CN108845307B - 一种基于傅里叶积分法的水下目标辐射噪声测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于傅里叶积分法的水下目标辐射噪声测量方法，利用阵元之间的互谱组合出更多不同相位的输出，并将这些不同相位的输出等效为具有不同坐标的虚拟阵元并组成大孔径虚拟阵列，从而将垂直阵的孔径拓展至大于原物理孔径，获得更高的自由度以抑制噪声。在此基础上，对孔径扩展后的虚拟阵列进行空间平滑处理和自适应波束形成，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。本发明与传统单声压水听器测量法相比，本发明所提方法利用傅里叶积分法的互相关处理的噪声抑制能力，又获得了虚拟阵列的孔径扩展效果，提高信噪比，可以获得比已有方法更精准的测量结果。

Description

一种基于傅里叶积分法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，特别涉及一种基于傅里叶积分法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影响水下目标隐蔽性的重要指标之一，对其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，随着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，使得测量信噪比变低，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低信噪比而导致的水下目标辐射噪声源级测量误差较大的问题，本发明提出一种基于傅里叶积分法 (FIM：Fourier integral method)的辐射噪声测量方法。该方法利用阵元之间的互谱组合出更多不同相位的输出，并将这些不同相位的输出等效为具有不同坐标的虚拟阵元并组成大孔径虚拟阵列，从而将垂直阵的孔径拓展至大于原物理孔径，获得更高的自由度以抑制噪声。在此基础上，对孔径扩展后的虚拟阵列进行空间平滑处理和自适应波束形成，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：一种基于傅里叶积分法的水下目标辐射噪声测量方法，包括以下步骤：

步骤一：设水下目标深度不变，目标与水面之间的距离为D₁，目标与水底之间的距离为D₂；建立N元垂直均匀直线阵ULA(ULA：uniform linear array)，且定义N元均匀垂直直线阵的几何中心深度为D，水下目标和垂直阵几何中心的水平距离为r，海深h 为(D₁+D₂)，从而得到辐射噪声信号直达波与垂直阵几何中心水平方向形成的夹角即垂直到达角θ_dw：

步骤二：利用垂直阵进行辐射噪声的采集以及获得孔径拓展后的虚拟阵列，包括以下子步骤：

子步骤一：利用N元均匀垂直直线阵采集辐射噪声信号，得到N×L维的时域数据采样矩阵x，L为快拍数；任意两个阵元上接收信号的相关输出y_i，j(τ)可表示为：

y_i，j(τ)＝E[x_i ^*(t)x_j(t+τ)] (2)

其中，x_i(t)为第i(i为N元接收阵列阵元编号，i＝1，2，...，N)个接收阵元上信号，x_j(t) 为第j(j为N元接收阵列阵元编号，j＝1，2，...，N)个接收阵元上信号，[]^*表示求共轭，E[] 表示求时间平均，t表示时间，τ表示时延；

根据式(2)，对所有N个接收阵元上的信号进行两两互相关处理和自相关处理， N元ULA可获得N²个互相关输出，且N²个互相关输出可看做N²个虚拟阵元上的输出y_i，j(τ)＝{y_i，j(τ)}(i＝1，2，...，N，j＝1，2，...，N)(共有N²项)；

子步骤二：对N²个虚拟阵元上的输出y_i，j(τ)进行去冗余处理，得到2N-1个虚拟阵元上的输出，组成2N-1元虚拟ULA，阵元间距为d；

去冗余处理后的虚拟阵元的输出为：

其中，i为N元接收阵列阵元编号，i＝1，2，...，N，j为N元接收阵列阵元编号，j＝1，2，...，N， m为编号i和j之差，m＝1-N，2-N，...，0，...，N-2，N-1；

表示将满足i-j＝m的所有互相关输出求和；

根据式(3)，对N²个虚拟阵元上的输出y_i，j(τ)进行去冗余处理，最终可得到2N-1元虚拟ULA的输出

即：

其中，

为去冗余处理后的虚拟阵元上的输出，m＝1-N，2-N，...，0，...，N-2，N-1

子步骤三：对2N-1元虚拟ULA的采样协方差矩阵

做子阵平滑处理，得到处理后的协方差矩阵R_FBSS

2N-1元虚拟阵列ULA阵列采样协方差矩阵

为：

其中：[]^H表示求共轭转置；

为2N-1元虚拟ULA的输出；

划分2N-Q个子阵，每个子阵阵元数为Q，则子阵平滑后的协方差矩阵(表示为R_FBSS)为：

步骤三：使用最小方差无畸变相应MVDR(MVDR：minimum variancedistortionless response)波束形成器获得加权向量w并反推出目标辐射噪声源级：

子步骤一：利用MVDR波束形成器获得加权向量w

MVDR波束形成器可表示为：

其中，a(θ_m)为Q×1维扫描向量：

θ_m∈[-90°，90°]，是波束形成器的指向角度，指向辐射噪声信号的直达波与垂直阵几何中心水平方向形成的夹角即垂直到达角θ_dw，f为阵列设计频率，d为阵元间距，c为声速；

对(7)式进行求解，获得加权向量w。

子步骤二：通过加权求和得到Q元虚拟ULA的波束形成输出，并反推出目标辐射噪声源级

利用子步骤一得到的加权向量w加权求和并做傅里叶变换得到频域输出RSSL：

其中，FFT表示傅里叶变换，[]H表示求共轭转置，

为子阵平滑处理后Q元虚拟ULA 的输出，

为去冗余处理后虚拟阵元上的输出，m＝1-N，2-N，...Q-N；

再利用该测量结果反推水下目标的辐射噪声级SSL，即：

SSL＝RSSL+TL (9)

TL为传播损失，按球面扩展定律计算，即：

TL＝20log(r) (10)

r为垂直阵几何中心与水下目标的水平距离，由于Q元虚拟ULA阵列长度(Q-1)×d与r相比较小，各虚拟阵元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。

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傅里叶积分法的互相关处理的噪声抑制能力，又获得了虚拟阵列的孔径扩展效果，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为本发明提出的测量方法的坐标示意图；

图2为本发明中主要步骤的流程；

图3为处理采集的信号获得辐射噪声测量结果的流程；

图4(a)为仿真浅海波导环境；4(b)为实施实例中利用几何射线对辐射噪声信号直达波的垂直到达角估计结果；

图5为实施实例中传统单声压水听器测量辐射噪声的结果；

图6为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1米、小于等于测量场水深的一半。根据测量场的浅海波导环境、声速剖面、水下目标所在深度、距离，对水下目标的垂直到达角进行估计、跟踪。方法是利用几何射线直接预估出辐射噪声信号直达波的垂直到达角；

2)对垂直直线阵N个元上的接收信号做互相关处理，可以等效为N²个虚拟阵元上的输出，再对其进行去冗余处理，获得2N-1个虚拟阵元上的输出。

3)由于多途效应，垂直直线阵上接收到的直达波信号与反射信号之间具有较高的相关系数，需要采用子阵平滑处理以解相干。再利用子阵平滑后的协方差矩阵进行自适应波束形成，获得虚拟阵列的加权向量，加权求和获得入射信号，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4个步骤：

1)根据测量场的浅海波导环境、水下目标所在深度距离，对水下目标的垂直到达角进行估计、跟踪。

2)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，将采集的各阵元接收信号做互相关处理，以期望获得更大孔径的虚拟阵列。

3)对部分相互重叠的虚拟阵元做去冗余处理，求得扩展后虚拟阵列的协方差矩阵，再对协方差矩阵做子阵平滑以解相干。处理后的协方差矩阵作为MVDR波束形成器的输入以获得虚拟阵列的加权向量。

4)利用3)中的加权向量对虚拟阵列上的接收信号做加权求和，获得入射信号，并补偿传播损失，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)主要关于对辐射噪声信号的直达波垂直到达角进行估计和跟踪，所涉及的具体内容如下：

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，水下目标和垂直阵几何中心的水平距离为r，海深h(D₁+D₂)。解三角形得到辐射噪声信号直达波的垂直到达角θ_dw即：

步骤2)主要关于利用垂直阵进行辐射噪声的采集以及获得孔径拓展后的虚拟阵列，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，L为快拍数。第i(i＝1，2，...，N)和第j(j＝1，2，...，N)个接收阵元上信号为x_i(t)和x_j(t)它们之间的互相关输出可表示为：

y_i，j(τ)＝E[x_i ^*(t)x_j(t+τ)] (2)

其中，[]^*表示求共轭，E[]表示求时间平均。

利用式(2)进行处理，N元ULA可获得N²个互相关输出，这N²个互相关输出可等效为N²个虚拟阵元上的输出。

步骤3)主要关于对虚拟阵元做去冗余处理，对2N-1元虚拟ULA的协方差矩阵做解相干处理，所涉及的具体内容如下：

假设N元ULA上的阵元所在位置为：

[0，1，...，N-1] (3)

则N²个虚拟阵元的位置为：

式(4)中，下标数字n(n＝1，2，...，N)表示在该位置处有N个阵元相互重合。

由式(4)可知，N²个虚拟阵元中有部分阵元相互重叠，产生了冗余，需要对N²个虚拟阵元进行去冗余处理。显然可知，N元ULA中第i个阵元与第j个阵元的编号之差满足：

i-j＝m(m＝1-N，2-N，...，0，...，N-1) (5)

则去冗余后的虚拟阵元输出可表示为：

其中，

表示将满足i-j＝m的所有互相关输出求和。

按照式(6)对N²个虚拟阵元上的输出进行去冗余处理，最终可得到2N-1个虚拟阵元上的输出。这2N-1个虚拟阵元组成2N-1元虚拟ULA，阵元间距为d。

2N-1元虚拟阵列ULA阵列采样协方差矩阵

为：

其中：

由于浅海多途效应，导致2N-1元虚拟阵列上的入射信号之间相干，极大影响 MVDR波束形成器的性能。因此需要进行子阵平滑以降低相关性，划分2N-Q个子阵，每个子阵阵元数为Q，则子阵平滑后的协方差矩阵(表示为R_FBSS)为：

步骤4)主要关于使用MVDR波束形成器获得加权向量并反推出目标辐射噪声源级，所涉及的具体内容如下：

采用最小方差无畸变响应波束形成法设计波束图，则MVDR波束形成器可表示为：

a(θ_m)为Q×1维扫描向量：

θ_m∈[-90°，90°]，是波束形成器的指向角度，本方法中指向辐射噪声信号的直达波方向即θ_dw，f为阵列设计频率，d为阵元间距，c为声速。

对(10)式进行求解，即可获得加权向量w，通过加权求和得到Q元虚拟ULA的自适应波束形成输出，并做傅里叶变换得到频域输出，即：

RSSL＝FFT(w^H(θ)Y_m) (12)

Y_m(m＝1-N，2-N，...，0，...，N-1)是各虚拟阵元上的输出。

再利用该测量结果反推水下目标的辐射噪声级SSL，即：

SSL＝RSSL+TL (13)

TL为传播损失，按球面扩展定律计算，即：

TL＝20log(r) (14)

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，本发明中利用傅里叶积分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＝100m-500m。环境噪声为噪声级75dB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(a)。利用几何射线预估辐射噪声信号的直达波的垂直到达角如图4(b)。

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5所示。根据图3的流程，获得低信噪比环境下，距离300m处利用本发明所提方法的辐射噪声测量结果如图6所示。由图6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基于傅里叶积分法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，既利用互相关处理的噪声抑制能力，又利用平均处理具有的降噪效果，误差小，获得了更精准的测量结果(误差在4dB以内)。

根据实施实例，可以认为本发明中所提出的基于傅里叶积分法的精准辐射噪声测量的方法是可行的。

Claims (1)

1.一种基于傅里叶积分法的水下目标辐射噪声测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：设水下目标深度不变，目标与水面之间的距离为D₁，目标与水底之间的距离为D₂；建立N元垂直均匀直线阵ULA(ULA:uniform linear array)，且定义N元均匀垂直直线阵的几何中心深度为D，水下目标和垂直阵几何中心的水平距离为r，海深h为(D₁+D₂)，从而得到辐射噪声信号直达波与垂直阵几何中心水平方向形成的夹角即垂直到达角θ_dw：

步骤二：利用垂直阵进行辐射噪声的采集以及获得孔径拓展后的虚拟阵列，包括以下子步骤：

子步骤一：利用N元均匀垂直直线阵采集辐射噪声信号，得到N×L维的时域数据采样矩阵x，L为快拍数；任意两个阵元上接收信号的相关输出y_i,j(τ)可表示为：

y_i,j(τ)＝E[x_i ^*(t)x_j(t+τ)] (2)

其中，x_i(t)为第i个接收阵元上信号，i＝1,2,…,N，x_j(t)为第j个接收阵元上信号，j＝1,2,…,N，[]^*表示求共轭，E[]表示求时间平均，t表示时间，τ表示时延；

根据式(2)，对所有N个接收阵元上的信号进行两两互相关处理和自相关处理，N元ULA可获得N²个互相关输出，且N²个互相关输出可看做N²个虚拟阵元上的输出

子步骤二：对N²个虚拟阵元上的输出

进行去冗余处理，得到2N-1个虚拟阵元上的输出，组成2N-1元虚拟ULA，阵元间距为d；

去冗余处理后的虚拟阵元的输出为：

其中，i为N元接收阵列阵元编号，i＝1,2,…,N，j为N元接收阵列阵元编号，j＝1,2,…,N，m为编号i和j之差，m＝1-N,2-N,…,0,…,N-2,N-1；

表示将满足i-j＝m的所有互相关输出求和；

根据式(3)，对N²个虚拟阵元上的输出

进行去冗余处理，最终可得到2N-1元虚拟ULA的输出

即：

其中，

为去冗余处理后的虚拟阵元上的输出，m＝1-N,2-N,…,0,…,N-2,N-1

子步骤三：对2N-1元虚拟ULA的采样协方差矩阵

做子阵平滑处理，得到处理后的协方差矩阵R_FBSS；

2N-1元虚拟阵列ULA阵列采样协方差矩阵

为：

其中：[]^H表示求共轭转置；

为2N-1元虚拟ULA的输出；

划分2N-Q个子阵，每个子阵阵元数为Q，则子阵平滑后的协方差矩阵R_FBSS为：

步骤三：使用最小方差无畸变相应MVDR(MVDR：minimum variance distortionlessresponse)波束形成器获得加权向量w并反推出目标辐射噪声源级：

子步骤一：利用MVDR波束形成器获得加权向量w

MVDR波束形成器可表示为：

其中，a(θ_m)为Q×1维扫描向量：

θ_m∈[-90°,90°]，是波束形成器的指向角度，指向辐射噪声信号的直达波与垂直阵几何中心水平方向形成的夹角即垂直到达角θ_dw，f为阵列设计频率，d为阵元间距，c为声速；

对(7)式进行求解，获得加权向量w；

子步骤二：通过加权求和得到Q元虚拟ULA的波束形成输出，并反推出目标辐射噪声源级

利用子步骤一得到的加权向量w加权求和并做傅里叶变换得到频域输出RSSL：

其中，FFT表示傅里叶变换，[]^H表示求共轭转置，

为子阵平滑处理后Q元虚拟ULA的输出，

为去冗余处理后虚拟阵元上的输出，m＝1-N,2-N,…Q-N；

再利用该测量结果反推水下目标的辐射噪声级SSL，即：

SSL＝RSSL+TL (9)

TL为传播损失，按球面扩展定律计算，即：

TL＝20log(r) (10)

r为垂直阵几何中心与水下目标的水平距离，由于Q元虚拟ULA阵列长度(Q-1)×d与r相比较小，各虚拟阵元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。

Images