NEMS矢量水聽器的海上實驗研究

劉 宏，劉慧敏，張國軍，葛曉洋，薛 南

(1.中北大學儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室，山西 太原 030051;2.北京航天控制儀器研究所，北京 100854)

0 引言

對于主要在水下活動的潛艇，隱蔽性是其戰(zhàn)斗力和安全性的基本保證。因此，暴露性器材的使用受到嚴格控制，目標識別主要依靠艦船輻射噪聲特征信息的提取來進行［1］，艦船輻射噪聲的功率譜是一種典型的連續(xù)譜和線譜的疊加，它們從2個方面反映了艦船的特征，可根據(jù)線譜特征對目標進行識別分類，其中線譜主要集中在1000 Hz以下。

線譜是水中目標輻射噪聲譜中的重要成分，它們往往攜帶著重要的特征信息。利用線譜一方面可以發(fā)現(xiàn)低噪聲目標，大幅度提高聲吶的探測距離;另一方面可根據(jù)線譜特征對目標進行識別。因此，研究低頻段線譜無論是對目標自身隱蔽性還是遠距離探測目標都具有重要意義，同時也可能給艦船的減振降噪帶來突破性的進展［2］。

NEMS矢量水聲傳感器具有很好的低頻探測性能、高靈敏度和一致性好等優(yōu)點，其結構及工作原理，張文棟等在相關文獻中已詳盡闡述［3－5］。本文首先介紹NEMS矢量水聽器的定向原理，給出一種CZT變換提取線譜的方法。為驗證NEMS矢量水聽器在海洋環(huán)境中的實用性，進行海上實驗，利用采集到的某運動船只的輻射噪聲數(shù)據(jù)，提取該商船的特征線譜后進行航跡跟蹤。

1 NEMS矢量水聽器的定向原理

在各向同性的均勻流體介質中，有一個位于u方向的聲源，u為其單位矢量，NEMS矢量水聽器是二維的，能同時測量聲場中質點振速v(t)的2個正交分量vx(t)和vy(t)，因此u=［cosαosinαo］T，αo∈［0，2π)。聲源發(fā)出的聲波S(t)入射到位于坐標原點的水聲矢量傳感器上。需利用矢量水聽器的測量信息估計聲波的到達方向αo?？梢哉J為，NEMS矢量水聽器由處在同一空間位置上的1個聲壓傳感器和2個分別測量質點振速的X向和Y向分量的振速傳感器構成，除接收聲場的標量參數(shù)聲壓P外，同時接收聲場的矢量參數(shù)——質點振速v=［vxvy］。

簡諧平面波聲壓可表示為

式中:k為波矢量，k=ku，k為波數(shù)。在均勻介質中聲場的運動方程為

式中ρo為介質密度。將式(1)代入式(2)可得:

式中ρoc為平面波阻抗，c為聲傳播速度。在遠場，波阻抗為實數(shù)，式(3)表明，聲壓p與振速vx和vy有完全相同的波形，是完全相關的。

忽略反映NEMS矢量傳感器聲壓振速靈敏度差和波阻抗等的常系數(shù)，由式(3)可得矢量傳感器的2路振速輸出分別為:

由式(4)可以得出聲源在方位角，因此測得質點的振速vx和vy就可以確定聲源的方位角，這就是NEMS矢量水聽器的定向原理。

2 線譜提取方法

以艦船輻射噪聲作為源信號，海洋環(huán)境噪聲作為干擾信號，利用平滑平均周期圖法的功率譜估計［6］，分析上述2種噪聲的功率譜密度特性，通過對比判斷艦船輻射噪聲的大致頻段，再利用CZT變換［7］細化這個特征頻段，提取特征線譜。

分析信號頻譜時，所做實驗設信號采樣頻率為10 kHz，頻譜分辨率是0.1 Hz，從Δf=fs/N可以得出，因為需要對100000個點作FFT，所以這需要有很強的運算能力和儲存能力。然而，艦船輻射的噪聲中，只對某根線譜進行不斷跟蹤，所以只要求知道該線譜附近局部范圍內(nèi)的精細譜結構。頻譜的采樣集中在這一頻帶內(nèi)，使得局部頻段內(nèi)的分辨能力提高，即進行細化譜分析。本文采用CZT變換，是為了達到頻譜細化的目的。只要是在單頻率成分或者譜線之間相距較遠時，CZT可任意提高分辨率，能夠更好地對艦船輻射的線譜進行分析。

通過計算機仿真對FFT和CZT進行對比。仿真的信號為3個正弦信號的疊加，頻率分別為25.68 Hz，26 Hz，26.78 Hz。采樣率設為256，采樣點數(shù)n為512。當進行CZT變換時，可以直接選擇20～30 Hz的頻段進行細化，這中間間隔的點數(shù)為256。采用FFT和CZT實現(xiàn)信號譜分析的Matlab仿真如圖1所示。從直接利用FFT變換后的功率譜圖可以看出，這3個頻率已經(jīng)分辨不清。而利用CZT變換后的功率譜圖，這3個頻率可以分辨得很清楚，其分辨力可達0.32 Hz。由此可見，通過CZT可以使頻譜細化，提高分辨力。

圖1 FFT譜分析與CZT的譜分析Fig.1 CZT spectral analysis and FFT spectral analysis

3 海試數(shù)據(jù)分析

實驗選在淺海環(huán)境下，實驗目標為某運動的船只。該船只大約距離水聽器26 m，以2.6 kn的速度航行。用單NEMS矢量水聽器通過使用NI數(shù)據(jù)采集卡采集船的輻射噪聲，采樣率設為10 kHz。

實驗數(shù)據(jù)分析主要有2點:1)利用CZT方法提取線譜;2)利用NEMS矢量水聽器在海洋環(huán)境中跟蹤船只的航跡。圖2所示為實驗所用的新型NEMS矢量水聽器。

圖2 NEMS矢量水聽器Fig.2 NEMS vector hydrophone

3.1 船只的線譜提取

首先，通過觀察海洋環(huán)境噪聲頻譜與背景干擾下船只輻射噪聲頻譜進行對比分析。

圖3 譜對比Fig.3 Spectral comparison

從圖3可看到，該船只的輻射噪聲頻率主要集中在幾十至1000 Hz左右這個范圍內(nèi)，之后用CZT對這段頻率譜進行分析，縮小頻率范圍，圖4為細化后的頻譜圖形，從圖中可看到，有2根頻率為112.47 Hz和215.98 Hz的線譜十分明顯。

圖中還顯示該船輻射的噪聲能量主要在窄帶為幾十至380 Hz范圍內(nèi)，這有可能是船只主機、輔機等各種動力設備機械振動產(chǎn)生的噪聲［2，8］。

3.2 船只的航跡跟蹤

圖4 細化后的頻譜Fig.4 Spectrum after detailed

首先安裝好水聽器與電磁羅經(jīng)，船只在距水聽器50 m處從水聽器的X路(0°)方向開始做圓周運動航行，時間為0～20 s。運用波束形成法來確定該船的運動軌跡［9］。圖5(a)為水聽器采集到的原始數(shù)據(jù)進行的方位歷程估計;圖5(b)為進行濾波后的數(shù)據(jù)，得到線譜。對比圖5(a)和圖5(b)可以看出，前文中確定的線譜是正確的，且得出NEMS矢量水聽器能夠在海洋環(huán)境中跟蹤運動船只的航跡。

圖5 方位歷程圖Fig.5 Bearing time

4 結語

本文以NEMS矢量水聽器為前提，提出一種提取線譜的方法，通過計算機仿真，結果表明:CZT方法在頻率的分辨力上要優(yōu)于FFT變換，其分辨力可達0.32 Hz。通過分析海上航行船只采集到的實驗數(shù)據(jù)，單NEMS矢量水聽器就能夠實現(xiàn)在真實的海洋環(huán)境中對運動的船只進行航跡跟蹤，CZT方法能夠應用于船只線譜的提取且提高頻譜的分辨能力，對今后的研究奠定了一定的基礎。

［1］李訓誥，周利輝.艦船噪聲小波譜提取方法研究［J］.應用聲學，2009，28(5):367 －371.

［2］劉曉亮，陳立綱，石勇，等.一種估計水中目標輻射噪聲線譜的方法［J］.艦船科學技術，2007，29(6):70 －72.

［3］ZHANG W D，XUE CH Y，XIONG J J，XIE B.Piezoresistive effects of resonant tunneling structure for application in micro－sensors［J］.Indian Journal of Pure ＆Applied Physics，2007，45:294 －298.

［4］XUE CH Y，TONG ZH M，ZHANG B Z，ZHANG W D.A novel vector hydrophone based on the piezoresistive effects of resonant tunneling diode［J］.IEEE Sensors Journal，2008，8(4):401 －402.

［5］謝斌，薛晨陽，張文棟，等.硅微仿生矢量水聲傳感器研制［J］.傳感技術學報，2006，19(5):2300 －2303.

［6］王鳳瑛，張麗麗.功率譜估計及其MATLAB仿真［J］.微計算機信息，2006，22(3):287 －289.

［7］程佩青.數(shù)字信號處理教程［M］.北京:清華大學出版社，2007.176 －182.

［8］R.J.尤立克.水聲原理［M］.哈爾濱:哈爾濱船舶工程學院出版社，1985.

［9］關凌綱，張國軍，薛晨陽.基于納機電矢量水聽器的水下目標估計［J］.海洋技術，2009，28(2):43 －46.