CN115183867A - 一种用于辐射噪声测量的u型空间阵 - Google Patents

一种用于辐射噪声测量的u型空间阵 Download PDF

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CN115183867A CN202210853199.7A CN202210853199A CN115183867A CN 115183867 A CN115183867 A CN 115183867A CN 202210853199 A CN202210853199 A CN 202210853199A CN 115183867 A CN115183867 A CN 115183867A
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李志超
庞业珍
张小正
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Hefei University of Technology
702th Research Institute of CSIC
Taihu Laboratory of Deep Sea Technological Science
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Hefei University of Technology
702th Research Institute of CSIC
Taihu Laboratory of Deep Sea Technological Science
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Abstract

本发明公开了一种用于辐射噪声测量的U型空间阵，涉及噪声测量技术领域，包括三个面阵、水底声阵机架和侧面平衡装置，第一面阵平铺在水底声阵机架上，第二和第三面阵分别搭载在第一面阵的两端，且通过侧面平衡装置保持竖直状态，以确保姿态稳定，第二和第三面阵与第一面阵形成U型空间阵，利用了三维体积阵列的尺度优势和指向性优势，大幅提高了低频信号的空间阵增益，增强了水下航行器辐射噪声的测量能力。

Description

一种用于辐射噪声测量的U型空间阵
技术领域
本发明涉及噪声测量技术领域领域，尤其是一种用于辐射噪声测量的U型空间阵。
背景技术
随着浮阀隔振、消声瓦、机械精加工等减振降噪技术的发展，水下航行器的辐射噪声级逐年递减，其安静化、低频化的发展态势对测量阵列的性能要求不断升高，现有的噪声测量系统越来越难以满足新型水下目标的测试要求，开展低频、高增益声阵测试技术的研究具有重要意义。
辐射噪声测试阵列经历了由单水听器、分布式多水听器到线阵列的发展过程，美国Hayes号测量船上的测量系统和意大利WAAS船载水下噪声测试系统使用的都是垂直线列阵。但在浅海条件下，受海深限制，线列阵对低信噪比条件下的低频辐射噪声测量仍具有局限性。
发明内容
本发明人针对上述问题及技术需求，提出了一种用于辐射噪声测量的U型空间阵，利用了三维体积阵列的尺度优势和指向性优势，大幅提高了低频信号的空间阵增益，增强了水下航行器辐射噪声的测量能力。
本发明的技术方案如下：
一种用于辐射噪声测量的U型空间阵，包括三个面阵、水底声阵机架和侧面平衡装置，第一面阵平铺在水底声阵机架上，第二和第三面阵分别搭载在第一面阵的两端，且通过侧面平衡装置保持竖直状态，第二和第三面阵与第一面阵形成U型空间阵。
其进一步的技术方案为，每一个面阵均包括M条线列阵均匀间隔排列，其中一条加密嵌套线列阵位于中间位置，M-1条均匀线列阵均匀分布在加密嵌套线列阵的两侧。
其进一步的技术方案为，加密嵌套线列阵包括N个间距为d的第一水听器阵列和N个间距为d/2的第二水听器阵列共心嵌套形成，且嵌套部分的重叠位置只设置一个水听器，加密嵌套线列阵的总长度为(N-1)d，加密嵌套线列阵用于提升U型空间阵中部测噪的指向性，以提升空间阵增益。
其进一步的技术方案为，每条均匀线列阵包括N个间距为d的第一水听器阵列，均匀线列阵的总长度为(N-1)d。
其进一步的技术方案为，在垂直切片上，每一个面阵中的一条线列阵拼接组成一个平面U型阵，M条平面U型阵间两两间隔为l，U型空间阵的总尺度为(N-1)d×(M-1)l×(N-1)d。
其进一步的技术方案为，侧面平衡装置包括水面浮球和水底平衡浮箱，第二和第三面阵中的每条线列阵的上端固定有水面浮球，下端固定在水底平衡浮箱上，所示水底平衡浮箱分布在水底声阵机架的两侧，侧面平衡装置通过浮力作用使第二和第三面阵中的线列阵保持竖直状态。
其进一步的技术方案为，基于面阵中各阵元接收到的信号功率、噪声功率建立的U型空间阵的第一信噪比增益表达式，推导出与面阵中各阵元的聚焦加权向量有关的第二信噪比增益表达式；将阵列聚焦点指向U型空间阵的中央，简化第二信噪比增益表达式；对于各向均匀同性噪声场条件下，进一步推导出与阵元间距矩阵有关的第三信噪比增益表达式，作为U型空间阵的信噪比增益的计算公式。
其进一步的技术方案为，第一信噪比增益表达式为：
Figure BDA0003734798860000021
其中，
Figure BDA0003734798860000022
为单个阵元接收到的信号功率、噪声功率，
Figure BDA0003734798860000023
为U型空间阵输出的信号功率和噪声功率。
其进一步的技术方案为，推导得到的第二信噪比增益表达式为：
Figure BDA0003734798860000024
其中，w为各阵元的聚焦加权向量，ρn为噪声协方差矩阵，ps为阵列流形向量；
将阵列聚焦点指向U型空间阵的中央，表示令上式中的|wHps|＝1。
其进一步的技术方案为，推导得到的第三信噪比增益表达式为：
Figure BDA0003734798860000025
其中，w为各阵元的聚焦加权向量，λ为声波波长，[rij]K×K为K×K维的阵元间距矩阵。
本发明的有益技术效果是：
上述结构利用三个面阵形成三维的U型空间阵，相比于传统的垂直线列阵在尺度层面上提高了空间阵增益，相比低维度阵能更有效地抑制噪声干扰；组成每个面阵的线列阵中设置了均匀线列阵和加密嵌套线列阵，且加密嵌套线列阵位于中部，提升了U型空间阵中部测量辐射噪声的能力，使其更具有指向性；本发明充分利用了三维空间阵列的尺度优势和指向性优势，大幅度提高了低频信号的空间阵增益，可在25Hz～100Hz频段获得10dB～20dB的空间阵增益，在100Hz～5000Hz频段获得20dB～28dB的空间阵增益。同时，本空间声阵通过水底声阵机架和侧面平衡装置稳定固定在水底，有效降低了波浪造成的影响，提高了测试信噪比。
附图说明
图1是本申请提供的U型空间阵模型。
图2(a)是本申请提供的均匀线列阵尺度图。
图2(b)是本申请提供的加密嵌套线列阵尺度图。
图3(a)是本申请提供的U型空间阵阵元分布前视图。
图3(b)是本申请提供的U型空间阵阵元分布左视图。
图3(c)是本申请提供的U型空间阵阵元分布俯视图。
图4是本申请提供的U型空间阵的阵增益对比示意图。
图5(a)为U型空间阵在50Hz频点处的垂直二维距离指向性切片。
图5(b)为U型空间阵在50Hz频点处的水平二维距离指向性切片。
图6(a)为U型空间阵在500Hz频点处的垂直二维距离指向性切片。
图6(b)为U型空间阵在500Hz频点处的水平二维距离指向性切片。
其中：1-水面浮球；2-均匀线列阵；3-加密嵌套线列阵；4-水底声阵机架；5-水底平衡浮箱。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。
如图1所示，一种用于辐射噪声测量的U型空间阵，包括三个面阵、水底声阵机架4和侧面平衡装置，第一面阵平铺在水底声阵机架4上，第二和第三面阵分别搭载在第一面阵的两端，且通过侧面平衡装置保持竖直状态，第二和第三面阵与第一面阵形成U型空间阵。
其中，每一个面阵均包括九条线列阵均匀间隔排列，其中一条加密嵌套线列阵3位于中间位置，八条均匀线列阵2均匀分布在加密嵌套线列阵3的两侧，在垂直切片上，每一个面阵中的一条线列阵拼接组成一个平面U型阵，在本例中，共有九个平面U型阵。如图2(a)所示，每条均匀线列2阵包括二十一个间距为2m的第一水听器阵列，则均匀线列阵的总长度为40m。如图2(b)所示，加密嵌套线列阵3包括二十一个间距为2m的第一水听器阵列和二十一个间距为1m的第二水听器阵列共心嵌套形成，且嵌套部分的重叠位置只设置一个水听器，则加密嵌套线列阵3的水听器数量(也即阵元数)为三十一个、总长度为40m，本例的加密嵌套线列阵3用于提升U型空间阵中部测噪的指向性，以提升空间阵增益。
可选的，设九个平面U型阵间两两间隔5m，则U型空间阵的总尺度为40m×40m×40m，共计597个阵元。
其中，侧面平衡装置包括水面浮球1和水底平衡浮箱5，第二和第三面阵中的每条线列阵的上端固定有水面浮球1，下端固定在水底平衡浮箱5上，水底平衡浮箱5分布在水底声阵机架4的两侧，侧面平衡装置通过浮力作用使第二和第三面阵中的线列阵保持竖直状态，以确保U型空间阵在水底姿态稳定。
本申请还提供了计算U型空间阵信噪比增益的方法，具体推导过程如下：
对水下目标进行辐射噪声测试时，目标从U型空间阵的中央通过，U型空间阵的各阵元向目标所在场点进行聚焦补偿，基于面阵中各阵元接收到的信号功率、噪声功率建立的U型空间阵的第一信噪比增益表达式，推导出与面阵中各阵元的聚焦加权向量有关的第二信噪比增益表达式，其中：
第一信噪比增益表达式为：
Figure BDA0003734798860000041
其中，
Figure BDA0003734798860000042
为单个阵元接收到的信号功率、噪声功率，
Figure BDA0003734798860000043
为U型空间阵输出的信号功率和噪声功率。
推导得到的第二信噪比增益表达式为：
Figure BDA0003734798860000044
其中，w为各阵元的聚焦加权向量，ρn为噪声协方差矩阵，ps为阵列流形向量。
将阵列聚焦点指向U型空间阵的中央，也即令上式中的|wHps|＝1，简化第二信噪比增益表达式。
对于各向均匀同性噪声场条件下，进一步推导出与阵元间距矩阵有关的第三信噪比增益表达式，作为U型空间阵的信噪比增益的计算公式，其中：
推导得到的第三信噪比增益表达式为：
Figure BDA0003734798860000051
其中，λ为声波波长，[rij]K×K为K×K维的阵元间距矩阵。
下面结合仿真实例对本发明的效果进行分析。
仿真1：U型空间阵的阵列参数如上述具体实施方式所述，其尺度与阵元分布的三视图如图3(a)、图3(b)、图3(c)所示，该阵与组成该阵的线列阵、平面阵在10Hz～5000Hz频段的空间阵增益对比如图4所示。可见，U型空间阵在25Hz～100Hz频段可获得10dB～20dB的空间阵增益，在100Hz～5000Hz频段可获得20dB～28dB的空间阵增益；在25Hz以上频段，相比构成该阵的单条线列阵可额外获得10dB以上的空间阵增益，相比构成该阵的单面平面阵可额外获得4dB以上的空间阵增益。
仿真2：观测目标于U型空间阵中央通过时，U型空间阵在50Hz和500Hz频率处的垂直二维距离指向性切片和水平二维距离指向性切片如图5、图6所示，图中的阴影区域表示测试的噪声峰值，当频率增大时，采用本申请的U型空间阵一样能测试出目标的辐射噪声。
以上所述的仅是本申请的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于辐射噪声测量的U型空间阵，其特征在于，包括三个面阵、水底声阵机架和侧面平衡装置，第一面阵平铺在所述水底声阵机架上，第二和第三面阵分别搭载在所述第一面阵的两端，且通过所述侧面平衡装置保持竖直状态，所述第二和第三面阵与所述第一面阵形成U型空间阵。
2.根据权利要求1所述的用于辐射噪声测量的U型空间阵，其特征在于，每一个面阵均包括M条线列阵均匀间隔排列，其中一条加密嵌套线列阵位于中间位置，M-1条均匀线列阵均匀分布在所述加密嵌套线列阵的两侧。
3.根据权利要求2所述的用于辐射噪声测量的U型空间阵，其特征在于，所述加密嵌套线列阵包括N个间距为d的第一水听器阵列和N个间距为d/2的第二水听器阵列共心嵌套形成，且嵌套部分的重叠位置只设置一个水听器，所述加密嵌套线列阵的总长度为(N-1)d，所述加密嵌套线列阵用于提升所述U型空间阵中部测噪的指向性，以提升空间阵增益。
4.根据权利要求2所述的用于辐射噪声测量的U型空间阵，其特征在于，每条所述均匀线列阵包括N个间距为d的第一水听器阵列，所述均匀线列阵的总长度为(N-1)d。
5.根据权利要求2所述的用于辐射噪声测量的U型空间阵，其特征在于，在垂直切片上，每一个面阵中的一条线列阵拼接组成一个平面U型阵，M条所述平面U型阵间两两间隔为l，所述U型空间阵的总尺度为(N-1)d×(M-1)l×(N-1)d。
6.根据权利要求2所述的用于辐射噪声测量的U型空间阵，其特征在于，所述侧面平衡装置包括水面浮球和水底平衡浮箱，所述第二和第三面阵中的每条线列阵的上端固定有所述水面浮球，下端固定在所述水底平衡浮箱上，所示水底平衡浮箱分布在所述水底声阵机架的两侧，所述侧面平衡装置通过浮力作用使所述第二和第三面阵中的线列阵保持竖直状态。
7.根据权利要求1-6任一所述的用于辐射噪声测量的U型空间阵，其特征在于，基于面阵中各阵元接收到的信号功率、噪声功率建立的U型空间阵的第一信噪比增益表达式，推导出与面阵中各阵元的聚焦加权向量有关的第二信噪比增益表达式；将阵列聚焦点指向U型空间阵的中央，简化所述第二信噪比增益表达式；对于各向均匀同性噪声场条件下，进一步推导出与阵元间距矩阵有关的第三信噪比增益表达式，作为所述U型空间阵的信噪比增益的计算公式。
8.根据权利要求7所述的用于辐射噪声测量的U型空间阵，其特征在于，所述第一信噪比增益表达式为：
Figure FDA0003734798850000021
其中，
Figure FDA0003734798850000022
为单个阵元接收到的信号功率、噪声功率，
Figure FDA0003734798850000023
为U型空间阵输出的信号功率和噪声功率。
9.根据权利要求7所述的用于辐射噪声测量的U型空间阵，其特征在于，推导得到的所述第二信噪比增益表达式为：
Figure FDA0003734798850000024
其中，w为各阵元的聚焦加权向量，ρn为噪声协方差矩阵，ps为阵列流形向量；
所述将阵列聚焦点指向U型空间阵的中央，表示令上式中的|wHps|＝1。
10.根据权利要求7所述的用于辐射噪声测量的U型空间阵，其特征在于，推导得到的所述第三信噪比增益表达式为：
Figure FDA0003734798850000025
其中，w为各阵元的聚焦加权向量，λ为声波波长，[rij]K×K为K×K维的阵元间距矩阵。
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