基于矢量聲壓組合基陣的柱面分布噪聲源近場(chǎng)高分辨定位方法

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(guó)艦船研究設(shè)計(jì)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(chǎng)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(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北武漢430064

［目的］現(xiàn)有的水下噪聲源近場(chǎng)定位方法通常假設(shè)測(cè)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(cè)試中，同時(shí)常規(guī)近場(chǎng)聚焦波束形成應(yīng)用于柱面分布水下噪聲源定位時(shí)空間分辨率較低，基于聲壓基陣的水下噪聲源近場(chǎng)定位方法則存在左右舷模糊的問(wèn)題。為解決這一問(wèn)題，［方法］通過(guò)建立測(cè)量面為柱面分布的噪聲源近場(chǎng)測(cè)量模型，結(jié)合矢量水聽(tīng)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(chǎng)高分辨定位方法，并進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真驗(yàn)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(shí)現(xiàn)柱面分布的水下噪聲源近場(chǎng)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(shí)別。

水下噪聲源；近場(chǎng)；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(gè)方面：一是進(jìn)行噪聲測(cè)量與分析，掌握其噪聲特性；二是識(shí)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(chǎng)定位識(shí)別方法，以實(shí)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(wèn)題之一。

采用聲壓基陣在近場(chǎng)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(chǎng)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(duì)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(cè)量面，得到重建測(cè)量平面上的噪聲源空間位置分布。近場(chǎng)聚焦波束形成的測(cè)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(shí)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(hào)頻率，故在低頻段的空間分辨率較低。基于近場(chǎng)聚焦波束形成的常規(guī)噪聲源定位方法通常假設(shè)測(cè)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(chǎng)定位方法則存在左右舷模糊的問(wèn)題，易對(duì)噪聲源的真實(shí)位置判斷產(chǎn)生干擾。

多重信號(hào)分類（Multiple Signal Classification，MUSIC）算法對(duì)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(hào)分量對(duì)應(yīng)的信號(hào)子空間和噪聲子空間，利用2個(gè)子空間的正交性估計(jì)目標(biāo)方位，其空間分辨率高、估計(jì)精度高、穩(wěn)定性好。矢量水聽(tīng)器由傳統(tǒng)的聲壓水聽(tīng)器和質(zhì)點(diǎn)振速水聽(tīng)器復(fù)合而成，可以同步共點(diǎn)測(cè)量聲場(chǎng)中任意一點(diǎn)的聲壓和質(zhì)點(diǎn)振速的3個(gè)正交分量，同時(shí)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(tīng)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(cè)量和聲吶系統(tǒng)設(shè)計(jì)等水聲領(lǐng)域［5-8］。

本文擬通過(guò)建立測(cè)量面為柱面分布的噪聲源近場(chǎng)測(cè)量模型，利用矢量水聽(tīng)器的良好單邊指向性解決聲壓基陣近場(chǎng)噪聲源定位方法的左右舷模糊問(wèn)題，利用MUSIC算法的高分辨率特性解決常規(guī)近場(chǎng)聚焦波束形成的空間分辨率較低的問(wèn)題，提出基于矢量聲壓組合基陣的柱面分布噪聲源近場(chǎng)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(shí)現(xiàn)柱面分布的水下噪聲源近場(chǎng)精確定位，并通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真驗(yàn)證算法的有效性。

1 柱面近場(chǎng)測(cè)量模型

柱面基陣柱面近場(chǎng)測(cè)量模型如圖1所示。

圖1 組合基陣柱面近場(chǎng)測(cè)量模型Fig.1 Array combination of cylinder near-field measurement model

假設(shè)柱面S緊貼被測(cè)系統(tǒng)表面，即噪聲均從柱面S發(fā)出，因此,分析被測(cè)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(diǎn)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(hào)，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(hào)陣元設(shè)為相位參考點(diǎn)，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(diǎn)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(tīng)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(tīng)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(shí)現(xiàn)水下噪聲源近場(chǎng)定位時(shí)，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(chǎng)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(diǎn)聲源相對(duì)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(tīng)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(duì)應(yīng)的特征矢量張成的子空間，即信號(hào)子空間；UN為小特征值對(duì)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(chǎng)高分辨定位方法空間譜估計(jì)形式為

3 仿真計(jì)算結(jié)果分析

利用MATLAB軟件對(duì)文中算法的有效性進(jìn)行仿真驗(yàn)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(cè)量距離為3 m，圓柱半徑為4 m，空間中存在2個(gè)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(gè)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(gè)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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)距焦波束形成充分利用了MUSIC算法的高分辨率優(yōu)勢(shì)，可以進(jìn)行水下噪聲源近場(chǎng)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(chǎng)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(wèn)題。

2）在聲壓基陣中配置單個(gè)矢量水聽(tīng)器組成矢量聲壓組合基陣，利用矢量水聽(tīng)器的單邊指向性特點(diǎn)，有效抑制了近場(chǎng)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(lái)的干擾問(wèn)題。

4 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)基于近場(chǎng)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(tīng)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(chǎng)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(chǎng)定位中的左右舷模糊，實(shí)現(xiàn)柱面分布的水下噪聲源近場(chǎng)精確定位，并通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真，驗(yàn)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(shí)別，具有較強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用前景。

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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(chǎng)高分辨定位方法［J］.中國(guó)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(shí)間：

時(shí)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(shí)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