CN112466330B - 一种多途信道下噪声源的声源级估计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多途信道下噪声源的声源级估计方法，针对海面干涉导致水下噪声源声源级测量不准确的问题，利用单传感器接收被测声源辐射的宽带噪声信号，计算不同时刻接收信号的功率谱，并合成浅海低频声场时频干涉谱，在线提取干涉谱中的干涉频率，以干涉频率为1/3倍频程中心频率估计声源级。本发明将消减多途应的影响转化为利用多途效应，提高了多途信道下的声源级测量精度，且系统构成和计算方法简单、成本低，对声源深度和海深等参数精度要求较低。

Description

一种多途信道下噪声源的声源级估计方法
技术领域
本发明涉及水声信号处理技术，具体涉及一种多途信道下噪声源的声源级估计方法。
背景技术
单传感器水下噪声源声源级测量系统，具有成本低、系统简单、布放回收方便等优点，但由于测量系统缺乏指向性，不可避免的会受到多途效应的影响，导致测量结果误差较大。为了消减多途效应的影响，研究利用波数积分方法计算水平参数不变的时不变水声信道的信道传输函数，再根据接收声压级与信道传输函数计算声源级；或基于波束积分模型得到噪声源与测量传感器之间的信道传输函数估计值，再将测量传感器接收信号与信道传输函数估计值的时反作卷积，消除信道多径效应对接收信号的影响，使得接收信号在零点对齐，最后将虚拟时间反转镜输出信号进行平均，从而计算噪声源声源级。这些噪声源声源级测量方法对海深等参数要求较低，但对声源深度、海底参数等参数要求较高，可能会出现信道传输函数计算不准确的情况，并且计算较为复杂。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种多途信道下噪声源的声源级估计方法，该方法对声源深度、海深等参数精度要求较低，且声源级测量精度高。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种多途信道下噪声源的声源级估计方法，包括以下步骤：
步骤1，获取水下被测运动噪声源的多途接收信号。
步骤2，根据步骤1获取的多途接收信号计算不同时刻多途接收信号的功率谱，合成浅海低频声场时频干涉谱。
步骤2中第k帧多途接收信号的功率谱为：
Figure BDA0002771340300000011
其中，py(f)为多途接收信号的功率谱，ps(f)为声源信号的功率谱，f表示频率，H1、H2分别为直达波和海面反射波路径增益因子，τd和τr分别为直达波和海面反射波传播时间。对于海面附近的点声源，多途信道下，多途接收信号的功率谱为直达波和海面反射波两条路径信号的功率谱之和，并叠加了一个干涉项。干涉项的存在使两条路径的信号完全相干时，干涉谱产生干涉谱谱峰。
步骤3，提取浅海低频声场时频干涉谱中的干涉频率条纹。
步骤4，以干涉频率为1/3倍频程中心频率，计算直达波信号的1/3倍频程声压谱级。
对于海面附近的点声源和平整绝对软海表面，以干涉频率为1/3倍频程中心频率，计算直达波信号的1/3倍频程声压谱级：
Figure BDA0002771340300000021
其中，Ld为直达波信号的1/3倍频程声压谱级，f0为1/3倍频程中心频率。
步骤5，以干涉频率为1/3倍频程中心频率，计算1/3倍频程声源级：
Figure BDA0002771340300000022
其中，Ls为噪声源的1/3倍频程声源级，r(t)为t时刻声源到水下传感器的距离，rref为参考距离。
优选的：所述步骤1中用单传感器接收水下被测运动声源的接收信号。
优选的：所述步骤1中，对于海面附近的点声源，多途接收信号由直达波和海面反射波两个路径信号叠加而成：
y(n)＝H1s(t-τd)+H2s(t-τr)+n(t)
其中，y(n)为多途信道下的多途接收信号，H1s(t-τd)为传感器接收到的直达波信号，H2s(t-τr)为传感器接收到的海面反射波信号，H1、H2分别为直达波和海面反射波路径增益因子，τd和τr分别为直达波和海面反射波传播时间，c为声速，n(t)为均值为零且方差为σ2的高斯白噪声，t表示时间，s(t-τd)表示直达波声源信号延时，s(t-τr)表示海面反射波声源信号延时。
优选的：步骤3中通过浅海低频声场时频干涉谱谱峰沿目标运动方向的积累，实现谱峰的自动跟踪和干涉频率条纹的实时在线提取。
优选的：参考距离rref取0.5-1.5米。
本发明相比现有技术，具有以下有益效果：
本发明将消减多途效应转化为利用多途效应，采用单传感器建立水下噪声源声源级测量系统，利用多途传播产生的干涉特性，可在受到多径干扰的接收信号中有效提取出直达波信号，并以干涉频率为1/3倍频程中心频率估计声源级，提高了多途信道下的声源级测量精度，且系统构成和计算方法简单、成本低，对声源深度、海深等参数精度要求较低。
附图说明
图1为本发明中由多途接收信号计算得到的干涉谱；
图2为本发明计算得到的1/3倍频程声源级。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
一种多途信道下噪声源的声源级估计方法，利用单传感器接收被测运动声源辐射的宽带噪声信号(即多途接收信号)，计算不同时刻多途接收信号的功率谱，并合成浅海低频声场时频干涉谱，在线提取干涉谱中的干涉频率条纹，以干涉频率为1/3倍频程中心频率估计声源级。本发明将消减多途效应转化为利用多途效应，以解决海面干涉导致的辐射声源级测量不准确的问题，且系统构成和计算方法简单、成本低，对声源深度、海深等参数精度要求较低。
以一组待测噪声源的声源级水下测试计算为例，本发明所述的方法具体实施过程如下：
步骤1，获取水下运动噪声源的多途接收信号：用单传感器接收水下运动声源辐射的噪声信号，频带为200Hz-2000Hz，采样频率为8kHz，声源匀速运动，速度为5m/s，航向180度；海面声速为1500m/s，海底介质声速为1800m/s，密度为1.6g/cm3，海深70米；声源深度为5米，接收传感器深度为25米，声源和接收传感器的初始距离为250米，初始方位60度。信噪比10dB。观测数据长40s。用bellhop声场模型得到信道脉冲响应，接收信号为声源信号通过信道滤波器的响应。对于海面附近的点声源，接收信号由直达波和海面反射波两个路径信号叠加而成：
y(n)＝H1s(t-τd)+H2s(t-τr)+n(t)
其中，y(n)为多途信道下的传感器接收信号，也就是多途接收信号，H1s(t-τd)为传感器接收到的直达波信号，H2s(t-τr)为传感器接收到的海面反射波信号，H1、H2分别为直达波和海面反射波路径增益因子，τd和τr分别为直达波和海面反射波传播时间，c为声速，n(t)为均值为零，方差为σ2的高斯白噪声。
步骤2，计算不同时刻接收信号的功率谱并合成浅海低频声场时频干涉谱：对各帧接收数据做FFT变换，计算功率谱,综合各帧数据的功率谱得到时频干涉谱。
第k帧多途接收信号的功率谱为：
Figure BDA0002771340300000041
其中，py(f)为多途接收信号的功率谱，ps(f)为声源信号的功率谱。
步骤3，提取干涉谱中的干涉频率：沿目标运动方向进行干涉谱的积累，对累积的干涉谱进行峰值检测，对每帧数据在线提取干涉谱谱峰对应的干涉频率。
步骤4，计算直达波信号的1/3倍频程声压谱级：对于海面附近的点声源和平整绝对软海表面，以干涉频率为1/3倍频程中心频率，计算直达波信号的1/3倍频程声压谱级：
Figure BDA0002771340300000042
其中，Ld为直达波信号的1/3倍频程声压谱级，f0为1/3倍频程中心频率。
步骤5，计算噪声源的1/3倍频程声源级：噪声源的1/3倍频程声源级为：
Figure BDA0002771340300000043
其中，Ls为噪声源的1/3倍频程声源级，r(t)为t时刻声源到水下传感器的距离，rref为参考距离，取1米。
如图1-2所示，其中图1为多途接收信号计算得到的干涉谱，直达波与海面反射波相互干涉的结果，在200-2000Hz频带内形成多个干涉频率条纹。图2为根据声源信号计算得到的1/3倍频程声源级、本发明计算得到的1/3倍频程声源级和根据多途接收信号计算的1/3倍频程声源级，可见，本发明方法计算得到的1/3倍频程声源级与实际声源信号的1/3倍频程声源级平均误差小于2dB，有效地消减了海面干涉对噪声源声源级测量的影响。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种多途信道下噪声源的声源级估计方法，其特征在于,包括以下步骤：
步骤1，获取水下被测运动噪声源的多途接收信号；
对于海面附近的点声源，多途接收信号由直达波和海面反射波两个路径信号叠加而成：
y(n)＝H1s(t-τd)+H2s(t-τr)+n(t)
其中，y(n)为多途信道下的多途接收信号，H1s(t-τd)为传感器接收到的直达波信号，H2s(t-τr)为传感器接收到的海面反射波信号，H1、H2分别为直达波和海面反射波路径增益因子，τd和τr分别为直达波和海面反射波传播时间，c为声速，n(t)为均值为零且方差为σ2的高斯白噪声，t表示时间，s(t-τd)表示直达波声源信号延时，s(t-τr)表示海面反射波声源信号延时；
步骤2，根据步骤1获取的多途接收信号计算不同时刻多途接收信号的功率谱，合成浅海低频声场时频干涉谱；
步骤2中第k帧多途接收信号的功率谱为：
Figure FDA0003113167100000011
其中，py(f)为多途接收信号的功率谱，ps(f)为声源信号的功率谱，f表示频率，H1、H2分别为直达波和海面反射波路径增益因子，τd和τr分别为直达波和海面反射波传播时间；
步骤3，提取浅海低频声场时频干涉谱中的干涉频率条纹；
步骤4，以干涉频率为1/3倍频程中心频率，计算直达波信号的1/3倍频程声压谱级；
对于海面附近的点声源和平整绝对软海表面，以干涉频率为1/3倍频程中心频率，计算直达波信号的1/3倍频程声压谱级：
Figure FDA0003113167100000012
其中，Ld为直达波信号的1/3倍频程声压谱级，f0为1/3倍频程中心频率；
步骤5，以干涉频率为1/3倍频程中心频率，计算1/3倍频程声源级：
Figure FDA0003113167100000013
其中，Ls为噪声源的1/3倍频程声源级，r(t)为t时刻声源到水下接收传感器的距离，rref为参考距离。
2.根据权利要求1所述多途信道下噪声源的声源级估计方法，其特征在于：所述步骤1中用单传感器接收水下被测运动声源的信号。
3.根据权利要求1所述多途信道下噪声源的声源级估计方法，其特征在于：步骤3中通过浅海低频声场时频干涉谱谱峰沿目标运动方向的积累，实现谱峰的自动跟踪和干涉频率条纹的实时在线提取。
4.根据权利要求1所述多途信道下噪声源的声源级估计方法，其特征在于：步骤5中参考距离rref取0.5-1.5米。
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