CN108828522B - 一种利用垂直阵lcmv波束形成的水下目标辐射噪声测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用垂直阵LCMV波束形成的水下目标辐射噪声测量方法，该方法利用浅海波导环境下目标直达波信号和多途信号具有不同垂直到达角的特点，通过多途到达角跟踪、估计等方法获得波束主瓣保形区域，在此基础上采用线性约束最小方差波束形成法(Linearly Constrained Minimum Variance：LCMV)获得直达波信号，并在多途方向形成波束凹槽抑制多途干扰，获得优于传统单声压水听器测量方法的水下目标辐射噪声测量结果。

Description

一种利用垂直阵LCMV波束形成的水下目标辐射噪声测量方法

技术领域

本发明属于噪声测量领域，具体涉及一种利用垂直阵LCMV波束形成的水下目标辐射噪声测量方法。

背景技术

水下目标辐射噪声是被动声呐探测装置的信息源，可以用来判定目标的存在并估计其参数。另外，该辐射噪声也是影响水下目标隐蔽性的重要指标之一，对其的精确测量是进行减振降噪以降低被发现概率的前提。因此需要研究高精度的水下目标辐射噪声测量方法。

目前，对于水下目标辐射噪声的测量方法主要是单声压水听器测量法。该方法原理简单，布放时只需要将测量水听器布放得与水下目标几何中心等深度即可，水下目标从距离测量水听器一千米处起航，以固定航向、恒定深度，匀速通过测量水听器。在此过程中，记录测量水听器数据，将记录数据进行分段时间平均来估计水下目标辐射噪声级。

但是，单声压水听器测量法忽略了测量环境的影响，特别是浅海环境中，水声信道多途效应尤为突出。另外水下目标辐射噪声级越来越低，测量海区海洋环境背景噪声因航道大吨位航船的增多而变得越来越高，测量信噪比变低，导致所测量的水下目标辐射噪声存在较大的误差。

发明内容

本发明解决的技术问题是：为了克服传统单声压水听器测量法因水声信道多途效应和低信噪比而导致的水下目标辐射噪声源级的测量误差，本发明提出一种利用垂直阵LCMV波束形成进行辐射噪声测量的方法。该方法利用浅海波导环境下目标直达波信号和多途信号具有不同垂直到达角的特点，通过多途到达角跟踪、估计等方法获得波束主瓣保形区域，在此基础上采用线性约束最小方差波束形成法(Linearly Constrained MinimumVariance：LCMV)获得直达波信号，并在多途方向形成波束凹槽抑制多途干扰，获得优于传统单声压水听器测量方法的水下目标辐射噪声测量结果。

本发明的技术方案是：一种利用垂直阵LCMV波束形成的水下目标辐射噪声测量方法，包括以下子步骤：

步骤一：在测量场中，目标在航行过程中的轨迹不变，深度不变；建立N(N＝[10,20]，整数)元均匀垂直直线阵，其中垂直阵采用等间隔布阵；设测量场的水深为h，垂直阵的阵列长度为[2,h/2]，单位为米；垂直直线阵接收目标辐射噪声信号，得到时域数据采样矩阵x，将时域采样数据进行傅里叶变换后得到频域输出X，对X划分出K个子带X₁，X₂，X₃...，X_k，...，X_K，求得每个子带内的协方差矩阵S_k(k＝1,2,3…，K)，即:

其中，L代表子带内的快拍数，[·]^H表示共轭转置；

对该垂直直线阵进行子阵平滑预处理，划分N-Q+1个子阵，每个子阵阵元数为Q，利用第k个子带频域协方差矩阵S_k计算子阵平滑后的协方差矩阵为：

作为后续LCMV波束形成器的输入。

步骤二：对水下目标的海面一次反射、海底一次反射到达角进行跟踪估计，公式如下：

其中，水下目标与水面之间的距离为D₁，水下目标与水底之间的距离为D₂，垂直阵几何中心深度为D，水下目标和垂直阵几何中心之间水平距离为r，海深为h(D₁+D₂)，海面一次反射与垂直阵几何中心水平方向形成的夹角为海面一次反射到达角θ_sf，海底一次反射与垂直阵几何中心水平方向形成的夹角为海底一次反射到达角θ_bf；

步骤三：使用线性约束最小方差法获得直达波信号，反推出目标辐射噪声源级，包括以下子步骤：

子步骤1)：将步骤二得到的海面一次反射角和海底一次反射到达角之间区域设为波束主瓣保形区域，保证区域内主瓣响应不随频率发生变化，针对波束主瓣建立约束矩阵，即：

C＝[v(θ₁),v(θ₂),...,v(θ_m),...,v(θ_M)]是一个Q×M维矩阵，v(θ_m)是阵列流形矢量：

θ_m∈[θ_bf,θ_sf]，m＝1,2,…,M，f为该处理子带的中心频率，d为阵元间距，c为声速；为保证区域内主瓣保形，采用如下的约束值：

子步骤2)：对第k个子带采用线性约束最小方差波束形成法设计波束图,则LCMV波束形成器可表示为：

min(w^H(θ)S_FBSSw(θ))

s.t.w^H(θ)C＝g^H

对上述公式进行求解，即可获得第k个子带的加权向量w，通过加权求和得到该子带内的频域输出：

Y_k＝w^H(θ)X_k

子步骤3)：采用子步骤2)中的公式，获得其他子带内的波束输出，各子带输出进行拼接，获得直达波信号对应的功率谱。

本发明的进一步技术方案是：一种利用垂直阵LCMV波束形成的水下目标辐射噪声测量方法，包括以下子步骤：

步骤一：在测量场中，目标在航行过程中的轨迹不变，深度不变；建立N(N＝[10,20]，整数)元均匀垂直直线阵，其中垂直阵采用等间隔布阵；设测量场的水深为h，垂直阵的阵列长度为[2,h/2]，单位为米；垂直直线阵接收目标辐射噪声信号，得到时域数据采样矩阵x，将时域采样数据进行傅里叶变换后得到频域输出X，对X划分出K个子带X₁，X₂，X₃...，X_k，...，X_K，求得每个子带内的协方差矩阵S_k(k＝1,2,3…，K)，即:

其中，L代表子带内的快拍数，[·]^H表示共轭转置；

对该垂直直线阵进行子阵平滑预处理，划分N-Q+1个子阵，每个子阵阵元数为Q，利用第k个子带频域协方差矩阵S_k计算子阵平滑后的协方差矩阵为：

作为后续LCMV波束形成器的输入；

步骤二：求取海面一次反射到达角θ_sf和海底一次反射到达角θ_bf，还可利用采集信号中高频段子带的协方差矩阵S_k进行垂直到达角估计，采用常规波束形成的加权向量w(θ)，在θ＝[-90°,90°]的垂直方向上扫描，获得不同垂直角度上常规波束形成的DOA估计输出P_CBF(θ)：

P_CBF(θ)＝w^H(θ)S_kw(θ)

根据上述公式绘出目标水平距离、垂直到达角二维图，从图中即可得到当目标位于不同距离时的海面、海底一次反射的到达角；

步骤三：使用线性约束最小方差法获得直达波信号，反推出目标辐射噪声源级，包括以下子步骤：

子步骤1)：将步骤二得到的海面一次反射角和海底一次反射到达角之间区域设为波束主瓣保形区域，保证区域内主瓣响应不随频率发生变化，针对波束主瓣建立约束矩阵，即：

C＝[v(θ₁),v(θ₂),...,v(θ_m),...,v(θ_M)]是一个Q×M维矩阵，v(θ_m)是阵列流形矢量：

θ_m∈[θ_bf,θ_sf]，m＝1,2,…,M，f为该处理子带的中心频率，d为阵元间距，c为声速；为保证区域内主瓣保形，采用如下的约束值：

子步骤2)：对第k个子带采用线性约束最小方差波束形成法设计波束图,则LCMV波束形成器可表示为：

min(w^H(θ)S_FBSSw(θ))

s.t.w^H(θ)C＝g^H

对上述公式进行求解，即可获得第k个子带的加权向量w，通过加权求和得到该子带内的频域输出：

Y_k＝w^H(θ)X_k

子步骤3)：采用子步骤2)中的公式，获得其他子带内的波束输出，各子带输出进行拼接，获得直达波信号对应的功率谱。

发明效果

本发明的技术效果在于：本发明的基本原理和实施方案经过了计算机数值仿真的验证，其结果表明：与传统单声压水听器测量法相比，本发明所提方法利用线性约束最小方差波束形成法获得直达波信号，同时在多途方向形成波束凹槽抑制多途干扰环境噪声，提高信噪比，可以获得比已有方法更精准的测量结果。

附图说明

图1本发明提出的测量方法的坐标示意图；

图2本发明中主要步骤的流程；

图3处理采集的信号获得辐射噪声测量结果的流程；

图4仿真浅海波导环境；

图5(a)实施实例中利用几何射线对海面一次反射、海底一次反射的垂直到达角估计结果；

(b)实施实例中利用采集信号中的高频段进行海面海底反射垂直到达角估计结果；图6(a)实施实例中传统单声压水听器测量辐射噪声的结果；

(b)实施实例中主瓣保形且采用线性约束最小方差波束形成法设计的波束图；

(c)本发明提出的测量方法测量辐射噪声的结果；

具体实施方式

参见图1-图6，

本发明的主要内容有：

1.在浅海波导环境中采用垂直直线阵接收目标辐射噪声信号。垂直阵采用等间隔布阵，阵列长度大于等于2米、小于等于测量场水深的一半。

2.根据测量场的浅海波导环境、水下目标所在深度距离，对水下目标的海面一次反射、海底一次反射到达角进行跟踪、估计。方法有两个，一是利用几何射线直接预估出海面一次反射、海底一次反射的垂直到达角；二是利用采集信号中的高频段(该频段对应垂直阵的设计频率)先进行垂直到达角估计，从中获得海面一次反射、海底一次反射的垂直到达角。

3.根据所跟踪、估计的海面一次反射、海底一次反射的垂直到达角，将两个角度之间的区域设为波束主瓣保形区域。将测量频段分为多个子带，每个子带均采用线性约束最小方差(LCMV)波束形成法，在所有子带波束图的主瓣保形区域内设定相同的期望响应。据此计算出权值，通过加权求和获得直达波信号。最后利用直达波信号的测量结果反推出水下目标辐射噪声级。

4.通过计算机数值仿真给出了传统单声压水听器测量法和本发明所提方法的辐射噪声源级测量结果，以此证明了本发明所提方法可以获得更高精度的辐射噪声源级测量结果。

本发明解决现存问题所采用的技术方案可分为以下3个步骤：

1)在浅海波导环境中，利用单个垂直直线阵接收目标辐射噪声信号，将采集的信号转换到频域，划分多个子带。

2)根据测量场的浅海波导环境、水下目标所在深度距离，对水下目标的海面一次反射、海底一次反射到达角进行跟踪、估计。

3)针对某个子带而言，将跟踪、估计得到的海面一次反射、海底一次反射到达角区域内(该区域包含了直达波到达角度)设为波束图主瓣保形区域，并采用线性约束最小方差波束形成法，以期在多途方向形成波束凹槽抑制干扰。同理获得所有子带的加权向量和接收声谱级，减去信号场增益，补偿传播损失，得到比传统单声压水听器测量方法更精准的水下目标辐射噪声级。

下面对本发明的每个步骤作详细说明：

步骤1)主要关于利用垂直阵进行辐射噪声的采集，所涉及的具体内容如下：

目标在航行过程中的轨迹、深度不变且已知。利用N元均匀垂直直线阵采集信号，得到时域数据采样矩阵x。将时域采样数据进行傅里叶变换后得到频域输出X。对X划分出K个子带X₁，X₂，X₃...，X_k，...，X_K，求得每个子带内的协方差矩阵S_k，即:

其中，L代表子带内的快拍数，[·]^H表示共轭转置。

步骤2)主要关于对测量场的浅海多途进行跟踪和估计，所涉及的具体内容如下：

方法一：设水下目标深度不变，距离水面D₁，距离水底D₂，垂直阵几何中心深度为D，两者水平距离为r，海深h(D₁+D₂)。解三角形得到海面一次反射到达角θ_sf和海底一次反射到达角θ_bf，即:

方法二：利用采集信号中高频段子带(该频段对应垂直阵的设计频率)的协方差矩阵S_k进行垂直到达角估计，采用常规波束形成的加权向量w(θ)，在θ＝[-90°,90°]的垂直方向上扫描，获得不同垂直角度上常规波束形成的DOA估计输出P_CBF(θ)：

P_CBF(θ)＝w^H(θ)S_kw(θ) (3)

根据式(3)绘出目标水平距离、垂直到达角二维图，从图中即可得到当目标位于不同距离时的海面、海底一次反射的到达角。

步骤3)主要关于使用线性约束最小方差法获得直达波信号并反推出目标辐射噪声源级，所涉及的具体内容如下：

由步骤2)可得到水下目标辐射噪声直达波以及海面海底一次反射的到达角，将海面一次反射、海底一次反射到达角之间区域设为波束主瓣保形区域，在K个子带均采用线性约束最小方差波束形成法设计波束图。但是在浅海多途效应下，反射信号与直达波信号相关，协方差矩阵S_k出现秩亏，极大地影响了LCMV波束形成器的性能。因此需要进行子阵平滑预处理以降低相关性，这个预处理步骤的输出是后续LCMV波束形成器的输入。设N元垂直直线阵的第k个子带频域协方差矩阵为S_k，划分N-Q+1个子阵，每个子阵阵元数为Q，则子阵平滑后的协方差矩阵为：

为了约束海面一次反射、海底一次反射到达角之间区域的波束主瓣，设约束矩阵C＝[v(θ₁),v(θ₂),...,v(θ_m),...,v(θ_M)]是一个P×M维矩阵，v(θ_m)是阵列流形矢量：

θ_m∈[θ_bf,θ_sf]，m＝1,2,…,M，f为该处理子带的中心频率，d为阵元间距，c为声速。为保证区域内主瓣保形，采用如下的约束值：

那么LCMV优化模型可表示为：

对(7)式进行求解，即可获得一个子带的加权向量w，通过加权求和得到一个子带内的频域输出：

Y_k＝w^H(θ)X_k (8)

同理可获得其他子带内的波束输出，各子带输出拼接起来即可获得直达波信号对应的功率谱。

以某个频点为例，设该频点上估计出的直达波功率为RSSL，利用该测量结果反推在该频点上水下目标的辐射噪声级SSL，即：

SSL＝RSSL-AG_s+TL (9)

AG_s为信号场增益，它表示基阵加权输出信号功率与单个阵元接收信号功率的比值，即：

w_i(i＝1,2,...,Q)为(7)式求得的该频点所在子带的加权向量中的元素。H_i(r,d,f₀)为垂直阵上不同水听器位置处的信道传输函数，r为水听器与水下目标的水平距离，d为水听器水深，f₀为该频点的频率。

TL为传播损失，按球面扩展定律计算，即：

TL＝20log(R) (11)

R为垂直阵几何中心与水下目标的水平距离，由于垂直阵阵列长度(N-1)×d与R相比较小，各水听器上的传播损失可近似为水下目标到垂直阵几何中心的传播损失。

本发明的主要流程如图2所示，本发明中利用主瓣保形的线性约束波束形成法进行辐射噪声测量的具体流程如图3所示。

以典型的浅海波导中水下目标辐射噪声测量为例，给出本发明的实施实例。实施实例利用计算机进行数值仿真，来检验本发明所提方法的效果。

仿真采用一个21元半波长布阵(阵元间距1m，设计频率750Hz下的信号波长的一半)的均匀线列阵，水下目标辐射噪声频率为100Hz-900Hz，频率分辨率为10Hz时，每个频率上的声谱级都相等且SSL＝110dB，水下目标与垂直阵几何中心环境等深度，均为50m深，两者距离为r＝50m-500m。环境噪声为噪声级85dB的各向同性噪声。垂直阵测量水下目标辐射噪声的测量模型如图1，仿真浅海波导环境如图4。

利用几何关系预估随r变化的海面一次反射、海底一次反射的垂直到达角得到图5(a)。利用采集信号中740Hz-760Hz子带数据通过常规波束形成加权向量w在[-90°,90°]范围内扫描，获得水下目标的海面一次反射、海底一次反射到达角，如图5(b)。对比可知，50m-300m范围内，几何射线预估结果与利用采集信号估计结果相近，而距离更远时辐射噪声信号与海面海底发生不止一次反射，几何射线预估方法略复杂，不再适用。

水下目标与单水听器距离300米时,传统单声压水听器接收阵元采集信号作傅里叶变换得到频域输出，补偿传播损失，获得目标辐射噪声级如图6(b)所示。根据图3的流程，获得浅海波导环境下，距离300m处有主瓣保形且采用线性约束最小方差法的波束图如图6(a)所示，以及本发明所提方法的辐射噪声测量结果如图6(c)所示。由图6(a)可知，波束图在海面海底反射到达角之间的区域保形，同时对照图5(b)发现，18°和33°附近海面反射以及-18°和-33°附近海底反射的垂直到达方向，形成了凹槽，抗多途干扰能力强。由图6(c)可知本发明方法所测量的辐射噪声级与仿真辐射声源级误差小。

传统单声压水听器测量辐射噪声和本文所提利用垂直阵远场波束形成进行辐射噪声测量的方法相比，前者估计辐射声源级有较大误差(10dB左右)，而本文所提方法获得空间增益的同时，通过线性约束最小方差波束形成法在多途方向上形成凹槽，抗干扰能力强，误差小，获得了更精准的测量结果(误差在2dB以内)。

根据实施实例，可以认为本发明中所提出的利用垂直阵远场波束形成进行精准辐射噪声测量的方法是可行的。

Claims (2)

1.一种利用垂直阵LCMV波束形成的水下目标辐射噪声测量方法，其特征在于，包括以下子步骤：

步骤一：在测量场中，目标在航行过程中的轨迹不变深度不变；建立N元均匀垂直直线阵，其中垂直阵采用等间隔布阵；其中N＝[10,100]，N为整数；设测量场的水深为h，垂直阵的阵列长度为[2,h/2]，单位为米；垂直直线阵接收目标辐射噪声信号，得到时域数据采样矩阵x，将时域采样数据进行傅里叶变换后得到频域输出X，对X划分出K个子带X₁，X₂，X₃，...，X_k，...，X_K，求得每个子带内的协方差矩阵S_k，k＝1,2,3…，K，即:

其中，L代表子带内的快拍数，[·]^H表示共轭转置；

对该垂直直线阵进行子阵平滑预处理，划分N-Q+1个子阵，每个子阵阵元数为Q，利用第k个子带频域协方差矩阵S_k计算子阵平滑后的协方差矩阵为：

作为后续LCMV波束形成器的输入；

步骤二：对水下目标的海面一次反射到达角、海底一次反射到达角进行跟踪估计，公式如下：

其中，水下目标与水面之间的距离为D₁，水下目标与水底之间的距离为D₂，垂直阵几何中心深度为D，水下目标和垂直阵几何中心之间水平距离为r，海深为h(D₁+D₂)，海面一次反射与垂直阵几何中心水平方向形成的夹角为海面一次反射到达角θ_sf，海底一次反射与垂直阵几何中心水平方向形成的夹角为海底一次反射到达角θ_bf；

步骤三：使用线性约束最小方差法获得直达波信号，反推出目标辐射噪声源级，包括以下子步骤：

子步骤1)：将步骤二得到的海面一次反射角和海底一次反射到达角之间区域设为波束主瓣保形区域，保证区域内主瓣响应不随频率发生变化，针对波束主瓣建立约束矩阵，即：

C＝[v(θ₁),v(θ₂),...,v(θ_m),...,v(θ_M)]是一个Q×M维矩阵，v(θ_m)是阵列流形矢量：

θ_m∈[θ_bf,θ_sf]，m＝1,2,…,M，f为该处理子带的中心频率，d为阵元间距，c为声速；为保证区域内主瓣保形，采用如下的约束值：

子步骤2)：对第k个子带采用线性约束最小方差波束形成法设计波束图,则LCMV波束形成器可表示为：

min(w^H(θ)S_FBSSw(θ))

s.t.w^H(θ)C＝g^H

对上述公式进行求解，即可获得第k个子带的加权向量w，通过加权求和得到该子带内的频域输出：

Y_k＝w^H(θ)X_k

子步骤3)：采用子步骤2)中的公式，获得其他子带内的波束输出，各子带输出进行拼接，获得直达波信号对应的功率谱。

2.一种利用垂直阵LCMV波束形成的水下目标辐射噪声测量方法，其特征在于，包括以下子步骤：

步骤一：在测量场中，目标在航行过程中的轨迹不变，深度不变；建立N元均匀垂直直线阵，其中垂直阵采用等间隔布阵，N＝[10,100]，N为整数；设测量场的水深为h，垂直阵的阵列长度为[2,h/2]，单位为米；垂直直线阵接收目标辐射噪声信号，得到时域数据采样矩阵x，将时域采样数据进行傅里叶变换后得到频域输出X，对X划分出K个子带X₁，X₂，X₃，...，X_k，...，X_K，求得每个子带内的协方差矩阵S_k，k＝1,2,3…，K，即:

其中，L代表子带内的快拍数，[·]^H表示共轭转置；

对该垂直直线阵进行子阵平滑预处理，划分N-Q+1个子阵，每个子阵阵元数为Q，利用第k个子带频域协方差矩阵S_k计算子阵平滑后的协方差矩阵为：

作为后续LCMV波束形成器的输入；

步骤二：求取海面一次反射到达角θ_sf和海底一次反射到达角θ_bf，还可利用采集信号中高频段子带的协方差矩阵S_k进行垂直到达角估计，采用常规波束形成的加权向量w(θ)，在θ＝[-90°,90°]的垂直方向上扫描，获得不同垂直角度上常规波束形成的DOA估计输出P_CBF(θ)：

P_CBF(θ)＝w^H(θ)S_kw(θ)

根据上述公式绘出目标水平距离、垂直到达角二维图，从图中即可得到当目标位于不同距离时的海面、海底一次反射的到达角；

步骤三：使用线性约束最小方差法获得直达波信号，反推出目标辐射噪声源级，包括以下子步骤：

子步骤1)：将步骤二得到的海面一次反射角和海底一次反射到达角之间区域设为波束主瓣保形区域，保证区域内主瓣响应不随频率发生变化，针对波束主瓣建立约束矩阵，即：

C＝[v(θ₁),v(θ₂),...,v(θ_m),...,v(θ_M)]是一个Q×M维矩阵，v(θ_m)是阵列流形矢量：

θ_m∈[θ_bf,θ_sf]，m＝1,2,…,M，f为该处理子带的中心频率，d为阵元间距，c为声速；为保证区域内主瓣保形，采用如下的约束值：

子步骤2)：对第k个子带采用线性约束最小方差波束形成法设计波束图,则LCMV波束形成器可表示为：

min(w^H(θ)S_FBSSw(θ))

s.t.w^H(θ)C＝g^H

对上述公式进行求解，即可获得第k个子带的加权向量w，通过加权求和得到该子带内的频域输出：

Y_k＝w^H(θ)X_k

子步骤3)：采用子步骤2)中的公式，获得其他子带内的波束输出，各子带输出进行拼接，获得直达波信号对应的功率谱。

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