矢量水聽器自適應(yīng)線譜增強(qiáng)應(yīng)用研究

何希盈 ，李成新 ，張 磊 ，曾永鋼，岳德俊

（1.中國人民解放軍91004部隊，遼寧 大連 116031；2.海軍指揮學(xué)院信息系，江蘇 南京 211800；3.北海艦隊司令部，山東 青島266001）

矢量水聽器自適應(yīng)線譜增強(qiáng)應(yīng)用研究

何希盈1,2，李成新1，張 磊3，曾永鋼1，岳德俊1

（1.中國人民解放軍91004部隊，遼寧 大連 116031；2.海軍指揮學(xué)院信息系，江蘇 南京 211800；3.北海艦隊司令部，山東 青島266001）

矢量水聽器可以同步、共點測量聲場的聲壓與振速信息。為了有效利用聲壓和振速的相關(guān)性，設(shè)計了雙輸入端自適應(yīng)線譜增強(qiáng)器，并利用自適應(yīng)線譜增強(qiáng)對實測的噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理。結(jié)果表明，線譜增強(qiáng)器在雙輸入端分別輸入聲壓與振速信號時比在單輸入端輸入聲壓時，對背景噪聲有更好的抑制作用，輸出的線譜亦更加明顯。

矢量水聽器；艦船輻射噪聲；自適應(yīng)線譜增強(qiáng)

矢量水聽器由傳統(tǒng)的無指向性聲壓傳感器和偶極子指向性質(zhì)點振速傳感器構(gòu)成，它可以同步、共點、直接測量聲場空間一點處的聲壓和質(zhì)點振速的若干正交分量，這些信息都有助于改善水聲系統(tǒng)的性能，為解決一些水聲問題提供了新的思路和方法。針對矢量水聽器，文獻(xiàn)[1]提出了自適應(yīng)頻域相干干擾合成能量流抑制方法，文獻(xiàn)[2]指出聲能流檢測器是最大似然檢測器和最大似然方位估計器。文獻(xiàn)[3]利用自適應(yīng)譜線增強(qiáng)技術(shù)對艦船輻射噪聲線譜進(jìn)行了研究。

對有限尺度的聲源輻射的聲場，聲壓和振速是完全相關(guān)的；而對于各向同性噪聲場的聲壓與振速是不相關(guān)的。在遠(yuǎn)場，艦船輻射噪聲的聲壓和振速可以認(rèn)為是相關(guān)的，而環(huán)境噪聲場可近似認(rèn)為成各向同性噪聲場，這是聲壓與振速聯(lián)合信號處理抗干擾的基礎(chǔ)。利用實測的船舶噪聲，本文對自適應(yīng)線譜增強(qiáng)器在單輸入端為聲壓信號、雙輸入端為聲壓和振速信號時的性能進(jìn)行了分析研究。

1 自適應(yīng)譜線增強(qiáng)原理

自適應(yīng)譜線增強(qiáng)器 （簡稱ALE）最早是Widrow等人提出。目前，基于自適應(yīng)線性組合器的自適應(yīng)譜線增強(qiáng)器已廣泛應(yīng)用于頻譜估算、譜線估計以及窄帶檢測等領(lǐng)域。在窄帶信號加上寬帶信號的情況下，用自適應(yīng)譜線增強(qiáng)方法無需獨(dú)立的參考信號就能將信號分離出來。ALE的主要功能是從寬帶噪聲中分離出窄帶信號，它實際上是自適應(yīng)抵消器的典型應(yīng)用，其原理框圖如圖1。

圖1 自適應(yīng)線譜增強(qiáng)器原理框圖

如圖1所示，ALE的核心部分是一個自適應(yīng)噪聲抵消器。設(shè)輸入 x（k）是由單頻正弦信號 s（k）和噪聲 n（k）組成，將輸入x（k）延時△后作為抵消器的參考輸入。只要適當(dāng)?shù)剡x取延時Δ，使處理器上下兩個通道的噪聲去相關(guān)，而單頻信號由于其周期性仍具有很好的相關(guān)性。自適應(yīng)濾波器通過形成一個中心頻率為單頻正弦頻率的窄帶濾波器，使得延時通道輸入中的噪聲分量被抑制，而正弦信號分量被增強(qiáng)，即所謂的“自適應(yīng)線譜增強(qiáng)”；從而在求差過程中使直接輸入通道與y（k）中的信號分量相抵消，輸出的殘差噪聲功率最小。

實際中一般采用LMS運(yùn)算的橫向濾波器作為自適應(yīng)濾波器，自適應(yīng)線譜增強(qiáng)器的基本計算公式為：

式中：μ為自適應(yīng)迭代步長。

2 實船輻射噪聲線譜檢測

2.1 實船噪聲的采集

在漢江的太平碼頭附近，利用壓差式的矢量水聽器，通過自制的矢量聲信號采集系統(tǒng)對過往的船只進(jìn)行了實測。測量時，實驗船錨泊在該段河流的中間，將矢量水聽器固定于船尾的一側(cè)，入水下約1 m。實驗地點如圖2所示。

矢量聲信號采集系統(tǒng)由模擬處理板、數(shù)字處理板、磁羅經(jīng)、電源組成，原理框圖如圖3所示。實驗時，數(shù)據(jù)的采樣頻率為9.92 k，并被記錄在CF卡上。

圖2 實驗地點示意圖

圖3 矢量聲信號采集系統(tǒng)原理框圖

2.2 實船噪聲線譜的檢測

壓差式矢量水聽器輸出信號包括：聲壓信號p、水平方向上兩個正交的振速信號vx和vy。在后續(xù)處理的過程中發(fā)現(xiàn)，振速信號vx由于前放的原因，實船噪聲采集的不成功，故沒有用這路信號。被測船經(jīng)過矢量水聽器正橫時前后共計100 s的噪聲數(shù)據(jù)，如圖4、圖5所示。取實船噪聲信號p和vy中第60 s的數(shù)據(jù)為樣本，該樣本數(shù)據(jù)有9 920個點。用Welch法對這組數(shù)據(jù)的聲壓及振速信號樣本進(jìn)行FFT變換。在數(shù)據(jù)處理時，選取Hamming窗的長度為1 024點，并且將512個樣本數(shù)據(jù)重疊。得出0～4.96 kHz的功率譜分布，如圖6、圖7所示，由圖上可以發(fā)現(xiàn)在225 Hz有明顯的線譜存在。

運(yùn)用自適應(yīng)線譜增強(qiáng)器對這組聲壓信號進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，以便從輻射噪聲中提取線譜，所得結(jié)果的頻譜如圖8所示。從圖中可看出，實船輻射噪聲經(jīng)過自適應(yīng)線譜增強(qiáng)的數(shù)字處理后，能夠壓制背景噪聲，使225 Hz的線譜突出明顯，因此，能較容易提取出有用的特征線譜。

圖4 實船的聲壓信號

圖5 實船的振速信號

圖6 聲壓信號樣本的功率譜

圖7 振速信號樣本的功率譜

圖8 單端輸入線譜增強(qiáng)后的功率譜

將自適應(yīng)線譜增強(qiáng)器改進(jìn)為雙輸入端自適應(yīng)線譜增強(qiáng)器，原理框圖如圖9所示。令聲壓信號樣本為x1（t），振速信號樣本為x2（t），所得結(jié)果的頻譜如圖10所示。從圖中可看出，實船輻射噪聲經(jīng)過雙輸入端自適應(yīng)線譜增強(qiáng)的處理后，相比單輸入端增強(qiáng)器能更大程度地壓制背景噪聲，頻率為225 Hz的線譜更加突出。因此，線譜增強(qiáng)的效果后者要比前者強(qiáng)。

圖9 雙輸入端自適應(yīng)線譜增強(qiáng)器原理圖

圖10 雙輸入端線譜增強(qiáng)后的功率譜

3 結(jié)論

矢量水聽器可以同時測量輻射噪聲源的聲壓和振速。聲壓與振速是相關(guān)的，而噪聲近似是不相關(guān)的，將聲壓與振速分別輸入自適應(yīng)線譜增強(qiáng)器上下兩個通道，就可以將噪聲去相關(guān)，從而提高了輸出信號的信噪比。所以，雙輸入端自適應(yīng)線譜增強(qiáng)器要比單輸入端的效果要好。

[1]惠俊英,李春旭,梁國龍,等.聲壓和振速聯(lián)合信號處理抗相干干擾[J].聲學(xué)學(xué)報，2000，25（5）:389-394.

[2]孫貴青.矢量水聽器檢測技術(shù)研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué),2001.

[3]惠俊英,劉宏,余華兵,等.聲壓振速聯(lián)合信息處理及其物理基礎(chǔ)初探[J].聲學(xué)學(xué)報，2000，25（4）:303-307.

[4]楊西林,周金,土炳和,等.自適應(yīng)譜線增強(qiáng)在艦船輻射噪聲線譜檢測中的應(yīng)用[J].艦船科技技術(shù)，2009，31（3）：93-95.

[5]胡廣書.數(shù)字信號處理－理論、算法與實現(xiàn)[M]（第2版）.北京:清華大學(xué)出版社，2003.

[6]何振亞.自適應(yīng)信號處理[M].北京:科學(xué)出版社,2002：198-203.

Application of Adaptive Line Enhancement in Vector Hydrophone

HE Xi-ying1，2,LI Cheng-xin1,ZHANG Lei3,ZENG Yong-gang1,YUE De-jun1
(1.Unit 91004 of PLA,Dalian Liaoning 116031,China;2.Department of Information,Naval Command College,Nanjing Jiangsu 211800,China;3.North Sea Fleet Command Headquarter,Qingdao Shandong 266001,China)

A vector hydrophone can measure the pressure and particle velocity information of the same point in acoustic field simultaneously.In order to make use of the correlation between pressure and particle velocity,a double-input adaptive line enhancement(ALE)is designed.The ship radiated noise data are processed by the enhancement apparatus.The results indicate that the performance of double-input ALE is superior to single-input ALE’s and therefore the line-spectrum can be extracted handily.

vector hydrophone;ship radiated noise;adaptive line enhancement

TN911

A

1003-2029（2011）03-0068-04

2010-12-20

國家部委基金資助項目（4010709010201）

何希盈（1978-），男，博士，工程師，主要研究方向為軍用目標(biāo)特性。