CN113624330B - 一种水下目标辐射噪声测量组合体积阵及测量方法 - Google Patents
一种水下目标辐射噪声测量组合体积阵及测量方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN113624330B CN113624330B CN202110783635.3A CN202110783635A CN113624330B CN 113624330 B CN113624330 B CN 113624330B CN 202110783635 A CN202110783635 A CN 202110783635A CN 113624330 B CN113624330 B CN 113624330B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- array
- vector
- cone
- frequency
- sound pressure
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 230000005855 radiation Effects 0.000 title claims abstract description 53
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 20
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims abstract description 46
- 238000003491 array Methods 0.000 claims abstract description 23
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims description 37
- 238000012360 testing method Methods 0.000 claims description 23
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 claims description 20
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 15
- 238000003672 processing method Methods 0.000 claims description 13
- 230000009466 transformation Effects 0.000 claims description 10
- 238000005070 sampling Methods 0.000 claims description 8
- 238000010183 spectrum analysis Methods 0.000 claims description 8
- 238000011426 transformation method Methods 0.000 claims description 6
- 238000012935 Averaging Methods 0.000 claims description 5
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 4
- 239000000654 additive Substances 0.000 claims description 3
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 claims description 3
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 7
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 description 5
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 239000013535 sea water Substances 0.000 description 4
- SVJQCVOKYJWUBC-OWOJBTEDSA-N (e)-3-(2,3,4,5-tetrabromophenyl)prop-2-enoic acid Chemical compound OC(=O)\C=C\C1=CC(Br)=C(Br)C(Br)=C1Br SVJQCVOKYJWUBC-OWOJBTEDSA-N 0.000 description 3
- 101000835622 Homo sapiens Tubulin-specific chaperone A Proteins 0.000 description 3
- 102100026477 Tubulin-specific chaperone A Human genes 0.000 description 3
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 230000001427 coherent effect Effects 0.000 description 2
- 230000000875 corresponding effect Effects 0.000 description 2
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 238000004422 calculation algorithm Methods 0.000 description 1
- 230000021615 conjugation Effects 0.000 description 1
- 238000007796 conventional method Methods 0.000 description 1
- 230000002596 correlated effect Effects 0.000 description 1
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 1
- 238000005305 interferometry Methods 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01H—MEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
- G01H17/00—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves, not provided for in the preceding groups
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
- Y02A90/00—Technologies having an indirect contribution to adaptation to climate change
- Y02A90/30—Assessment of water resources
Abstract
本发明公开了一种水下目标辐射噪声测量组合体积阵及测量方法，包括螺旋双圆锥声压体积阵和矢量稀疏垂直阵，所述螺旋双圆锥声压体积阵具体为：将M条相同的均匀垂直线阵的底端均匀排列在一个半径为R的圆周上，形成一个半径为R，高度为L的圆柱阵，然后将各条垂直线阵的底端固定，顶端绕圆柱的轴线沿圆的周向方向逆时针旋转相同的角度α，得到定义的螺旋双圆锥阵，所述均匀垂直线阵阵元数为N，阵元间距为d1，长度为L；所述矢量稀疏垂直阵共有NS个阵元，d2为阵元间距，矢量稀疏垂直阵中心阵元位于螺旋双圆锥声压体积阵半径最小的圆形横截面的圆心位置且垂直于所述横截面，且各阵元均匀分布。本发明实现对水下目标全频带的高精度辐射噪声测量。
Description
技术领域
本发明属于水下目标辐射噪声测量评价技术领域，涉及一种水下目标辐射噪声测量组合体积阵及测量方法。
背景技术
随着减振降噪技术不断发展，水下目标辐射噪声水平越来越低，对辐射噪声测量技术提出了越来越高的要求。传统辐射噪声测量方法一般是使用单个声压水听器，而后发展为由多个声压水听器组成水平线阵、垂直线阵以及体积阵测量方法[刘文帅,夏春艳,刘雨东等.浅海条件下利用垂直线阵测量安静型潜艇辐射噪声[C].船舶水下噪声学术讨论会.2005.]。但上述测量方法均有其局限性：单声压水听器配置容易，但无法提供所需的测量增益，同时也无法抑制信道多途干扰；垂直线阵可以实现宽带噪声测量并有效减小海面噪声和信道多途干涉的影响，但由于垂直线阵无法形成单边指向性，因此没有水平空间的处理增益，导致垂直阵列的测量增益较低。同时，进行低频测试时所需的垂直阵列孔径大，此时还存在布放困难，阵型不易控制等问题；为提高阵列测量增益，可以采用体积阵进行测量。体积阵具有单边指向性，可以获得较大的阵列测量增益，但在实现低频段噪声测量时同样需要较大的阵列孔径，我国近海多为浅海，水深一般不足百米，过大的声压水听器阵不利于实际的外场试验测量及工程实现，因此，体积阵适用于中高频段内的辐射噪声测量。为减小低频段噪声测量时所需的阵列孔径并保证较大的阵列测量增益，可以采用矢量水听器阵列进行辐射噪声测量[Shchurov,V.A.Coherent and diffusive fields of underwateracoustic ambient noise[J].The Journal of the Acoustical Society of America,1991,90(2):991]，与声压水听器阵列信号处理技术相比，矢量水听器阵列一方面可以形成单边指向性从而获得水平空间处理增益，另一方面通过声压振速联合处理矢量水听器阵列可获得额外的相干信号处理增益，因此可以在减小阵列孔径的同时保证较大的阵增益，有效地解决了低频段辐射噪声测量问题。因此本发明提出了一种基于矢量稀疏垂直阵和声压体积阵的组合体积阵测量方案，从而实现对水下目标全频带的辐射噪声测量。
发明内容
针对上述现有技术，本发明要解决的技术问题是提供一种水下目标辐射噪声测量组合体积阵及测量方法，实现对水下目标全频带的高精度辐射噪声测量。
为解决上述技术问题，本发明的一种水下目标辐射噪声测量组合体积阵，包括基于均匀布阵方式的螺旋双圆锥声压体积阵和矢量稀疏垂直阵，所述螺旋双圆锥声压体积阵具体为：将M条相同的均匀垂直线阵的底端均匀排列在一个半径为R的圆周上，形成一个半径为R，高度为L的圆柱阵，然后将各条垂直线阵的底端固定，顶端绕圆柱的轴线沿圆的周向方向逆时针旋转相同的角度α，得到定义的螺旋双圆锥阵，所述均匀垂直线阵阵元数为N，阵元间距为d1，长度为L；所述矢量稀疏垂直阵共有NS个阵元，d2为阵元间距，矢量稀疏垂直阵中心阵元位于螺旋双圆锥声压体积阵半径最小的圆形横截面的圆心位置且垂直于所述横截面，且各阵元均匀分布。
本发明还包括：
以螺旋双圆锥阵半径最小的圆形横截面的圆心位置的为坐标原点，则各阵元的x、y、z坐标可分别表示为：
式中，n表示第n层，m表示圆上第m个阵元，共有N层M列，旋转后螺旋双圆锥的高度为H，βm为第m个阵元与x轴的夹角，x1,m，y1,m为第1层圆阵的各阵元坐标，xN,m，yN,m为第N层圆阵的各阵元坐标，R为螺旋双圆锥阵的最大半径，x1,m＝Rcos(βm)，y1,m＝Rsin(βm)，xN,m＝Rcos(βm+α)，yN,m＝Rsin(βm+α)；
矢量稀疏垂直阵各阵元的z坐标可表示为：
式中，n表示第n个阵元，共有NS个阵元。
采用上述水下目标辐射噪声测量组合体积阵的测量方法，包括以下步骤：
步骤1：利用所述组合体积阵对测试目标的辐射噪声进行测量并进行频谱分析；
步骤2：利用螺旋双圆锥声压体积阵，根据实际测试目标尺寸及测试距离，利用RSS聚焦变换法得到恒定束宽波束，在垂直方向及水平方向上形成恒定的半功率波束宽度，对于步骤1中得到的中高频段的辐射噪声利用恒定束宽波束进行噪声测量。
步骤3：利用矢量稀疏垂直阵采用矢量信号处理方法形成单边指向性，增大测量增益，然后对于步骤1中得到的低频段的辐射噪声利用空域-频域平均联合的信号处理方法对辐射噪声进行测量。
本发明还包括：
步骤2利用螺旋双圆锥声压体积阵，根据实际测试目标尺寸及测试距离，利用RSS聚焦变换法得到恒定束宽波束，在垂直方向及水平方向上形成恒定的半功率波束宽度，对于步骤1中得到的中高频段的辐射噪声利用恒定束宽波束进行噪声测量具体为：
从方向入射到基阵的远场窄带信号的导向矢量可具体写成：
式中表示第i个传感器对/>方向信号的响应幅度值，τi为时延。
则基阵对于方向入射信号的波束响应为：
上式中ω表示波束形成的复加权向量，符号(·)H表示矩阵的复转置共轭；
将螺旋双圆锥体积阵中每个水听器的输出分成K个不重叠的数据块，每个数据块含有L个采样点，即做L点的FFT变换，得到K个频率子带上的数据，每个频率子带上含有L个数据快拍，则第k个频率子带上的频率数据用矩阵形式表示如下：
式中为入射信号第k个频率子带上对应方向/>的导向矢量，θ0为垂直入射角，/>为水平入射角，s(fk)表示入射信号的频域形式，n(fk)为接收噪声；
经聚焦变换后，第k个频率子带上的聚焦数据可表示成如下形式：
其中，表示第k个频率子带的变换矩阵；
通过上式得到各频率子带的聚焦数据后，可计算基阵输出波束图，与/>可分别表示为：
其中，为f0频率点处的基阵输出波束图，/>为fk频率点处的基阵输出波束图；
恒定波束宽度的基阵输出波束图可表示成：
步骤3利用矢量稀疏垂直阵采用矢量信号处理方法形成单边指向性，增大测量增益，然后对于步骤1中得到的低频段的辐射噪声利用空域-频域平均联合的信号处理方法对辐射噪声进行测量具体为：
首先采用(p+vcc)vcc的声压振速联合处理形式形成阵列的单边指向性，对于每个矢量水听器的声压和振速通道利用(p+vcc)vcc进行处理，得到处理后的接收数据s(i,t)，。其中，i为水听器编号；
假设矢量阵中每一个阵元的输入信噪比都是相同的，各阵元接收的声压信号的时域形式可表示为p1(t),p2(t),…pN(t),同样的，各阵元接收的振速可表示为v1(t),v2(t),…vN(t)声压与振速对于基阵的输出都是加性的，矢量水听器基阵输出信号和噪声的平均能量可分别表示成：
可求得此时阵增益的具体表达式：
单矢量水听器的平均输入信噪比可写成：
此情况下阵列的最大增益为：
式中Ns为矢量水听器阵列阵元数，θs与为信号入射方向，ρ为噪声相关系数；
截取被测目标行驶过程中每个水听器处理后的接收信号s(i,t)进行窄带频谱分析得到窄带功率谱密度Q(i,f)：
式中i表示水听器号数，f表示频率，T为信号长度，再根据窄带功率谱密度计算水听器1/3倍频程接收谱级：
式中，fj为j个1/3倍频程点中心频率；
得到每个水听器进行传播损失的1/3倍频程源谱级后，将位于不同深度的各只水听器声能进行平均，则被测目标的水下辐射噪声的1/3倍频程声压源谱级为：
本发明的有益效果：本发明提出一种基于组合体积阵的水下目标辐射噪声测量方法，设计了由基于均匀布阵方式的的螺旋双圆锥声压体积阵与均匀矢量稀疏垂直阵形成的组合体积阵，实现了全频带内的水下目标噪声测量。在中高频段，针对螺旋双圆锥声压体积阵利用RSS聚焦变换法实现恒定束宽波束形成，保证在中高频段内水平方向与垂直方向半功率波束宽度恒定并保证了一定的阵测量增益；在低频段，针对矢量稀疏垂直阵，利用矢量信号处理结合空域-频域平均联合的信号处理方法减小了由界面干涉带来的噪声测量结果起伏程度。本发明提高了测量精度，具有良好的工程应用前景。
附图说明
图1是组合体积阵的布放示意图；
图2是海面干涉示意图；
图3(a)是螺旋双圆锥的阵元位置图三维视图；
图3(b)是螺旋双圆锥的阵元位置图侧视图；
图3(c)是螺旋双圆锥的阵元位置图俯视图；
图4(a)是基于RSS聚焦变换的TBCA恒定束宽波束图三维图；
图4(b)是基于RSS聚焦变换的TBCA恒定束宽波束图(水平方向)；
图4(c)是基于RSS聚焦变换的TBCA恒定束宽波束图(垂直方向)
图5是空域-频域平均联合处理后五元稀疏垂直线阵干涉强度仿真图。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
本发明是为了解决全频带内水下目标辐射噪声测量问题，提出了一种水下目标辐射噪声测量组合体积阵及测量方法，可实现全频带内水下目标辐射噪声的准确测量，提高了目标辐射噪声的测量能力，具有重要的工程应用价值。
本发明的目的是这样实现的：
(1)首先，搭建由基于均匀布阵方式的螺旋双圆锥声压体积阵与均匀矢量稀疏垂直阵形成的组合体积阵，形成辐射噪声测量系统。其中，螺旋双圆锥声压体积阵用于中高频段(500Hz～20kHz)辐射噪声的测量，矢量稀疏垂直阵用于低频段(20Hz～500Hz)辐射噪声的测量；
(2)其次，利用搭建的组合体积阵对测试目标的辐射噪声进行测量；
(3)再次，针对螺旋双圆锥声压体积阵，根据实际测试目标尺寸及测试距离，利用RSS聚焦变换法实现恒定束宽波束形成，在垂直方向及水平方向上形成恒定的半功率波束宽度。
(4)然后，针对矢量稀疏垂直阵，首先利用矢量信号处理方法形成单边指向性，增大测量增益，然后利用空域-频域平均联合的信号处理方法对辐射噪声进行测量。
(5)最后，将实际测得数据做频谱分析，对于中高频段的辐射噪声利用螺旋双圆锥声压体积阵形成恒定束宽波束进行噪声测量；对于低频段的辐射噪声利用矢量稀疏垂直阵采用矢量信号处理结合空域-频域平均联合的信号处理方法对辐射噪声进行测量。
步骤(1)具体包括：
本发明的分析频率范围为20Hz～20kHz。当频率在20Hz～500Hz范围内变化时，采用矢量稀疏垂直线阵进行水下目标的辐射噪声测量；当频率在500Hz～20kHz范围内变化时，采用螺旋双圆锥声压体积阵进行水下目标的辐射噪声测量，解决水下目标的宽带辐射噪声测量问题。螺旋双圆锥体积阵可以通过多条平行的垂直线阵倾斜旋转相同的角度获得：均匀垂直线阵阵元数为N，阵元间距为d1，长度为L。首先将M条均匀垂直线阵的底端均匀排列在一个半径为R的圆周上，形成一个半径为R，高度为L的圆柱阵。然后将各条垂直线阵的底端固定，顶端绕圆柱的轴线沿圆的周向方向逆时针旋转相同的角度α，即可得到定义的螺旋双圆锥阵。螺旋双圆锥体积阵的高度为H，共有N层，每一层圆阵都均匀分布M个阵元。以螺旋双圆锥阵的中间平面的圆心位置为坐标原点，则各阵元的x、y、z坐标可分别表示为：
式中，n表示第n层，m表示圆上第m个阵元，共有N层M列，旋转后螺旋双圆锥的高度为H。βm为第m个阵元与x轴的夹角，x1,m，y1,m为第1层圆阵的各阵元坐标，xN,m，yN,m为第N层圆阵的各阵元坐标。R为螺旋双圆锥阵的最大半径。
矢量稀疏垂直阵中心阵元布置于测试海域的半海深位置处，且位于螺旋双圆锥体积阵中间平面的圆心位置处，矢量稀疏垂直阵垂直于螺旋双圆锥体积阵中间平面，各阵元均匀分布，则各阵元的z坐标可表示为：
式中，n表示第n个阵元，共有NS个阵元，d2为阵元间距。
步骤(3)具体包括：
将螺旋双圆锥体积阵中每个水听器的输出分成K个不重叠的数据块，每个数据块含有L个采样点，即做L点的FFT变换，得到K个频率子带上的数据，每个频率子带上含有L个数据快拍，则第k个频率子带上的频率数据用矩阵形式表示如下：
式中为入射信号第k个频率子带上对应方向/>的导向矢量，θ0为垂直入射角，/>为水平入射角，s(fk)表示入射信号的频域形式，n(fk)为接收噪声。
经聚焦变换后，第k个频率子带上的聚焦数据可表示成如下形式：
其中，表示第k个频率子带的变换矩阵。
通过上式得到各频率子带的聚焦数据后，可计算基阵输出波束图，与/>可分别表示为：
其中，为f0频率点处的基阵输出波束图，/>为fk频率点处的基阵输出波束图。
恒定波束宽度的基阵输出波束图可表示成：
步骤(4)具体包括：
首先采用(p+vcc)vcc的声压振速联合处理形式形成阵列的单边指向性。对于每个矢量水听器的声压和振速通道利用(p+vcc)vcc进行处理，得到处理后的接收数据s(i,t)，。其中，i为水听器编号。
假设信号完全相关且信号入射方向为其中θs为垂直入射角，/>为水平入射角，此情况下阵列的最大增益为：
式中Ns为矢量水听器阵列阵元数，θs与为信号入射方向，ρ为噪声相关系数。
截取被测目标行驶过程中每个水听器处理后的接收信号s(i,t)进行窄带频谱分析得到窄带功率谱密度Q(i,f)：
式中i表示水听器号数，f表示频率，T为信号长度。再根据窄带功率谱密度计算水听器1/3倍频程接收谱级
式中，fj为j个1/3倍频程点中心频率。
得到每个水听器进行传播损失的1/3倍频程源谱级后，将位于不同深度的各只水听器声能进行平均，则被测目标的水下辐射噪声的1/3倍频程声压源谱级为：
只考虑绝对软绝对平整的海面，反射系数R＝-1，且不考虑海水中的声吸收的情况，即α＝0。可求得水下接收点处的传播损失：
式中，r为水平测试距离，ds与dr分别表示声源以及接收水听器相对于海面的距离。
经过球面波扩展损失的补偿后可得到由海面反射引起的海面干涉的强度值LMIP，计算公式如下所示：
LMIP＝-TL+20lgr
本发明设计的组合体积阵布放示意图如图1所示，具体实施方案如下：
第一步：螺旋双圆锥体积阵可以通过多条平行的垂直线阵倾斜旋转相同的角度获得：均匀垂直线阵阵元数为N，阵元间距为d1，长度为L。将M条均匀垂直线阵的底端均匀排列在一个半径为R的圆周上，形成一个半径为R，高度为L的圆柱阵。然后将各条垂直线阵的底端固定，顶端绕圆柱的轴线沿圆的周向方向逆时针旋转相同的角度α，即可得到定义的螺旋双圆锥阵。以螺旋双圆锥阵的中间平面的圆心位置为坐标原点，螺旋双圆锥体积阵的高度为H，共有N层，每一层圆阵都均匀分布M个阵元。则各阵元的z坐标可表示为：
式中，n表示第n层，m表示圆上第m个阵元，共有N层M列，即每一层圆阵都均匀分布M个阵元，旋转后螺旋双圆锥的高度为H。
各圆阵的角度等分后，第m个阵元与x轴的夹角可表示为：
底端固定且顶端不固定的线阵旋转后，第1层圆阵的各阵元坐标可分别写成：
x1,m＝R cos(βm)，y1,m＝R sin(βm)
当n＝N时，即第N层圆阵的各阵元坐标可分别写成：
xN,m＝R cos(βm+α)yN,m＝R sin(βm+α)
垂直布放的均匀线阵无论是否旋转倾斜，各阵元都应是等间隔分布的，则各阵元的x坐标与y坐标可分别表示为：
矢量稀疏垂直阵中心阵元布置于测试海域的半海深位置处，且位于螺旋双圆锥体积阵中间平面的圆心位置处，矢量稀疏垂直阵垂直于螺旋双圆锥体积阵中间平面，各阵元均匀分布，则各阵元的z坐标可表示为：
式中，n表示第n个阵元，共有NS个阵元，d2为阵元间距。
第二步：将测试目标驶入测试区域，根据实际测试目标尺寸及测试距离的要求，利用搭建的组合体积阵对测试目标的辐射噪声进行测量；
第三步：从方向入射到基阵的远场窄带信号的导向矢量可具体写成：
式中表示第i个传感器对/>方向信号的响应幅度值，τi为时延。
则基阵对于方向入射信号的波束响应为：
上式中ω表示波束形成的复加权向量，符号(·)Η表示矩阵的复转置共轭。
将每个传感器的输出分成K个不重叠的数据块，每个数据块含有L个采样点，即做L点的FFT变换，得到K个频率子带上的数据，每个频率子带上含有L个数据快拍，则第k个频率子带上的频率数据用矩阵形式表示如下：
式中为入射信号第k个频率子带上对应方向/>的导向矢量，θ0为垂直入射角，/>为水平入射角，s(fk)表示入射信号的频域形式，n(fk)为接收噪声。
聚焦矩阵是与入射信号的方向信息有关的，实则就是将各个频率处的导向矢量经过一定的数学变换后得到与参考频率处的相同的导向矢量数值，或可认为是各个频率点处的导向矢量经变换后与参考导向矢量的差值最小，数学表达式可以写成：
上式中符号||·||F表示矩阵中的F-范数，表示入射信号的方位信息，θ为垂直入射角，/>为水平入射角，/>表示第k个频率子带的变换矩阵，/>可表示为：
其中U(fk)和V(fk)分别对应做奇异值分解后得到的左奇异矢量矩阵和右奇异矢量矩阵。
经聚焦变换后，第k个频率子带上的聚焦数据可表示成如下形式：
通过上式得到各频率子带的聚焦数据后，可计算基阵输出波束图，与/>可分别表示为：
其中，为f0频率点处的基阵输出波束图，/>为fk频率点处的基阵输出波束图。
那么恒定波束宽度的基阵输出波束图可表示成：
第四步首先采用(p+vcc)vcc的声压振速联合处理形式形成阵列的单边指向性。对于每个矢量水听器的声压和振速通道利用(p+vcc)vcc进行处理，得到处理后的接收数据s(i,t)，。其中，i为水听器编号。
假设矢量阵中每一个阵元的输入信噪比都是相同的，各阵元接收的声压信号的时域形式可表示为p1(t),p2(t),…pN(t),同样的，各阵元接收的振速可表示为v1(t),v2(t),…vN(t)声压与振速对于基阵的输出都是加性的。矢量水听器基阵输出信号和噪声的平均能量可分别表示成:
可求得此时阵增益的具体表达式：
经过计算并化简后可得：
而单矢量水听器的平均输入信噪比可写成：
/>
此情况下阵列的最大增益为：
式中Ns为矢量水听器阵列阵元数，θs与为信号入射方向，ρ为噪声相关系数。
截取被测目标行驶过程中每个水听器处理后的接收信号s(i,t)进行窄带频谱分析得到窄带功率谱密度Q(i,f)：
式中i表示水听器号数，f表示频率，T为信号长度。再根据窄带功率谱密度计算水听器1/3倍频程接收谱级
式中，fj为j个1/3倍频程点中心频率。
得到每个水听器进行传播损失的1/3倍频程源谱级后，将位于不同深度的各只水听器声能进行平均，则被测目标的水下辐射噪声的1/3倍频程声压源谱级为：
点声源的声压值可以表示为如下形式：
上式中，k表示波数，s表示声波的传播距离，ω表示角频率，t表示声波的传播时间，α表示海水的吸收系数，p0与p分别表示s0与s处的有效声压。
接收点处的总声压是由直达声波与海面的反射声波的叠加而成的，如图2所示，接收声压可表示为：
上式中，R表示海表面的声波反射系数。将传播因子定义为声波在水听器接收位置处的声压的平方值与s处的声压平方值的比值。
对于接收点处直达波与反射波的叠加，则有：
上式中，x＝(s+-s-)/2＝2dsdr/(s++s-)。
只考虑绝对软绝对平整的海面，反射系数R＝-1，且不考虑海水中的声吸收的情况，即α＝0。可求得水下接收点处的传播损失：
式中，ds与dr分别表示声源以及接收水听器相对于海面的距离。
经过球面波扩展损失的补偿后可得到由海面反射引起的海面干涉的强度值LMIP，计算公式如下所示：
LMIP＝-TL+20lgr
第五步：最后，将实际测得数据做频谱分析，对于中高频段的辐射噪声利用螺旋双圆锥声压体积阵形成恒定束宽波束进行噪声测量；对于低频段的辐射噪声利用矢量稀疏垂直阵采用矢量信号处理结合空域-频域平均联合的信号处理方法对辐射噪声进行测量。
下面结合仿真实例对本发明的实际效果进行分析。
仿真1：频率范围为[0.5kHz,20kHz]，阵元间距d＝0.3m，阵元数N＝32，线阵旋转角度α＝145°，旋转后得到每个均匀圆阵的阵元个数M＝16，底面圆半径为1m。也就是16条线阵，每条线阵均匀分布32个阵元，旋转后螺旋双圆锥最大圆半径R＝1m。螺旋双圆锥体积阵的阵元位置坐标如图3(a)-3(c)所示。
仿真2：频率范围为[0.5kHz,20kHz]，参考频率取f0＝fL＝0.5kHz，子带数K＝21，来波方向角度扫描范围θ∈[0°,180°]，/>利用RSS聚焦变换算法实现体积阵水平方向与垂直方向的恒定束宽的仿真结果如图4(a)-4(c)所示。从图中可以看出，基阵的水平方向和垂直方向都实现了频率范围内的恒定束宽，水平方向的-3dB波束宽度约为100°，垂直方向的-3dB波束宽度约为17°，第一旁瓣级约为-13dB，经计算，螺旋双圆锥体积阵的测量增益约为16.1dB。无论是水平方向、垂直方向的-3dB波束宽度还是测量增益均满足50m距离处测量目标的要求。
仿真3：采取五元垂直线阵的测量形式，根据海深布放阵元深度：阵元数M＝5，阵元深度dr分别为20m，35m，50m，65m，80m，海深H＝100m，声源深度ds＝50m，垂直线阵与声源的水平距离r＝100m，声速c＝1500m/s，海面为绝对平整绝对软的理想界面，反射系数R＝-1，且不考虑海水声吸收，即α＝0。此时的仿真结果如图5所示。图中的方形划线为中心阵元50m深度处的干涉强度随频率的变化曲线，可以看出此时干涉强度的波动范围很大，且随频率的增大波动程度越大。对于上图中的点形划线，代表五元稀疏垂直线阵利用空域-频域平均法后得到的结果，相比两条曲线，可以轻易的看出此方法有效的消减了干涉强度曲线随频率的波动程度。在200Hz以上的频率范围内，可以不考虑海面干涉的影响。
Claims (2)
1.一种水下目标辐射噪声测量组合体积阵，其特征在于：包括螺旋双圆锥声压体积阵和矢量稀疏垂直阵，所述螺旋双圆锥声压体积阵具体为：将M条相同的均匀垂直线阵的底端均匀排列在一个半径为R的圆周上，形成一个半径为R，高度为L的圆柱阵，然后将各条垂直线阵的底端固定，顶端绕圆柱的轴线沿圆的周向方向逆时针旋转相同的角度α，得到定义的螺旋双圆锥阵，所述均匀垂直线阵阵元数为N，阵元间距为d1，长度为L；所述矢量稀疏垂直阵共有NS个阵元，d2为阵元间距，矢量稀疏垂直阵中心阵元位于螺旋双圆锥声压体积阵半径最小的圆形横截面的圆心位置且垂直于所述横截面，且各阵元均匀分布；
采用所述水下目标辐射噪声测量组合体积阵的测量方法，包括以下步骤：
步骤1：利用所述组合体积阵对测试目标的辐射噪声进行测量并进行频谱分析；
步骤2：利用螺旋双圆锥声压体积阵，根据实际测试目标尺寸及测试距离，利用RSS聚焦变换法得到恒定束宽波束，在垂直方向及水平方向上形成恒定的半功率波束宽度，对于步骤1中得到的中高频段500Hz～20kHz的辐射噪声利用恒定束宽波束进行噪声测量；
步骤3：利用矢量稀疏垂直阵采用矢量信号处理方法形成单边指向性，增大测量增益，然后对于步骤1中得到的低频段20Hz～500Hz的辐射噪声利用空域-频域平均联合的信号处理方法对辐射噪声进行测量；
步骤2所述利用螺旋双圆锥声压体积阵，根据实际测试目标尺寸及测试距离，利用RSS聚焦变换法得到恒定束宽波束，在垂直方向及水平方向上形成恒定的半功率波束宽度具体为：
从方向入射到基阵的远场窄带信号的导向矢量可具体写成：
式中表示第i个传感器对/>方向信号的响应幅度值，τi为时延；
则基阵对于方向入射信号的波束响应为：
上式中ω表示波束形成的复加权向量，符号(·)H表示矩阵的复转置共轭；
将螺旋双圆锥体积阵中每个水听器的输出分成K个不重叠的数据块，每个数据块含有L个采样点，即做L点的FFT变换，得到K个频率子带上的数据，每个频率子带上含有L个数据快拍，则第k个频率子带上的频率数据用矩阵形式表示如下：
式中为入射信号第k个频率子带上对应方向/>的导向矢量，θ0为垂直入射角，/>为水平入射角，s(fk)表示入射信号的频域形式，n(fk)为接收噪声；
经聚焦变换后，第k个频率子带上的聚焦数据可表示成如下形式：
其中，表示第k个频率子带的变换矩阵；
通过上式得到各频率子带的聚焦数据后，可计算基阵输出波束图，与/>可分别表示为：
其中，为f0频率点处的基阵输出波束图，/>为fk频率点处的基阵输出波束图；
恒定波束宽度的基阵输出波束图可表示成：
步骤3所述利用矢量稀疏垂直阵采用矢量信号处理方法形成单边指向性，增大测量增益，然后利用空域-频域平均联合的信号处理方法对辐射噪声进行测量具体为：
首先采用(p+vcc)vcc的声压振速联合处理形式形成阵列的单边指向性，对于每个矢量水听器的声压和振速通道利用(p+vcc)vcc进行处理，得到处理后的接收数据s(i,t)，其中，i为水听器编号；
假设矢量阵中每一个阵元的输入信噪比都是相同的，各阵元接收的声压信号的时域形式可表示为p1(t),p2(t),…pN(t)，同样的，各阵元接收的振速可表示为v1(t),v2(t),…vN(t)声压与振速对于基阵的输出都是加性的，矢量水听器基阵输出信号和噪声的平均能量可分别表示成：
可求得此时阵增益的具体表达式：
单矢量水听器的平均输入信噪比可写成：
此情况下阵列的最大增益为：
式中Ns为矢量水听器阵列阵元数，θs与为信号入射方向，ρ为噪声相关系数；
截取被测目标行驶过程中每个水听器处理后的接收信号s(i,t)进行窄带频谱分析得到窄带功率谱密度Q(i,f)：
式中i表示水听器号数，f表示频率，T为信号长度，再根据窄带功率谱密度计算水听器1/3倍频程接收谱级：
式中，fj为j个1/3倍频程点中心频率；
得到每个水听器进行传播损失的1/3倍频程源谱级后，将位于不同深度的各只水听器声能进行平均，则被测目标的水下辐射噪声的1/3倍频程声压源谱级为：
2.根据权利要求1所述的一种水下目标辐射噪声测量组合体积阵，其特征在于：
以螺旋双圆锥阵半径最小的圆形横截面的圆心位置的为坐标原点，则各阵元的x、y、z坐标可分别表示为：
式中，n表示第n层，m表示圆上第m个阵元，共有N层M列，旋转后螺旋双圆锥的高度为H，βm为第m个阵元与x轴的夹角，x1,m，y1,m为第1层圆阵的各阵元坐标，xN,m，yN,m为第N层圆阵的各阵元坐标，R为螺旋双圆锥阵的最大半径，x1,m＝Rcos(βm)，y1,m＝Rsin(βm)，xN,m＝Rcos(βm+α)，yN,m＝Rsin(βm+α)；
矢量稀疏垂直阵各阵元的z坐标可表示为：
式中，n表示第n个阵元，共有NS个阵元。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110783635.3A CN113624330B (zh) | 2021-07-12 | 2021-07-12 | 一种水下目标辐射噪声测量组合体积阵及测量方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110783635.3A CN113624330B (zh) | 2021-07-12 | 2021-07-12 | 一种水下目标辐射噪声测量组合体积阵及测量方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN113624330A CN113624330A (zh) | 2021-11-09 |
| CN113624330B true CN113624330B (zh) | 2023-11-17 |
Family
ID=78379524
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202110783635.3A Active CN113624330B (zh) | 2021-07-12 | 2021-07-12 | 一种水下目标辐射噪声测量组合体积阵及测量方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN113624330B (zh) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114114149B (zh) * | 2021-11-22 | 2024-04-30 | 北京航空航天大学 | 一种高精度多功能小型水下定位装置 |
Citations (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH10197327A (ja) * | 1997-01-09 | 1998-07-31 | Tech Res & Dev Inst Of Japan Def Agency | 音源レベル測定方法および音源レベル測定装置 |
| CN102226837A (zh) * | 2011-04-08 | 2011-10-26 | 哈尔滨工程大学 | 适用于圆柱形障板条件下矢量圆阵声压振速联合测向方法 |
| CN103438987A (zh) * | 2013-08-30 | 2013-12-11 | 西北工业大学 | 基于超指向性小孔径圆柱阵的舰船辐射噪声源分辨方法 |
| CN105353340A (zh) * | 2015-10-27 | 2016-02-24 | 哈尔滨工程大学 | 一种双层圆柱阵水下被动目标检测方法 |
| CN105556260A (zh) * | 2013-07-22 | 2016-05-04 | 布鲁尔及凯尔声音及振动测量公司 | 宽带声全息 |
| WO2016106470A1 (zh) * | 2014-12-29 | 2016-07-07 | 哈尔滨工程大学 | 智能指向性全双工水声通信机及其通信方法 |
| CN109283492A (zh) * | 2018-10-29 | 2019-01-29 | 中国电子科技集团公司第三研究所 | 多目标方位估计方法及水声垂直矢量阵列系统 |
| CN110940952A (zh) * | 2019-12-13 | 2020-03-31 | 哈尔滨工程大学 | 恒定束宽双锥阵及恒定束宽双锥阵波束形成方法 |
| CN111142153A (zh) * | 2020-01-13 | 2020-05-12 | 中国船舶科学研究中心（中国船舶重工集团公司第七0二研究所） | 一种声压水听器与矢量水听器组合体积阵 |
| CN111679245A (zh) * | 2020-05-22 | 2020-09-18 | 哈尔滨工程大学 | 一种基于均匀圆阵的子阵重合的分裂波束定向方法 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8077540B2 (en) * | 2008-06-13 | 2011-12-13 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy | System and method for determining vector acoustic intensity external to a spherical array of transducers and an acoustically reflective spherical surface |
-
2021
- 2021-07-12 CN CN202110783635.3A patent/CN113624330B/zh active Active
Patent Citations (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH10197327A (ja) * | 1997-01-09 | 1998-07-31 | Tech Res & Dev Inst Of Japan Def Agency | 音源レベル測定方法および音源レベル測定装置 |
| CN102226837A (zh) * | 2011-04-08 | 2011-10-26 | 哈尔滨工程大学 | 适用于圆柱形障板条件下矢量圆阵声压振速联合测向方法 |
| CN105556260A (zh) * | 2013-07-22 | 2016-05-04 | 布鲁尔及凯尔声音及振动测量公司 | 宽带声全息 |
| CN103438987A (zh) * | 2013-08-30 | 2013-12-11 | 西北工业大学 | 基于超指向性小孔径圆柱阵的舰船辐射噪声源分辨方法 |
| WO2016106470A1 (zh) * | 2014-12-29 | 2016-07-07 | 哈尔滨工程大学 | 智能指向性全双工水声通信机及其通信方法 |
| CN105353340A (zh) * | 2015-10-27 | 2016-02-24 | 哈尔滨工程大学 | 一种双层圆柱阵水下被动目标检测方法 |
| CN109283492A (zh) * | 2018-10-29 | 2019-01-29 | 中国电子科技集团公司第三研究所 | 多目标方位估计方法及水声垂直矢量阵列系统 |
| CN110940952A (zh) * | 2019-12-13 | 2020-03-31 | 哈尔滨工程大学 | 恒定束宽双锥阵及恒定束宽双锥阵波束形成方法 |
| CN111142153A (zh) * | 2020-01-13 | 2020-05-12 | 中国船舶科学研究中心（中国船舶重工集团公司第七0二研究所） | 一种声压水听器与矢量水听器组合体积阵 |
| CN111679245A (zh) * | 2020-05-22 | 2020-09-18 | 哈尔滨工程大学 | 一种基于均匀圆阵的子阵重合的分裂波束定向方法 |
Non-Patent Citations (4)
| Title |
|---|
| 基于组合体积阵的水下目标辐射噪声测量方法研究;崔竹音;中国优秀硕士学位论文全文数据库基础科学辑(第03期);A010-88 * |
| 方尔正 ; 王燕 ; .水下目标辐射噪声测量方法.南京航空航天大学学报.2009,(第02期),第238-242页. * |
| 水下目标辐射噪声测量方法;方尔正;王燕;;南京航空航天大学学报(第02期);第238-242页 * |
| 用垂直阵和单水听器测量水下目标辐射噪声的误差分析及其修正方法;吴国清等;声学学报(中文版)(第05期);第398-403页 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN113624330A (zh) | 2021-11-09 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN108828522B (zh) | 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 | |
| CN102043145B (zh) | 基于声矢量传感器均匀直线阵的快速宽带频域波束形成方法 | |
| Najeem et al. | Open lake experiment for direction of arrival estimation using acoustic vector sensor array | |
| CN109725285B (zh) | 一种基于mvdr协方差矩阵元素自适应相角转换的doa估计方法 | |
| Ginn et al. | Noise source identification techniques: simple to advanced applications | |
| CN108845307B (zh) | 一种基于傅里叶积分法的水下目标辐射噪声测量方法 | |
| CN113868583B (zh) | 一种子阵波束聚焦的声源距离计算方法及系统 | |
| CN105301580A (zh) | 一种基于分裂阵互谱相位差方差加权的被动探测方法 | |
| CN113624330B (zh) | 一种水下目标辐射噪声测量组合体积阵及测量方法 | |
| CN112285647A (zh) | 一种基于稀疏表示与重构的信号方位高分辨估计方法 | |
| CN109001297A (zh) | 基于单矢量水听器的大样本水声材料声反射系数测量方法 | |
| CN103983946A (zh) | 一种声源定位过程中的多测量通道信号处理方法 | |
| Mennitt et al. | Multiple-array passive acoustic source localization in urban environments | |
| CN109541526A (zh) | 一种利用矩阵变换的圆环阵方位估计方法 | |
| CN112098938B (zh) | 一种基于六元锥矢量阵的水声目标降维匹配声场定位方法 | |
| Wu et al. | Passive source depth estimation using beam intensity striations of a horizontal linear array in deep water | |
| CN109375197B (zh) | 一种小尺寸矢量阵低频散射校正方法 | |
| CN111679248A (zh) | 一种基于海底水平l型阵列的目标方位和距离联合稀疏重构定位方法 | |
| Li et al. | A multi‐step method for passive broadband source localisation using a single vector sensor | |
| CN108595758A (zh) | 一种任意形式传感器阵列最优宽带波束图综合方法 | |
| CN114491397B (zh) | 一种适用于圆形阵列的高增益波束形成方法 | |
| Heaney | Shallow water narrowband coherence measurements in the Florida Strait | |
| Ma et al. | The effect of elevation angle on bearing estimation for array beamforming in shallow water | |
| CN115183867A (zh) | 一种用于辐射噪声测量的u型空间阵 | |
| Liang et al. | Research on the Array Gain of Vertical Array of Vector Hydrophone in Deep Sea |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |