基于矢量声压组合基阵的柱面分布噪声源近场高分辨定位方法

1,陈欢2左翔1 201913海军驻上海江南造船(集团)有限责任公司军事代表室,上海2 430064中国舰船研究设计中心,湖北 武汉

Chinese Journal of Ship Research - - 中国舰船研究 -

摘 要:[目的]现有的水下噪声源近场定位方法通常假设测量面为平面,较难应用于柱面分布的水下噪声源目标测试中,同时常规近场聚焦波束形成应用于柱面分布水下噪声源定位时空间分辨率较低,基于声压基阵的水下噪声源近场定位方法则存在左右舷模糊的问题。为解决这一问题,[方法]通过建立测量面为柱面分布的MUSIC噪声源近场测量模型,结合矢量水听器的单边指向性和 算法的高分辨率特性,提出基于矢量声压组合基阵的柱面分布噪声源近场高分辨定位方法,并进行计算机仿真验证。[结果]研究结果表明,该方法采用较小的基阵孔径即可实现柱面分布的水下噪声源近场精确定位,[结论]可应用于大型圆柱类复杂系统的噪声源定位

识别。关键词:水下噪声源;近场;柱面分布;矢量声压组合基阵;高分辨定位中图分类号:TB535;U661.44 文献标志码:A DOI:10.3969/j.issn.1673-3185.2017.04.023

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 Abstract: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. Key words:underwater noise source; near-field;cylindrical distribution;vector sound pressure array; high-resolution location

声压组合基阵,即可实现柱面分布的水下噪声源0引言近场精确定位,并通过计算机仿真验证算法的有声隐身性能是衡量水下目标安全性和作战性 效性。能的重要指标,水下目标的结构庞大、系统复杂、1 柱面近场测量模型2噪声源众多,其噪声治理工作包括 个方面:一是1进行噪声测量与分析,掌握其噪声特性;二是识别 柱面基阵柱面近场测量模型如图 所示。主要噪声源,故研究适用于大型复杂系统工程的噪声源近场定位识别方法,以实现水下目标噪声源的精确定位,是噪声控制及减振降噪技术的关键问题之一。采用声压基阵在近场区域对水下目标辐射噪声空间分布进行精确定位的关键技术即近场聚焦波束形成,其利用声源到达各阵元的曲率半径不同,按球面波规律对基阵接收数据进行相位补偿。根据基阵与声源的空间位置重建测量面,得到重建测量平面上的噪声源空间位置分布。近场聚焦波束形成的测量区域可以大于基阵孔径,适用于高频、大尺度目标的噪声源定位识别,因其优良的宽容性和易操作性,得到了广泛应用[1-2],但 假设柱面S紧贴被测系统表面,即噪声均从发出,因此,分析被测系统表面的噪声源即柱面S其空间分辨率受限于基阵孔径和信号频率,故在是分析噪声源在柱面S上的空间分布。假设柱面低频段的空间分辨率较低。基于近场聚焦波束形i(i=1,2,…,I)的空间位置为半径为D,点声源成的常规噪声源定位方法通常假设测量面为平= (xi si θi ) ,发射频率为 fi 的单频信号,间距为 l面[3-4],较难应用于柱面分布的水下噪声源目标定m(m=1,2,…,的阵元 M)均匀水平布放于 x 轴,位,而基于声压基阵的水下噪声源近场定位方法1基阵与柱面S中轴线的距离为 y0 ,将 号阵元设则存在左右舷模糊的问题,易对噪声源的真实位为相位参考点,则矢量声压组合基阵接收到的声置判断产生干扰。Multiple Signal Classification, 压 pm (t) 和速度 v(t)为多重信号分类( MUSIC)算法对基阵接收数据协方差矩阵进行特 I å 1 pm (t) = si exp(-jki rmi)/rmi + Nm (t) ( )征分解,得到与信号分量对应的信号子空间和噪 i =1 2 åI 2声子空间,利用 个子空间的正交性估计目标方 vx (t) = Zi si exp(-jk ir0i)/r0i u + Nvx (t) ( ) xi i =1位,其空间分辨率高、估计精度高、稳定性好。矢

I 3 å

vy (t) = Zi si exp(-jk ir0i)/r0i u + Nvy (t) ( )量水听器由传统的声压水听器和质点振速水听器yi i =1复合而成,可以同步共点测量声场中任意一点的

I å vz (t) = Zi si exp(-jk ir0i)/r0i u + Nvz (t) ( ) 3 4声压和质点振速的 个正交分量,同时具有较好zi i =1的单边指向性和各向同性噪声抑制能力。随着矢以上式中: N (t) 为高斯白噪声;量水听器技术的日益成熟,其已被广泛应用于舰r = [(xi - 12 (m - 1)l)2 +( y -y )2 + z2 ,为点声源 i mi 0 i i艇辐射噪声测量和声呐系统设计等水声领域[5-8]。与阵元m之间的距离,其中 yi 和 zi 分别为点声源本文拟通过建立测量面为柱面分布的噪声源i的 y 向和 z 向坐标;ki = 2πfi /c ,为声源 i 的波数;近场测量模型,利用矢量水听器的良好单边指向Zi =(1 + jkir0i)/jkir0i ,为复阻抗;r0i 为点声源 i 与矢性解决声压基阵近场噪声源定位方法的左右舷模MUSIC糊问题,利用 算法的高分辨率特性解决常量水听器之间的距离; uxi = sin θi sin φi ,规近场聚焦波束形成的空间分辨率较低的问题, uyi = cos θi sin φi ,uzi = cos φi ,其中 θi ,φi 分别为点提出基于矢量声压组合基阵的柱面分布噪声源近声源 i与矢量水听器之间的方位角和俯仰角。场高分辨定位方法。采用较小基阵孔径的矢量—设原点处声压阵元的方向矢量 为1 exp(-jk1r01) 1 exp(-jk r02)  1 exp(-jkI r0I) 2 r01 r02 r 0I

矢量声压组合基阵中声压基阵的方向矢量 A为r1 exp(-jk1r11) r1 exp(-jk r12) 2 11 12 1 exp(-jk1r21) 1 exp(-jk r 22) A= 2 r r 21 22

  1 exp(-jk1rM1) 1 exp(-jk rM2) rM1 rM2 2

单矢量水听器的方向矢量b为b= Za0 ⊗u (7 )

其中:

Z =[Z1 Z2 I] 8  Z () ux ux1 ux2  uxI u= uy = uy1 uy2  uyI (9 ) uz uz1 uz2  uzI将式(1)~式(4)的基阵接收数据转换为矩阵形式:

x(t) =B ´ s + n(t) (10)

=[其中: (t)]T x(t) p 1 (t) p 2(t)  pM (t) vx (t) vy (t) vz ( 11 ) =[n1(t) (t)]T n(t) n 2(t)  nM (t) nvx (t) nvy (t) nvz (12)式中:x(t)为矢量声压组合基阵的接收数据矢量;

B= [a 0A b]T ,为 组 合 基 阵 的 方 向 矢 量 ; s= [s1 s2  s ]T ,为组合基阵的声源矢量;n(t) 为I组合基阵的接收背景噪声矢量。矢量声压组合基阵的方向矢量中包含位置信息、强度信息,以及由矢量水听器复阻抗引起的声压与振速通道的相位差信息。因此,利用矢量声压组合基阵实现水下噪声源近场定位时,除了考虑相位补偿以外,还应考虑复阻抗补偿。

2 组合基阵柱面MUSIC近场高分辨定位方法

组合基阵接收数据矢量为 x(t)= [ (t)]T p(t) vx (t) vy (t) vz ,构造接收数据协方差矩阵[ H(t)] R= E x(t)x ,建立如下约束条件:

min subjust to d(x θ) (13) H Rw H = 1 w w c(x θ)式中: c(x θ) 为声源与组合基阵的距离矢量; d(x θ)为点声源相对于组合基阵的相位补偿向量

和复阻抗补偿向量,其形式为d(x θ) =[exp(-jkr1) exp(-jkr 2)  exp(-jkrM )

exp(-jkr0)] z0 ux0 exp( - jkr0) z0 uy0 exp(-jkr0) z0 uz0 (14)式中:rM 为声源与阵元 M 之间的距离;r0 为声源与矢量水听器之间的距离。将基阵接收数据协方差矩阵 R进行特征分解: å å (15) R = US + U SU SH NUN H N式中:US为大特征值对应的特征矢量张成的子空

间,即信号子空间;U 为小特征值对应的特征矢N量张成的子空间,即噪声子空间。MUSIC组合基阵柱面 近场高分辨定位方法空间谱估计形式为

1 (16)

P(x θ) = | |

d H(x θ)U U H d(x θ) N N

3 仿真计算结果分析

MATLAB利用 软件对文中算法的有效性进行18仿真验证。设由 元各向同性的阵元构成等间1m距均匀线阵,放置于 x 轴正向,阵元间距为 ,测3m 4m 2量距离为 ,圆柱半径为 ,空间中存在 个强度相同的非相干声源,背景噪声为高斯白噪声,信10 dB。噪比1)仿真工况1。设2个声源位置分别为( x1 , )=(-3,90°),( )=(3,90°),工作频率为θ1 x2 ,θ 2 400 Hz,仿真结果如图2所示。2)仿真工况2。设2个声源位置为( x1 ,θ1 )= (-2,60°),( 2)=(2,120°),工作频率为750 Hz, x2 ,θ 3仿真结果如图 所示。2 3根据图 和图 的仿真结果,得到如下结论:

(b)柱面MUSIC近场聚焦波束形成图3组合基阵柱面近场聚焦波束形成(f=750 Hz) Fig.3 The cylinder near-field focused beamforming of the combination array(f=750 Hz) 1 MUSIC )基于矢量声压组合基阵的 近场距MUSIC焦波束形成充分利用了 算法的高分辨率优势,可以进行水下噪声源近场精确定位,即使在低频段也能获得较高的空间分辨率,解决了传统近场聚焦波束形成方法的空间分辨率受限于噪声源工作频段的问题。2)在声压基阵中配置单个矢量水听器组成矢量声压组合基阵,利用矢量水听器的单边指向性特点,有效抑制了近场定位的左右舷模糊,解决了水下噪声源分辨中由于左右舷模糊带来的干扰问题。

4结语

针对基于近场聚焦波束形成的水下噪声源定 位方法的不足,本文结合矢量水听器的单边指向MUSIC性和 算法的高分辨率特性,提出了基于矢量声压组合基阵的柱面分布噪声源近场高分辨定位方法,采用较小基阵孔径的矢量声压组合基阵,即可有效抑制近场定位中的左右舷模糊,实现柱面分布的水下噪声源近场精确定位,并通过计算机仿真,验证了算法的有效性。该方法适用于大型圆柱类复杂系统的噪声源定位识别,具有较强的实际应用前景。

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