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基于矢量聲壓組合基陣的柱面分布噪聲源近場高分辨定位方法

2017-08-07 01:39左翔陳歡
中國艦船研究 2017年4期
關(guān)鍵詞:近場水聽器噪聲源

左翔,陳歡

1海軍駐上海江南造船(集團(tuán))有限責(zé)任公司軍事代表室,上海201913 2中國艦船研究設(shè)計中心,湖北武漢430064

基于矢量聲壓組合基陣的柱面分布噪聲源近場高分辨定位方法

左翔1,陳歡2

1海軍駐上海江南造船(集團(tuán))有限責(zé)任公司軍事代表室,上海201913 2中國艦船研究設(shè)計中心,湖北武漢430064

[目的]現(xiàn)有的水下噪聲源近場定位方法通常假設(shè)測量面為平面,較難應(yīng)用于柱面分布的水下噪聲源目標(biāo)測試中,同時常規(guī)近場聚焦波束形成應(yīng)用于柱面分布水下噪聲源定位時空間分辨率較低,基于聲壓基陣的水下噪聲源近場定位方法則存在左右舷模糊的問題。為解決這一問題,[方法]通過建立測量面為柱面分布的噪聲源近場測量模型,結(jié)合矢量水聽器的單邊指向性和MUSIC算法的高分辨率特性,提出基于矢量聲壓組合基陣的柱面分布噪聲源近場高分辨定位方法,并進(jìn)行計算機(jī)仿真驗證。[結(jié)果]研究結(jié)果表明,該方法采用較小的基陣孔徑即可實現(xiàn)柱面分布的水下噪聲源近場精確定位,[結(jié)論]可應(yīng)用于大型圓柱類復(fù)雜系統(tǒng)的噪聲源定位識別。

水下噪聲源;近場;柱面分布;矢量聲壓組合基陣;高分辨定位

0 引 言

聲隱身性能是衡量水下目標(biāo)安全性和作戰(zhàn)性能的重要指標(biāo),水下目標(biāo)的結(jié)構(gòu)龐大、系統(tǒng)復(fù)雜、噪聲源眾多,其噪聲治理工作包括2個方面:一是進(jìn)行噪聲測量與分析,掌握其噪聲特性;二是識別主要噪聲源,故研究適用于大型復(fù)雜系統(tǒng)工程的噪聲源近場定位識別方法,以實現(xiàn)水下目標(biāo)噪聲源的精確定位,是噪聲控制及減振降噪技術(shù)的關(guān)鍵問題之一。

采用聲壓基陣在近場區(qū)域?qū)λ履繕?biāo)輻射噪聲空間分布進(jìn)行精確定位的關(guān)鍵技術(shù)即近場聚焦波束形成,其利用聲源到達(dá)各陣元的曲率半徑不同,按球面波規(guī)律對基陣接收數(shù)據(jù)進(jìn)行相位補(bǔ)償。根據(jù)基陣與聲源的空間位置重建測量面,得到重建測量平面上的噪聲源空間位置分布。近場聚焦波束形成的測量區(qū)域可以大于基陣孔徑,適用于高頻、大尺度目標(biāo)的噪聲源定位識別,因其優(yōu)良的寬容性和易操作性,得到了廣泛應(yīng)用[1-2],但其空間分辨率受限于基陣孔徑和信號頻率,故在低頻段的空間分辨率較低?;诮鼒鼍劢共ㄊ纬傻某R?guī)噪聲源定位方法通常假設(shè)測量面為平面[3-4],較難應(yīng)用于柱面分布的水下噪聲源目標(biāo)定位,而基于聲壓基陣的水下噪聲源近場定位方法則存在左右舷模糊的問題,易對噪聲源的真實位置判斷產(chǎn)生干擾。

多重信號分類(Multiple Signal Classification,MUSIC)算法對基陣接收數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣進(jìn)行特征分解,得到與信號分量對應(yīng)的信號子空間和噪聲子空間,利用2個子空間的正交性估計目標(biāo)方位,其空間分辨率高、估計精度高、穩(wěn)定性好。矢量水聽器由傳統(tǒng)的聲壓水聽器和質(zhì)點振速水聽器復(fù)合而成,可以同步共點測量聲場中任意一點的聲壓和質(zhì)點振速的3個正交分量,同時具有較好的單邊指向性和各向同性噪聲抑制能力。隨著矢量水聽器技術(shù)的日益成熟,其已被廣泛應(yīng)用于艦艇輻射噪聲測量和聲吶系統(tǒng)設(shè)計等水聲領(lǐng)域[5-8]。

本文擬通過建立測量面為柱面分布的噪聲源近場測量模型,利用矢量水聽器的良好單邊指向性解決聲壓基陣近場噪聲源定位方法的左右舷模糊問題,利用MUSIC算法的高分辨率特性解決常規(guī)近場聚焦波束形成的空間分辨率較低的問題,提出基于矢量聲壓組合基陣的柱面分布噪聲源近場高分辨定位方法。采用較小基陣孔徑的矢量—聲壓組合基陣,即可實現(xiàn)柱面分布的水下噪聲源近場精確定位,并通過計算機(jī)仿真驗證算法的有效性。

1 柱面近場測量模型

柱面基陣柱面近場測量模型如圖1所示。

圖1 組合基陣柱面近場測量模型Fig.1 Array combination of cylinder near-field measurement model

假設(shè)柱面S緊貼被測系統(tǒng)表面,即噪聲均從柱面S發(fā)出,因此,分析被測系統(tǒng)表面的噪聲源即是分析噪聲源在柱面S上的空間分布。假設(shè)柱面半徑為D,點聲源 i(i=1,2,…,I)的空間位置為si=(xi,θi),發(fā)射頻率為 fi的單頻信號,間距為 l的陣元m(m=1,2,…,M)均勻水平布放于 x軸,基陣與柱面S中軸線的距離為 y0,將1號陣元設(shè)為相位參考點,則矢量聲壓組合基陣接收到的聲壓 pm(t)和速度v(t)為

設(shè)原點處聲壓陣元的方向矢量a0為

矢量聲壓組合基陣中聲壓基陣的方向矢量A為

單矢量水聽器的方向矢量b為

將式(1)~式(4)的基陣接收數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為矩陣形式:

式中:x(t)為矢量聲壓組合基陣的接收數(shù)據(jù)矢量;B=[a0A b]T,為組合基陣的方向矢量;s=[s1s2… sI]T,為組合基陣的聲源矢量;n(t)為組合基陣的接收背景噪聲矢量。

矢量聲壓組合基陣的方向矢量中包含位置信息、強(qiáng)度信息,以及由矢量水聽器復(fù)阻抗引起的聲壓與振速通道的相位差信息。因此,利用矢量聲壓組合基陣實現(xiàn)水下噪聲源近場定位時,除了考慮相位補(bǔ)償以外,還應(yīng)考慮復(fù)阻抗補(bǔ)償。

2 組合基陣柱面MUSIC近場高分辨定位方法

式中:c(x,θ)為聲源與組合基陣的距離矢量;d(x,θ)為點聲源相對于組合基陣的相位補(bǔ)償向量和復(fù)阻抗補(bǔ)償向量,其形式為

式中:rM為聲源與陣元M之間的距離;r0為聲源與矢量水聽器之間的距離。

將基陣接收數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣R進(jìn)行特征分解:

式中:US為大特征值對應(yīng)的特征矢量張成的子空間,即信號子空間;UN為小特征值對應(yīng)的特征矢量張成的子空間,即噪聲子空間。

組合基陣柱面MUSIC近場高分辨定位方法空間譜估計形式為

3 仿真計算結(jié)果分析

利用MATLAB軟件對文中算法的有效性進(jìn)行仿真驗證。設(shè)由18元各向同性的陣元構(gòu)成等間距均勻線陣,放置于x軸正向,陣元間距為1 m,測量距離為3 m,圓柱半徑為4 m,空間中存在2個強(qiáng)度相同的非相干聲源,背景噪聲為高斯白噪聲,信噪比10 dB。

1)仿真工況1。設(shè)2個聲源位置分別為(x1,θ1)=(-3,90°),( x2,θ2)=(3,90°),工作頻率為400 Hz,仿真結(jié)果如圖2所示。

2)仿真工況2。設(shè)2個聲源位置為(x1,θ1)=(-2,60°),(x2,θ2)=(2,120°),工作頻率為750 Hz,仿真結(jié)果如圖3所示。

根據(jù)圖2和圖3的仿真結(jié)果,得到如下結(jié)論:

圖2 組合基陣柱面近場聚焦波束形成(f=400 Hz)Fig.2 The cylinder near-field focused beamforming of the combination array(f=400 Hz)

圖3 組合基陣柱面近場聚焦波束形成(f=750 Hz)Fig.3 The cylinder near-field focused beamforming of the combination array(f=750 Hz)

1)基于矢量聲壓組合基陣的MUSIC近場距焦波束形成充分利用了MUSIC算法的高分辨率優(yōu)勢,可以進(jìn)行水下噪聲源近場精確定位,即使在低頻段也能獲得較高的空間分辨率,解決了傳統(tǒng)近場聚焦波束形成方法的空間分辨率受限于噪聲源工作頻段的問題。

2)在聲壓基陣中配置單個矢量水聽器組成矢量聲壓組合基陣,利用矢量水聽器的單邊指向性特點,有效抑制了近場定位的左右舷模糊,解決了水下噪聲源分辨中由于左右舷模糊帶來的干擾問題。

4 結(jié) 語

針對基于近場聚焦波束形成的水下噪聲源定位方法的不足,本文結(jié)合矢量水聽器的單邊指向性和MUSIC算法的高分辨率特性,提出了基于矢量聲壓組合基陣的柱面分布噪聲源近場高分辨定位方法,采用較小基陣孔徑的矢量聲壓組合基陣,即可有效抑制近場定位中的左右舷模糊,實現(xiàn)柱面分布的水下噪聲源近場精確定位,并通過計算機(jī)仿真,驗證了算法的有效性。該方法適用于大型圓柱類復(fù)雜系統(tǒng)的噪聲源定位識別,具有較強(qiáng)的實際應(yīng)用前景。

[1]翟春平,劉雨東.聚焦波束形成聲圖法誤差分析[J].聲學(xué)技術(shù),2008,27(1):18-24.ZHAI C P,LIU Y D.Error analysis of the underwater imaging method using focused beamforming[J].Tech?nical Acoustics,2008,27(1):18-24(in Chinese).

[2]KOOK H,MOEBS G B,DAVIES P,et al.An effi?cient procedure for visualizing the sound field radiated by vehicles during standardized passby tests[J].Jour?nal of Sound and Vibration,2000,233(1):137-156.

[3]薛山花,葉青華,黃海寧,等.利用近場MVDR雙聚焦波束成形方法實現(xiàn)被動測距[J].應(yīng)用聲學(xué),2005,24(5):177-181.XUE S H,YE Q H,HUANG H N,et al.Pas?sive-range estimation using near-field MVDR dual fo?cused beamformers[J].Applied Acoustics,2005,24(5):177-181(in Chinese).

[4]陳歡,何良,楊德森,等.基于幅度補(bǔ)償?shù)腗VDR水下噪聲源近場定位識別方法研究[J].振動與沖擊,2012,31(2):41-54.CHEN H,HE L,YANG D S,et al.Underwater noise sources identification in near-field locating based on MVDR method with amplitude compensation[J].Jour?nal of Vibration and Shock,2012,31(2):41-54(in Chinese).

[5]ABRAHAM B M.Low-cost dipole hydrophone for use in towed arrays[M]//BERLINER M J,LINDBERG J F.Acoustic Particle Velocity Sensors:Design,Perfor?mance,and Applications.Woodbury,NY:American Institute of Conference Proceedings,1996:189-201.

[6]WLODKOWSIKI P A.Application of acoustic particle velocity sensors for port perimeter security[D].[S.l.]:Homeland Security Seninar University of Marine,2003.

[7]D'SPAIN G L,HODGKISS W S,EDMONDS G L.En?ergetics of the deep ocean's infrasonic sound field[J].The Journal of the Acoustical Society of America,1991,89(3):1134-1158.

[8]CHEN H W,ZHAO J W.Coherent signal-subspace processing of acoustic vector sensor array for DOA esti?mation of wideband sources[J].Signal Processing,2005,85(4):837-847.

Near-field and high-resolution cylindrical noise source location method based on vector sound pressure array

ZUO Xiang1,CHEN Huan2
1 Naval Military Representative Office in Jiangnan Shipyard(Group)Co.,Ltd.,Shanghai 201913,China 2 China Ship Development and Design Center,Wuhan 430064,China

The existing underwater noise source near-field location method usually assumes that the measurement plane is flat,which increases the difficulty of applying the underwater noise target test for cylindrical distribution.Simultaneously,the conventional near-field focused beam has a lower spatial resolution when used to locate an underwater noise source with cylindrical distribution.Moreover,the near-field underwater noise source location method based on the sound pressure array has a left and right side fuzzy problem.In order to solve these problems,by establishing the near-field measurement model of the noise source with cylindrical distribution as the measurement surface,and combining the unilateral directivity of the vector hydrophone and the high resolution characteristics of the MUSIC algorithm,a near-field and high resolution location method is proposed for cylindrical distribution based on vector sound pressure,and a computer simulation is carried out.The results show that the method can use a smaller array aperture to locate the underwater noise source,enabling it to be used to locate and recognize the noise sources of complex and large-scale cylindrical systems.

underwater noise source;near-field;cylindrical distribution;vector sound pressure array;high-resolution location

TB535;U661.44

A

10.3969/j.issn.1673-3185.2017.04.023

http://kns.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20170727.1037.046.html期刊網(wǎng)址:www.ship-research.com

左翔,陳歡.基于矢量聲壓組合基陣的柱面分布噪聲源近場高分辨定位方法[J].中國艦船研究,2017,12(4):147-150.ZUO X,CHEN H.Near-field and high-resolution cylindrical noise source location method based on vector sound pressure array[J].Chinese Journal of Ship Research,2017,12(4):147-150.

2017-03-27< class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版時間:

時間:2017-7-27 10:37

左翔,男,1988年生,碩士,工程師。研究方向:艦船噪聲源識別。E-mail:18321533310@139.com

陳歡(通信作者),男,1980年生,博士,工程師。研究方向:水聲工程。

E-mail:13545022860@139.com

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