CN116086586B - 一种基于粒子群优化阵列处理的船舶辐射噪声测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的基于粒子群优化阵列处理的船舶辐射噪声测量方法包括以下步骤：利用GPS获得被测船舶与测量阵列的位置信息，建立被测船舶到接收阵列的格林函数；初始化粒子群设定，设置阵列参考阵元，将接收阵列待求解的各阵元权系数代入粒子群参数；将粒子群进行迭代计算，利用阵列权值计算阵列输出信号与参考阵元输出信号的均方误差；选取最小均方误差值处的阵列权值，最终得到阵列权值的优化结果。使用算法优化得到的阵列权值计算阵列输出信号，实现自适应波束形成，抑制环境干扰，提高信噪比同时保留准确的船舶辐射噪声量级。

Description

一种基于粒子群优化阵列处理的船舶辐射噪声测量方法
技术领域
本发明属于试验与测试技术领域，提供一种基于粒子群优化阵列处理的船舶辐射噪声测量方法，用于高海洋背景噪声、船舶运动参数已知条件下的辐射噪声精确测量。
背景技术
“商船噪声对海洋生物影响”议题自从国际海事组织MEPC第57次会议以来一直受到各个国家的关注，并被列为优先考虑事项。目前国内民用船舶面临辐射噪声检测需求，并且由于民用船舶数量庞大，需要检测方法具有较高的环境容忍度，然而现阶段船舶辐射噪声测试中对海洋背景噪声量级有较高的要求，测试时需选择低于3级海况的气候条件及远离航道的海域，较为严苛的测试条件导致辐射噪声检测工作常由于气候等原因推迟，无法满足大批量测试需求。针对现有依靠单水听器形成阵列求均值的测量方式，有文章提出利用阵列波束形成方法进行辐射噪声测试可以有效抑制环境干扰，但该方式需要预先对被测船舶进行被动定位，定位精度不能满足测试需求。俄罗斯专家提出基于已知位置信息的自适应波束形成算法可以形成精确阵列导向，但这种方法对于最优权值的运算量较大，运算时间长。
发明内容
为解决现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于粒子群优化阵列处理的船舶辐射噪声测量方法，利用GPS提供被测船舶与测量阵列的位置信息，运用粒子群算法求解优化阵列权值，实现自适应波束形成，抑制背景噪声干扰，对船舶辐射噪声实施精确测量。
本发明提出的优化算法流程如图2所示，包括以下步骤：
（1）利用GPS获得被测船舶与测量阵列的位置信息，建立被测船舶到接收阵列的格林函数；
（2）初始化粒子群设定，设置阵列参考阵元，将接收阵列待求解的各阵元权值代入粒子群参数；
（3）将粒子群进行迭代计算，利用权值计算阵列输出信号与参考阵元输出信号的误差值；
（4）选取最小误差值下的阵列权值，最终得到阵列权值的优化结果。
本发明的有益效果是：
在保证船舶噪声测量精度条件下，有效抑制背景噪声干扰，提高测量信噪比，效果如图4、图5所示。
附图说明
图1 船舶辐射噪声测量方法示意图
图2 优化阵列权值算法流程示意图
图3 粒子群优化过程中的误差下降示意图
图4 本发明阵列处理方法与参考水听器通过特性对比图
图5 本发明阵列处理方法与参考水听器频域结果对比图
具体实施方式 下面结合船舶运动信号仿真结果与附图对本发明具体实施方法进行详细说明，以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明的基于粒子群优化阵列处理的船舶辐射噪声测量方法实施方式如图1所示，被测船舶由阵列上方经过，利用阵列测量船舶辐射噪声，计算输出信号与参考水听器信号误差值最小时的权值作为阵列权向量，此时阵列输出信号可以在准确保留单水听器测量噪声量级的同时抑制环境干扰。
设置50Hz、150Hz、500Hz、1000Hz单频仿真信号为被测船舶辐射噪声，测量系统中参考水听器信号表示为pnm，阵列输出信号pA表示为单个阵元信号pn(tj) 与权值w n *乘积之和：
Figure SMS_1
①
如果将被测船舶的辐射噪声与运动过程视为一个体积为V的体积源，那么认为体积内的密度均匀，将密度表示为ρj(rv)，其中rv表示V内点的坐标，j是定义体积V内，声源的当前位置和单极子源的随机瞬时幅度的索引，那么阵列输出信号可以写为
Figure SMS_2
②
其中G(An,rv)为体积源中的点到阵列各个水听器之间的格林函数，此时可以将阵列输出信号与参考水听器之间的差异表示为：
Figure SMS_3
③
其中g(rv)为格林函数G(An,rv)中的向量，δ(rv)为相对误差值
Figure SMS_4
④
引入坐标为x m ,m=1,…,M的网格，将格林函数转化为矩阵形式，则上式可改写为
Figure SMS_5
⑤
其中H=diag{｜gm︱2}, gm为向量g=G† w 0中的元素，即当权重系数w满足以下函数最小值时，阵列输出与参考水听器误差值最小。
Figure SMS_6
⑥
其中α、β为待定系数，C为阵列信号相关矩阵，此时w表示为：
Figure SMS_7
⑦
其中I是单位矩阵，利用粒子群算法计算当F(w)满足最小值时的α与β，算法流程如图2，具体方法为：
（1）利用GPS获得被测船舶位置信息，在目标运动区间[-L/2,L/2]上引入坐标为x m ,m=1,…,M的网格。建立被测船舶到接收阵列的格林函数，将格林函数转换为N×M矩阵G=║G(An,x m )║，其中An为测量系统阵元位置，x m 为被测船舶位置；
（2）设置最接近被测量船舶的水听器作为参考阵元，初始化粒子群设定，设置粒子个数为n，迭代次数T，信息素挥发系数ρ，移动概率常数P0和粒子群搜索最优权值的数值范围等参数。随机设置α、β的初始值，利用权值公式⑦计算各阵元初始权值w，将初始权值w带入公式⑤计算误差值δ0，粒子初始位置信息素为
Figure SMS_8
；
Figure SMS_9
⑧
（3）将粒子群进行迭代计算，粒子状态转移概率P为
Figure SMS_10
⑨
当转移概率P＜P0时，粒子在α、β取值范围内进行随机转移，转移半径为1/T；当转移概率P＞P0时，粒子在α、β数值范围内随机转移位置；将越界的粒子坐标限定在数值边界线上，等待下一次粒子转移。
粒子群中的粒子每移动一次随即利用公式⑦计算权系数w，以及利用公式⑤误差值δ，若粒子在该处取值计算得到的误差值δ低于初始误差δ0，则保留该处粒子坐标取值，否则保持粒子移动前的位置不变。当一轮迭代中，粒子群所有粒子移动结束，计算每个粒子当前所在位置信息素ζ。
Figure SMS_11
⑩
将信息更新后，重新计算每个粒子的状态转移概率并进行移动，重复以上步骤直到完成设置的迭代次数T，计算每次迭代计算的误差结果如图3所示，可以看到误差结果逐渐下降；
（4）最终计算得到的误差值δ，并取最小误差值对应的粒子坐标α、β取值，利用公式⑦计算结果，即为粒子群搜索到的阵列权值w。
利用粒子群算法计算得到的权系数w进行阵列信号加权，完成阵列处理算法，得到可用于船舶辐射噪声量级评价的阵列输出信号。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于粒子群优化阵列处理的船舶辐射噪声测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）利用GPS获得被测船舶与测量系统的位置信息，测量同时需记录船舶与测量系统的位置信息，引入坐标网格，建立被测船舶到接收阵列的格林函数G；
（2）设置待定系数
Figure QLYQS_3
、/>
Figure QLYQS_6
，利用格林函数G，推导系数/>
Figure QLYQS_7
、/>
Figure QLYQS_2
与阵列权值/>
Figure QLYQS_5
关系式，过程为：测量系统中参考水听器信号表示为/>
Figure QLYQS_8
，阵列输出信号/>
Figure QLYQS_9
表示为单个阵元信号/>
Figure QLYQS_1
与权值乘积/>
Figure QLYQS_4
之和：
Figure QLYQS_10
①
如果将被测船舶的辐射噪声与运动过程视为一个体积为V的体积源，那么认为体积内的密度均匀，将密度表示为
Figure QLYQS_11
，其中/>
Figure QLYQS_12
表示V内点的坐标，j是定义体积V内，声源的当前位置和单极子源的随机瞬时幅度的索引，那么阵列输出信号可以写为
Figure QLYQS_13
②
其中
Figure QLYQS_14
为体积源中的点到阵列各个水听器之间的格林函数，此时可以将阵列输出信号与参考水听器之间的差异表示为：
Figure QLYQS_15
③
其中
Figure QLYQS_16
为格林函数/>
Figure QLYQS_17
中的向量，/>
Figure QLYQS_18
为相对误差值
Figure QLYQS_19
④
引入坐标为
Figure QLYQS_20
,/>
Figure QLYQS_21
的网格，将格林函数转化为矩阵形式，则上式可改写为
Figure QLYQS_22
⑤
其中
Figure QLYQS_23
，/>
Figure QLYQS_24
为向量/>
Figure QLYQS_25
中的元素，即当权值w满足以下函数最小值时，阵列输出与参考水听器误差值最小
Figure QLYQS_26
⑥
其中
Figure QLYQS_27
、/>
Figure QLYQS_28
为待定系数，C为阵列信号相关矩阵，此时w表示为：
Figure QLYQS_29
⑦
其中I是单位矩阵，利用粒子群算法计算当
Figure QLYQS_30
满足最小值时的/>
Figure QLYQS_31
与/>
Figure QLYQS_32
；
（3）初始化粒子群设定，设置最接近被测量船舶的水听器作为参考阵元，将阵列输出信号与参考水听器对比计算误差值，随机设置系数
Figure QLYQS_33
与/>
Figure QLYQS_34
的初始值为粒子群位置坐标，将接收阵列待求解的各阵元初始权值代入粒子群参数，实现对系数/>
Figure QLYQS_35
、/>
Figure QLYQS_36
的求解；
（4）将粒子群进行迭代计算，利用权值计算阵列输出信号与参考阵元输出信号的误差；
（5）选取最小误差值处的阵列权值，最终得到阵列权值的优化结果。
2.根据权利要求1所述的基于粒子群优化阵列处理的船舶辐射噪声测量方法，其特征在于，步骤（3）中， 粒子群进行迭代计算时，使用粒子位置坐标
Figure QLYQS_37
、/>
Figure QLYQS_38
计算阵列权值，再用阵列权值计算误差，并利用误差计算粒子位置转移概率。
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