换；

3）多普勒信号z_m(t)瞬时频率的变化率称作多普勒频移变化率，表达式为 ${\mathrm{\Ω}}_m\left(t\right)=-\frac{f_{m0}{c}^2{v}^2{R}_0^2}{{[R_0^2(c^2-v^2)+v^2{c}^2{(t-t_{m0})}^2]}^{3/2}},$ f_m0表示舰船上各辐射线谱噪声源信号的频率，t_m0为各线谱噪声源通过正横位置离测量水听器最近时的正横时刻；利用L-相位分布提取多普勒信号z_m(t)的多普勒频移变化率，多普勒信号z_m(t)的LPD为： ${\mathrm{LPD}}_{z_m}(t,\mathrm{\Ω})={\∫}_0^{+\∞}{z}_m^{L^2}(t+\frac{\mathrm{\τ}}{L})z_m^{L^2}(t-\frac{\mathrm{\τ}}{L})\exp (-\mathrm{j\Ω}{\mathrm{\τ}}^2)\mathrm{d\τ},$ 其中Ω为频率变化率，τ为时间延迟，L为常数，取为大于等于8的整数；通过一维峰值搜索得到信号z_m(t)的多普勒频移变化率 ${\widehat{\mathrm{\Ω}}}_m\left(t\right)=\underset{\mathrm{\Ω}}{\arg \max }\left\{{\mathrm{LPD}}_{z_m}(t,\mathrm{\Ω})\right\};$

4）获得已知位置L_c信标源通过测量水听器时的正横时刻t_c0、舰船运动轨迹的正横距离R₀，根据步骤(3)中信号z_m(t)的多普勒频移变化率的表达式，利用非线性最小二乘估计法得到舰船上各线谱噪声源通过测量水听器时的正横时刻和线谱声源的频率估计值 $\{{\hat{t}}_{m0},{\hat{f}}_{m0}\}=\underset{t_{m0},f_{m0}}{\arg \min }\left\{{\∫}_0^T{[{\mathrm{\Ω}}_m\left(t\right)-{\widehat{\mathrm{\Ω}}}_m\left(t\right)]}^2\mathrm{dt}\right\};$

5）利用各噪声源和信标源通过测量水听器的正横时刻差值，根据式子

确定舰船上纵向分布的各噪声源位置L_m。

本发明的有益效果是：在现有的单个水听器测量舰船辐射噪声的平台上，利用测量时舰船与测量水听器之间相对运动产生的多普勒效应，结合首次提出的L-相位分布，提取多普勒信号的多普勒频移变化率，实现了舰船低频线谱噪声源的定位，该方法实施简单，测量精度比通过特性法要高。

附图说明

图1是舰船辐射噪声测量模型示意图；

图2是舰船线谱噪声源定位方法的总体流程框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

在对舰船辐射噪声进行测量时，测量海区可人为确定，一般选择海面较平静、水深较深的海区，这样可以降低水声信道对测量的影响，水中声速c可测，为已知量。

本发明包括以下步骤：

1）在舰船上任意固定位置L_c处布放一个已知的水声同步定位仪作为信标源，舰船以速度ν做匀速直线航行，由远及近接近测量水听器并由近及远离开测量水听器，测量水听器与舰船运动轨迹的正横距离为R₀，在这个过程中测量水听器接收舰船辐射的声信号，并将其转换成电压信号s(t),0＜t≤T，通过前放后用数据采集仪记录下来，T表示数据记录的时间长度。

2）由于被测舰船与测量水听器之间存在相对运动，会形成多普勒效应，测量水听器接收到的线谱噪声源信号称为多普勒信号。接收水听器记录的信号需要预处理，目的为：一是确定存在的线谱噪声源信号；二是滤波去除多普勒信号的带外噪声；三是复数化得到解析形式的多普勒信号。先把采集得到的水听器接收信号s(t)做快速傅立叶变换（FFT）分析频谱，找到信号中存在的低频线谱，其频率一般选择为

m＝1,2,…,M，M表示低频线谱的个数，即待分析的低频线谱噪声源个数。通过带通滤波器分离出存在线谱的频带宽度为

各个小区域信号，其中v可通过水声同步定位仪获得，这便得到各个低频线谱噪声源多普勒信号s_m(t),m＝1,2,…,M，t表示时间。将分离出的线谱噪声源多普勒信号s_m(t)复数化得到多普勒解析信号z_m(t)，其中z_m(t)＝s_m(t)+jH[s_m(t)]，H[s_m(t)]表示信号s_m(t)的希尔伯特变换。

3）多普勒信号z_m(t)的瞬时频率是变化的，其瞬时频率的变化率称作多普勒频移变化率，表达式为 ${\mathrm{\Ω}}_m\left(t\right)=-\frac{f_{m0}{c}^2{v}^2{R}_0^2}{{[R_0^2(c^2-v^2)+v^2{c}^2{(t-t_{m0})}^2]}^{3/2}},$ f_m0表示舰船上各辐射线谱噪声源信号的频率，t_m0为各线谱噪声源通过正横位置离测量水听器最近时的正横时刻。根据Stone-Weierstrass理论，多普勒信号z_m(t)可以表示为高阶多项式相位信号。由于多普勒信号近似的高阶相位信号的阶数一般都大于3，可以利用L-相位分布（L-phase distribution，LPD）提取多普勒信号z_m(t)的多普勒频移变化率。多普勒信号z_m(t)的LPD为： ${\mathrm{LPD}}_{z_m}(t,\mathrm{\Ω})={\∫}_0^{+\∞}{z}_m^{L^2}(t+\frac{\mathrm{\τ}}{L})z_m^{L^2}(t-\frac{\mathrm{\τ}}{L})\exp (-\mathrm{j\Ω}{\mathrm{\τ}}^2)\mathrm{d\τ},$ 其中t为时间，Ω为频率变化率，τ为时间延迟，L为常数，一般取为大于等于8的整数。在得到多普勒信号的LPD后，通过一维峰值搜索可以估计得到信号z_m(t)的多普勒频移变化率 ${\widehat{\mathrm{\Ω}}}_m\left(t\right)=\underset{\mathrm{\Ω}}{\arg \max }\left\{{\mathrm{LPD}}_{z_m}(t,\mathrm{\Ω})\right\}.$

4）水声同步定位仪可以获得已知位置L_c信标源通过测量水听器时的正横时刻t_c0、舰船运动轨迹的正横距离R₀，根据步骤(3)中信号z_m(t)的多普勒频移变化率的表达式，利用非线性最小二乘估计法得到舰船上各线谱噪声源通过测量水听器时的正横时刻和线谱声源的频率估计值 $\{{\hat{t}}_{m0},{\hat{f}}_{m0}\}=\underset{t_{m0},f_{m0}}{\arg \min }\left\{{\∫}_0^T{[{\mathrm{\Ω}}_m\left(t\right)-{\widehat{\mathrm{\Ω}}}_m\left(t\right)]}^2\mathrm{dt}\right\}.$

5）利用各噪声源和信标源通过测量水听器的正横时刻差值，结合舰船运动速度ν，根据式子

可确定舰船上纵向分布的各噪声源位置L_m。

图1为舰船辐射噪声的测量模型，测量水听器位于S处，被测舰船匀速运动，速度为ν，轨迹为MN，正横位置O为其运行轨迹上离测量水听器距离最近点，在舰船上固定位置L_c处布放一个水声同步定位仪作为信标，舰船通过测量水听器的过程中，测量水听器接收舰船辐射的声信号，并将其转换成电压信号s(t)，t为时间，通过前置放大后用数据采集仪以采样率F_S记录时间长度为T的数据，得到信号s(t)的离散时间序列s(n),n＝1,…,N，N＝TF_S，n与t的对应关系为t＝nF_S。

图2为舰船线谱噪声源定位方法的总体流程，具体实施如下：

1）对水听器接收信号预处理，先将采集到的信号s(n)做快速傅立叶变换（FFT）分析频谱，确定信号中存在的低频线谱，其频率一般选择为m＝1,2,…,M，M表示低频线谱的个数，即待分析的低频线谱噪声源个数。通过FIR带通滤波器分离出存在线谱且频带宽度为

的各个小区域信号，其中v可通过水声同步定位仪获得，这便得到各个线谱噪声源多普勒信号s_m(n),m＝1,2,…,M。将分离出的线谱噪声源多普勒信号s_m(n)复数化得到z_m(n)，其中z_m(n)＝s_m(n)+jH[s_m(n)]，H[s_m(n)]表示信号s_m(n)的希尔伯特变换。

2）利用LPD的离散形式，获得多普勒解析信号z_m(n)的时间-频率变化率分布： ${\mathrm{LPD}}_{z_m}(n^{\′},\mathrm{\Ω})=L\underset{\mathrm{\θ}=0}{\overset{(N-1)/2}{\mathrm{\Σ}}}{z}_m^{L^2}(n^{\′}+\mathrm{\θ})z_m^{L^2}(n^{\′}-\mathrm{\θ})\exp (-\mathrm{j\Ω}{\mathrm{\θ}}^2/L^2),$ θ为时间延迟点数，Ω为频率变化率，L一般取为大于等于8的整数，时间序列点n′＝0.25F_S:0.25F_S:0.25KF_S，K是T0.25向下取整的整数值，即分析的时间间隔为0.25秒。再通过一维峰值搜索得到多普勒解析信号z_m(n)的瞬时频率变化率曲线： ${\widehat{\mathrm{\Ω}}}_m\left(t^{\′}\right)=\underset{\mathrm{\Ω}}{\arg \max }\left\{{\mathrm{LPD}}_{z_m}(n^{\′},\mathrm{\Ω})\right\},$ 其中t′＝n′F_S，共K个值。

3）水声同步定位仪可以获得已知位置L_c信标源通过测量水听器时的正横时刻t_c0、舰船运动轨迹的正横距离R₀。多普勒频移变化率的模型为 ${\mathrm{\Ω}}_m\left(t\right)=-\frac{f_{m0}{c}^2{v}^2{R}_0^2}{{[R_0^2(c^2-v^2)+v^2{c}^2{(t-t_{m0})}^2]}^{3/2}},$ 通过非线性最小二乘估计法可以得到各噪声源通过测量水听器时正横时刻的估计值 $\{{\hat{t}}_{m0},{\hat{f}}_{m0}\}=\underset{t_{m0},f_{m0}}{\arg \min }\left\{\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{[{\mathrm{\Ω}}_m(t_k^{\′};t_{m0},f_{m0})-{\widehat{\mathrm{\Ω}}}_m\left(t_k^{\′}\right)]}^2\right\},$ k＝1,2,…，K为时间t′的标记序号。令向量变量x＝[t_m0;f_m0]，假设最小化目标函数 $Q\left(x\right)=\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{[{\mathrm{\Ω}}_m(t_k^{\′};t_{m0},f_{m0})-{\widehat{\mathrm{\Ω}}}_m\left(t_k^{\′}\right)]}^2,$ 下面给出

和

的具体计算步骤如下：(a)对提取出的多普勒频移变化率曲线进行一维峰值搜索得到正横时刻的初值

(b)对于步骤(a)给定的

确定线谱噪声源频率的初值 $f_{m0}^0=-\frac{{\widehat{\mathrm{\Ω}}}_m\left(t_{m0}^0\right)R_0{\left[(c^2-v^2)\right]}^{3/2}}{c^2{v}^2};$ (c)容易获得函数Q(x)对向量变量x的一阶偏导数为

再利用Levenberg-Marquardt迭代算法求解得到参数估计值和

其迭代关系式为 $x^{(m+1)}=x^{\left(m\right)}-\frac{{\left[J\left(x^{\left(m\right)}\right)\right]}^{T}Q\left(x^{\left(m\right)}\right)}{{\left[J\left(x^{\left(m\right)}\right)\right]}^{T}J\left(x^{\left(m\right)}\right)+\mathrm{\μI}},$ x^(m)表示第m次迭代变量x的值，μ为收敛因子，I为单位矩阵，迭代初始值

为步骤(a)、(b)所得。

4）最后，利用各噪声源和信标源通过测量水听器的正横时刻差值，结合舰船运动速度ν，根据式子

可确定舰船上纵向分布的各线谱噪声源位置L_m。

Claims (1)

1.一种基于多普勒频移变化率的舰船线谱噪声源定位方法，其特征在于包括下述步骤：

1）在舰船上任意固定位置L_c处布放一个已知的水声同步定位仪作为信标源，舰船以速度ν做匀速直线航行，由远及近接近测量水听器并由近及远离开测量水听器，测量水听器与舰船运动轨迹的正横距离为R₀，在这个过程中测量水听器接收舰船辐射的声信号，并将其转换成电压信号s(t),0＜t≤T，t表示时间，T表示数据记录的时间长度；

2）把采集得到的水听器接收信号s(t)做快速傅立叶变换分析频谱，找到信号中存在的低频线谱，其频率选择为

m＝1,2,…,M，M表示低频线谱的个数，通过带通滤波器分离出存在线谱的频带宽度为

各个小区域信号，得到各个低频线谱噪声源多普勒信号s_m(t)，将分离出的线谱噪声源多普勒信号s_m(t)复数化得到多普勒解析信号z_m(t)，其中z_m(t)＝s_m(t)+jH[s_m(t)]，H[s_m(t)]表示信号s_m(t)的希尔伯特变换；

3）多普勒信号z_m(t)瞬时频率的变化率称作多普勒频移变化率，表达式为 ${\mathrm{\Ω}}_m\left(t\right)=-\frac{f_{m0}{c}^2{v}^2{R}_0^2}{{[R_0^2(c^2-v^2)+v^2{c}^2{(t-t_{m0})}^2]}^{3/2}},$ f_m0表示舰船上各辐射线谱噪声源信号的频率，t_m0为各线谱噪声源通过正横位置离测量水听器最近时的正横时刻；利用L-相位分布提取多普勒信号z_m(t)的多普勒频移变化率，多普勒信号z_m(t)的LPD为： ${\mathrm{LPD}}_{z_m}(t,\mathrm{\Ω})={\∫}_0^{+\∞}{z}_m^{L^2}(t+\frac{\mathrm{\τ}}{L})z_m^{L^2}(t-\frac{\mathrm{\τ}}{L})\exp (-\mathrm{j\Ω}{\mathrm{\τ}}^2)\mathrm{d\τ},$ 其中Ω为频率变化率，τ为时间延迟，L为常数，取为大于等于8的整数；通过一维峰值搜索得到信号z_m(t)的多普勒频移变化率 ${\widehat{\mathrm{\Ω}}}_m\left(t\right)=\underset{\mathrm{\Ω}}{\arg \max }\left\{{\mathrm{LPD}}_{z_m}(t,\mathrm{\Ω})\right\};$

4）获得已知位置L_c信标源通过测量水听器时的正横时刻t_c0、舰船运动轨迹的正横距离R₀，根据步骤(3)中信号z_m(t)的多普勒频移变化率的表达式，利用非线性最小二乘估计法得到舰船上各线谱噪声源通过测量水听器时的正横时刻和线谱声源的频率估计值 $\{{\hat{t}}_{m0},{\hat{f}}_{m0}\}=\underset{t_{m0},f_{m0}}{\arg \min }\left\{{\∫}_0^T{[{\mathrm{\Ω}}_m\left(t\right)-{\widehat{\mathrm{\Ω}}}_m\left(t\right)]}^2\mathrm{dt}\right\};$

5）利用各噪声源和信标源通过测量水听器的正横时刻差值，根据式子

确定舰船上纵向分布的各噪声源位置L_m。