CN103438987B - 基于超指向性小孔径圆柱阵的舰船辐射噪声源分辨方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于超指向性小孔径圆柱阵的舰船辐射噪声源分辨方法，提出了采用超指向性小孔径圆柱阵实现舰船辐射噪声源分辨；利用测量基阵各阵元接收环境噪声信号之间的相关特性设计出超指向性加权向量，以实现窄波束宽度和高增益处理系统；在六亮点目标模型的假设下，通过计算机仿真给出了这种基于超指向性小孔径圆柱阵舰船辐射噪声源分辨的结果；与常规波束形成进行对比仿真研究，证明了该发明在舰船辐射噪声源分辨问题上的优越性。

Description

基于超指向性小孔径圆柱阵的舰船辐射噪声源分辨方法

技术领域

本发明涉及一种舰船辐射噪声测量方法。

背景技术

目前，国内外有多种舰船辐射噪声的测量方法，大致可以划分为：1)利用单水听器的方法，2)利用水听器簇的方法，3)利用水平阵和垂直阵的方法，4)利用圆柱阵的方法，5)利用合成孔径的方法。而在每种方法中，水听器或基阵的使用方式也各有不同。随着减振降噪技术的不断发展，其辐射噪声级越来越低，对其进行准确测量并分辨噪声来源更加困难，为此多个国家不惜耗巨资开展测量系统集成技术研究和建造海上噪声试验场及可移动式的测试平台。如美国建立的大西洋水下试验与鉴定中心，法国与意大利海军设立了基于近场全息法的大型垂直线阵测试系统，俄罗斯在远东和北海建有固定的大型综合试验场，研制了组合式矢量水听器测试系统。而信号处理和计算机能力的不断增强为舰船辐射噪声的测量与噪声源分辨提供了可能和技术保障。20世纪90年代起，为了能够更有效地测量水下目标辐射噪声，采用大孔径基阵测量的方法得到了飞速发展。近年来，矢量传感器由于其自身具有指向性，引起了广大研究人员的青睐，基于单个矢量水听器和由矢量水听器垂直线阵测量潜艇辐射噪声的方法，不仅有较高的阵增益，基阵孔径比常规声压阵小，还能克服在辐射噪声测量中左右舷模糊的问题(韩荣荣.基于矢量水听器的宽带辐射噪声测量方法研究[D].哈尔滨工程大学硕士学位论文.2009.)。被动合成孔径测量目标辐射噪声(魏建新.被动合成孔径声纳辐射噪声测量方法研究[D].哈尔滨工程大学硕士学位论文，2009.)，该方法可以有效减小阵列孔径，具有较高的阵增益和方位分辨力。舰船辐射噪声是典型的宽带信号，均匀线阵的指向性是频率的函数，在接收阵尺寸固定的情况下，波束宽度随频率的增高而变窄，这样噪声测量就会产生频率畸变，恒定束宽波束形成技术因其在不同频率波束宽度保持一致，能有效地解决常规阵处理基阵输出信号频率失真的问题，然而用该方法实现舰船辐射噪声源分辨比较困难。

辐射噪声源位置及噪声级是表征舰船辐射噪声的两个最基本的量，对舰船多个输射噪声源进行有效分辨是实现舰船不同部位辐射噪声测量的前提。舰船辐射噪声主要包括机械噪声、螺旋桨噪声和水动力噪声(刘伯胜，雷家煜.水声学原理[M].哈尔滨船舶工业学院出版社，1993.)。机械噪声是指舰船航行或作业时各种机械振动通过船体向水中辐射而形成的噪声，如主机和辅机等的运作；螺旋桨噪声是由旋转着的螺旋桨所辐射的噪声，包括螺旋桨空化噪声和螺旋桨叶片振动时所产生的噪声；水动力噪声由不规则的、起伏的海流流过运动舰船表面而形成，是水流动力作用于舰船的结果，其主要集中在迎流部位。对于给定的航速和深度，存在一个临界频率，低于此频率时，舰船辐射噪声谱的主要成分则是舰船机械和螺旋桨的线谱，高于此频率时，谱的主要成分则是螺旋桨空化的连续谱。通常，舰船和潜艇的临界频率约在100～1000Hz之间，它取决于船的种类、航速和深度(何正耀，张翼鹏.舰船辐射噪声建模及仿真研究[J].电声技术，2005；12∶52-55.)。舰船辐射噪声组成极其复杂，受舰船尽寸的影响，各噪声源间距较小，其频谱成分相互叠加，使得进行舰船辐射噪声源分辨这一问题成为一大难点，也是工程上亟待解决的难题。因此，急需开展高分辨信号处理算法研究。

在常规阵列信号处理中，基阵相邻阵元的间隔为信号波长的一半，如果声纳的工作频段比较低，为了得到一定的空间处理增益，就会使得声纳基阵的体积变得非常庞大，不利于实际应用和工程实施。超增益处理方法对于解决这个难题具有重要指导意义(Y.L.Ma，B.S.Zhang.Investigation to the supergain hydrophone arrays for widebandapplication in isotropic ambient noise field.Proceedings of ECUA2000，Lyon，France：2000，1043-1048.)。相对于常规阵而言，超增益阵在低频段有较大的优势，一个较小尺度的基阵，通过超增益处理，可以获得可观的空间处理增益，这对于实现舰船低频辐射噪声源分辨提供了思路。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种超指向性小孔径圆柱阵实现舰船辐射噪声源分辨的方法。

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.建立测量水听器阵输出信号模型

均匀圆柱阵由N个阵元个数为M的均匀圆环阵等间隔排列而成，均匀圆环阵的半径为a，相邻两圆环阵的间隔为d；当入射信号为平面波信号时，任意均匀圆环阵阵元相对于坐标X轴的角度为γ_k＝0，β，2β，...，(M-1)β，β＝2π/M，则阵元相对于坐标原点的位置矢量P_k，l＝a[cos(γ_k)，sin(γ_k)，(l-1)d]^T，式中，k＝1，2，...，M表示单个均匀圆环阵阵元编号，l＝1，2，...，N为圆环阵编号，符号T表示求转置；归一化信号方向矢量其中，信号方位角为θ，俯仰角为则声程差Δd_k，l＝P_s ^TP_k,l;当入射信号为CW信号，基阵输出信号式中，分别表示第p＝kM+l，(p＝0，1，...，MN-1)号阵元接收到的时域信号和权值，其中，上标*为求共轭，t为时间，W＝[w₀，w₁，...，w_MN-1]^T为加权向量，为基阵接收信号矩阵，当入射信号频率为f₀时，阵元输出信号可进一步写为式中，A为信号幅值，U为信号导向矢量，其中，为相位，c为声速，Δd_p＝Δd_k,l;可得基阵输出信号 $\tilde{s}\left(t\right)=A{e}^{j2\mathrm{\π}{f}_{0}t}*W^{H}U;$

2.求解最优加权向量

定义基阵波束幅度响应B(θ，φ)＝|W^HU|，当信号入射方向一定时，基阵波束输出的幅度响应由加权向量W确定；在声纳信号处理中，假定圆柱阵接收数据向量X＝X_d+X_n，式中，X_d和X_n分别为期望信号和噪声信号，则基阵输出功率谱B_f(θ，φ)＝W^HR_XW＝W^HR_dW+W^HR_nW，式中，R_X，R_d和R_n分别为接收数据向量、信号向量和噪声向量的协方差矩阵，R_X＝E{X^HX}，

定义基阵的空间增益为基阵的输出信噪比和参考阵元输出信噪比，则空间增益式中，P为归一化信号协方差矩阵，P＝UU^H，Q为归一化噪声协方差矩阵，令增益G为最大值，可以得到 $\left\{\begin{array}{c}W=Q^{-1}U\\ G_0=U^H{Q}^{-1}U\end{array}\right.,$ 当加权向量W满足上式时，基阵输出信噪比最大，即可获得最大的空间处理增益；基阵的常规处理增益在空间均匀噪声场中，当阵元间隔等于λ/2时，λ为信号波长，各阵元接收到的噪声信号互不相关，Q退化成单位阵，这时，G₀＝G_c；当阵元间隔小于λ/2时，G₀>G_c，基阵各阵元接收噪声信号是相关的，在各向同性噪声场中，其相关系数式中，k＝ω/c为波数，ω为角频率，Δl_p，q表示编号为p和q阵元之间的距离，p，q＝0，1，2，...，MN-1；p和q阵元的位置坐标可表示为

$P_p=a{[\cos \left({\mathrm{\θ}}_p\right),\sin \left({\mathrm{\θ}}_p\right),(\mathrm{ceil}\left(\frac{p+1}{M}\right)-1)d]}^T$

$P_q=a{[\cos \left({\mathrm{\θ}}_q\right),\sin \left({\mathrm{\θ}}_q\right),(\mathrm{ceil}\left(\frac{q+1}{M}\right)-1)d]}^T$

式中，θ_p和θ_q分别为第p号、第q号阵元与坐标轴X轴的水平夹角，ceil(·)为向上取整。

则有 $\mathrm{\Δ}{l}_{p,q}=\sqrt{2-2\cos ({\mathrm{\θ}}_p-{\mathrm{\θ}}_q)+d^2[\mathrm{ceil}\left(\frac{p+1}{M}\right)-\mathrm{ceil}\left(\frac{q+1}{M}\right){]}^2};$

可得噪声相关矩阵为

式中，ρ_p，q＝ρ_q，p，ρ_p，p＝1，则Q为对称正定矩阵，可得具有超指向性基阵的最优权及最大阵增益值；

3.实现舰船辐射噪声多源分辨

将步骤2计算出的最优加权向量代入基阵输出功率谱，可得舰船辐射噪声源方位谱，从而实现舰船辐射噪声多源分辨。

本发明的有益效果是：本发明的基本原理和具体实现得到了典型浅海波导环境中模拟实验的验证，结果表明：

1)随着波束期望方向的变化，其主瓣变化较小；

2)随着处理频率的变化，波束图形状差异较小，主瓣宽度基本保持一致，具有很好的宽带特性；

3)该发明能有效地分辨舰船低频辐射噪声源位置，其分辨能力远高于常规加权方法。

附图说明

图1是均匀圆柱阵模型；

图2是不同频率的波束图；(a)250Hz，(b)300Hz，(c)500Hz，(d)1000Hz；

图3是频率为400Hz，θ＝30°，φ＝90°圆柱阵超指向性波束图；(a)和(b)分别为立体图和俯视图；

图4是频率为400Hz，θ＝-120°，φ＝90°圆柱阵超指向性波束图；(a)和(b)分别为立体图和俯视图；

图5是频率为400Hz，θ＝0°，φ＝45°圆柱阵超指向性波束图；(a)和(b)分别为立体图和俯视图；

图6是频率为400Hz，θ＝0°，φ＝130°圆柱阵超指向性波束图；(a)和(b)分别为立体图和俯视图；

图7是不同信号频率波束输出重叠图；(a)θ＝0°，(b)φ＝0°；

图8是方位谱；(a)和(b)分别为超指向性方位估计立体图和俯视图，(c)和(d)分别为常规加权方位估计立体图和俯视图(频率为400Hz；

图9是方位谱；(a)和(b)分别为超指向性方位估计立体图和俯视图，(c)和(d)分别为常规加权方位估计立体图和俯视图(频率为800Hz)。

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，本发明包括但不仅限于下述实施例。

在实际工程测量环境中，当处理频率小于任意两阵元间距时，测量水听器接收到的海洋环境噪声信号存在一定的相关性，本发明正是基于该理论，研究了超指向性小孔径圆柱阵实现舰船辐射噪声源分辨。并进行了计算机仿真分析，验证本发明提出方法的有效性。

本发明的主要内容有：

1.本发明首次提出了采用超指向性小孔径圆柱阵实现舰船辐射噪声源分辨。

2.利用测量基阵各阵元接收环境噪声信号之间的相关特性设计出超指向性加权向量，以实现窄波束宽度和高增益处理系统。

3.在六亮点目标模型的假设下，通过计算机仿真给出了这种基于超指向性小孔径圆柱阵舰船辐射噪声源分辨的结果。

4.与常规波束形成进行对比仿真研究，证明了该发明在舰船辐射噪声源分辨问题上的优越性。

本发明的技术方案可以分成如下步骤：

4.建立测量水听器阵输出信号模型

考虑一均匀圆柱阵，由N个阵元个数为M的均匀圆环阵等间隔排列而成，如图1所示，其中，均匀圆环阵的半径为a，相邻两圆环阵的间隔为d。当入射信号为平面波信号时，由阵列信号处理的知识知，任意圆环阵阵元相对于坐标X轴的角度为γ_k＝0，β，2β，...，(M-1)β，β＝2π/M。则阵元相对于坐标原点的位置矢量可表示为：

P_k，l＝a[cos(γ_k)，sin(γ_k)，(l-1)d]^T   (1)

式中，k＝1，2，...，M表示单个圆环阵阵元编号，l＝1，2，...，N为圆环阵编号，符号T表示求转置。归一化信号方向矢量为：

其中，信号方位角为θ，俯仰角为则声程差可表示为

${\mathrm{\Δd}}_{k,l}=P_s^T{P}_{k,l}---\left(3\right)$

当入射信号为CW信号，基阵输出信号可表示为

$\tilde{s}\left(t\right)=\underset{p=0}{\overset{\mathrm{MN}-1}{\mathrm{\Σ}}}{\tilde{x}}_p\left(t\right)w_p^{*}=W^{H}X---\left(4\right)$

式中，分别表示第p＝kM+l，(p＝0，1，...，MN-1)号阵元接收到的时域信号和权值，其中，上标*为求共轭，t为时间。W＝[w₀，w₁，...，w_MN-1]^T为加权向量，为基阵接收信号矩阵，上标H为复共轭转置。当入射信号频率为f₀时，阵元输出信号可进一步写为

$X={\mathrm{Ae}}^{j2\mathrm{\π}{f}_{0}t}U---\left(5\right)$

式中，A为信号幅值，U为信号导向矢量，

$U={[e^{-j{\mathrm{\φ}}_0},e^{-j{\mathrm{\φ}}_1},...,e^{-j{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{MN}-1}}]}^T---\left(6\right)$

其中，为相位。c为声速，Δd_p＝Δd_k，l。由式(5)和(4)可得基阵输出信号的表达示为

$\tilde{s}\left(t\right)={\mathrm{Ae}}^{j2\mathrm{\π}{f}_{0}t}*W^{H}U---\left(7\right)$

5.求解最优加权向量

定义基阵波束幅度响应为

B(θ，φ)＝|W^HU|   (8)

由式(8)可以看出，当信号入射方向一定时，基阵波束输出的幅度响应由加权向量W确定。

在声纳信号处理中，可假定圆柱阵接收数据向量为

X＝X_d+X_n   (9)

式中，X_d和X_n分别为期望信号和噪声信号。

则基阵输出功率谱为

B_f(θ，φ)＝W^HR_XW＝W^HR_dW+W^HR_nW   (10)

式中，R_X，R_d和R_n分别为接收数据向量、信号向量和噪声向量的协方差矩阵，其具体形式为

$R_X=E\left\{X^{H}X\right\},R_d=E\left\{X_d^H{X}_d\right\},R_n=E\left\{X_n^H{X}_n\right\}---\left(11\right)$

其中，E{·}为求期望。

定义基阵的空间增益为基阵的输出信噪比和参考阵元输出信噪比。则空间增益G可表示为

$G=\frac{W^H{R}_{d}W}{W^H{R}_{n}W}/\frac{S}{N}=\frac{W^H\mathrm{PW}}{W^H\mathrm{QW}}---\left(12\right)$

式中，P为归一化信号协方差矩阵，Q为归一化噪声协方差矩阵。由式(5)可以看出，P可由信号导向矢量表示为

P＝UU^H

令增益G为最大值，可以得到

$\left\{\begin{array}{c}W=Q^{-1}U\\ G_0=U^H{Q}^{-1}U\end{array}\right.---\left(13\right)$

也就是说，当加权向量W满足上式时，基阵输出信噪比最大，即可获得最大的空间处理增益。相比之下，基阵的常规处理增益为

$G_c=\frac{M^2}{U^H\mathrm{QU}}---\left(14\right)$

由式(14)可以看出，在空间均匀噪声场中，当阵元间隔等于λ/2(λ为信号波长)时，各阵元接收到的噪声信号互不相关，Q退化成单位阵，这时，G₀＝G_c。当阵元间隔小于λ/2时，G₀＞G_c。这就是所谓的超增益，换句话说，超增益即是利用基阵阵元接收噪声信号相关特性以达到提高阵增益的方法，是最佳阵处理技术的一种特殊形式。

基阵尺寸及阵元间隔固定，当阵元间隔小于λ/2时，基阵各阵元接收噪声信号是相关的，在各向同性噪声场中，其相关系数为

${\mathrm{\ρ}}_{p,q}=\frac{\sin \left({\mathrm{k\Δl}}_{p,q}\right)}{{\mathrm{k\Δl}}_{p,q}}---\left(15\right)$

式中，k＝ω/c为波数，ω为角频率，Δl_p，q表示编号为p和q阵元之间的距离，p，q＝0，1，2，...，MN-1。考虑三角函数具有周期性，由式(1)可知编号为p和q阵元的位置坐标可表示为

$\begin{array}{c}{P}_p=a{[\cos \left({\mathrm{\θ}}_p\right),\sin \left({\mathrm{\θ}}_p\right),(\mathrm{ceil}\left(\frac{p+1}{M}\right)-1)d]}^T\\ P_q=a{[\cos \left({\mathrm{\θ}}_q\right),\sin \left({\mathrm{\θ}}_q\right),(\mathrm{ceil}\left(\frac{q+1}{M}\right)-1)d]}^T\end{array}---\left(16\right)$

式中，θ_p和θ_q分别为第p号、第q号阵元与坐标轴X轴的水平夹角，ceil(·)为向上取整。则有

${\mathrm{\Δl}}_{p,q}=\sqrt{2-2\cos ({\mathrm{\θ}}_p-{\mathrm{\θ}}_q)+d^2{[\mathrm{ceil}\left(\frac{p+1}{M}\right)-\mathrm{ceil}\left(\frac{q+1}{M}\right)]}^2}---\left(17\right)$

联合式(15)与式(17)可得噪声相关矩阵为

式中，ρ_p，q＝ρ_q，p，ρ_p，p＝1，则Q为对称正定矩阵。将式(18)代入式(13)可得具有超指向性基阵的最优权及最大阵增益值。

6.实现舰船辐射噪声多源分辨

将步骤2计算出的最优加权向量代入式(10)，可得舰船辐射噪声源方位谱，从而实现舰船辐射噪声多源分辨。

实施例：

(1)圆柱阵超指向性波束形成

仿真中采用的基阵参数为M＝10，N＝6，圆柱半径a＝0.5m，高d＝0.5m。图2给出了不同频率圆柱阵的超指向性波束图，其中水平角θ＝0°，俯仰角φ＝90°。可以看出，该基阵在低频段有较好的波束指向性，其水平、俯仰方向主瓣宽度较窄，在不同频率上有较好的一致性。图3，图4，图5和图6分别给出了频率为400Hz不同方位圆柱阵超指向性波束图。可以看出，随着期望方向的变化，其主瓣变化较小，具有很好的稳定性。

为了更好地分析波束主瓣宽随频率的变化关系，假定频率为200Hz～1000Hz以25Hz为采样间隔中的离散频点，水平角或俯仰角一定。图7(a)为θ＝0°多个处理频率波束输出重叠图，图7(b)为φ＝90°多个处理频率波束输出重叠图。从图中可以看出，随着频率的变，波束图形状差异较小，主瓣宽度基本保持一致。

(2)圆柱阵舰船辐射噪声源分辨

假定舰船辐射噪声源由6个点源组成，其角度坐标(θ，φ)分别为(-90°，90°，(-60°，60°)，(-30°，90°)，(0°，60°)，(30°，90°)和(90°，90°)，每个点源辐射相同的CW脉冲信号。假定接收信噪比为-6dB。图8给出了频率为400Hz圆柱阵超指向性舰辐射噪声源方位谱及常规加权舰船辐射噪声源方位谱。图9给出了频率为800Hz圆柱阵超指向性舰辐射噪声源方位谱及常规加权舰船辐射噪声源方位谱。从图8、图9可以看出，基于超指向性圆柱阵舰船辐射噪声源分辨方法能有效地分辨舰船低频辐射噪声源位置，其分辨能力远高于常规加权方法。

Claims (1)

1.一种基于超指向性小孔径圆柱阵的舰船辐射噪声源分辨方法，其特征在于包括下述步骤：

(1).建立测量水听器阵输出信号模型

均匀圆柱阵由N个阵元个数为M的均匀圆环阵等间隔排列而成，均匀圆环阵的半径为a，相邻两圆环阵的间隔为d；当入射信号为平面波信号时，任意均匀圆环阵阵元相对于坐标X轴的角度为γ_k＝0,β,2β,...,(M-1)β，β＝2π/M，则阵元相对于坐标原点的位置矢量P_k,l＝a[cos(γ_k),sin(γ_k),(l-1)d]^T，式中，k＝1,2,...,M表示单个均匀圆环阵阵元编号，l＝1,2,...,N为圆环阵编号，符号T表示求转置；归一化信号方向矢量 其中，信号方位角为θ，俯仰角为则声程差Δd_k,l＝P_s ^TP_k,l；当入射信号为CW信号，基阵输出信号式中， 分别表示第p＝kM+l号阵元接收到的时域信号和权值，其中，p＝0,1,...,MN-1，上标*为求共轭，t为时间，W＝[w₀,w₁,...,w_MN-1]^T为加权向量， 为基阵接收信号矩阵，当入射信号频率为f₀时，基阵接收信号矩阵可进一步写为式中，A为信号幅值，U为信号导向矢量， 其中，为相位，c为声速，Δd_p＝Δd_k,l；可得基阵输出信号

(2).求解最优加权向量

定义基阵波束幅度响应B(θ,φ)＝|W^HU|，当信号入射方向一定时，基阵波束幅度响应由加权向量W确定；在声纳信号处理中，假定圆柱阵接收数据向量X＝X_d+X_n，式中，X_d和X_n分别为期望信号和噪声信号，则基阵输出功率谱B_f(θ,φ)＝W^HR_XW＝W^HR_dW+W^HR_nW，式中，R_X，R_d和R_n分别为接收数据向量、信号向量和噪声向量的协方差矩阵，

定义基阵的空间增益为基阵的输出信噪比和参考阵元输出信噪比之间的比值，则 空间增益式中，P为归一化信号协方差矩阵，P＝UU^H，Q为归一化噪声协方差矩阵，令空间增益G为最大值，可以得到当加权向量W满足上式时，基阵输出信噪比最大，即可获得最大的空间处理增益；基阵的常规处理增益在空间均匀噪声场中，当阵元间隔等于λ/2时，λ为信号波长，各阵元接收到的噪声信号互不相关，Q退化成单位阵，这时，G₀＝G_c；当阵元间隔小于λ/2时，G₀＞G_c，基阵各阵元接收噪声信号是相关的，在各向同性噪声场中，其相关系数式中，k＝ω/c为波数，ω为角频率，Δl_p,q表示编号为p和q阵元之间的距离，p,q＝0,1,2,...,MN-1；p和q阵元的位置坐标可表示为

式中，θ_p和θ_q分别为第p号、第q号阵元与坐标轴X轴的水平夹角，ceil(·)为向上取整；则有

可得噪声相关矩阵为

式中，ρ_p,q＝ρ_q,p，ρ_p,p＝1，则Q为对称正定矩阵，可得具有超指向性基阵的最优加权向量及最大的空间处理增益；

3.实现舰船辐射噪声多源分辨

将步骤2计算出的最优加权向量代入基阵输出功率谱，可得舰船辐射噪声源方位谱，从而实现舰船辐射噪声多源分辨。