船舶辐射噪声无失真获取技术_张敬礼.pdf

2022年第46卷第10期14水 声 工 程nderwater Acoustic EngineeringU文献引用格式：张敬礼.船舶辐射噪声无失真获取技术 J.电声技术，2022，46（10）：14-16.ZHANG J L.Undistorted measurement techniques for ship-radiated noiseJ.Audio Engineering，2022，46（10）：14-16.中图分类号：TB532 文献标识码：A DOI：10.16311/j.audioe.2022.10.004船舶辐射噪声无失真获取技术张敬礼（大连测控技术研究所，辽宁 大连 116013）摘要：船舶水下辐射噪声具有频带覆盖范围宽、幅值动态范围大等特点。为了准确地获取被测船舶的水下辐射噪声的频谱特征，需要在较宽的频带上研究船舶水下辐射噪声的水声阵列处理问题。本文主要研究船舶宽频带水下辐射噪声的水声阵列处理方法。首先研究基于嵌套直线阵的恒定束宽波束形成原理，建立仿真模型；其次，在获得的嵌套阵模型基础上，设计远场条件下的宽频带恒定束宽波束形成器；最后通过数据仿真验证文中所提方法的有效性。关键词：水下辐射噪声；恒定束宽波束形成；规范化流程Undistorted Measurement Techniques for Ship-Radiated NoiseZHANG Jingli(Dalian Scientific Test and Control Technology Institute,Dalian 116013,China)Abstract:The underwater radiated noise of ships has the characteristics of wide frequency band coverage and large amplitude dynamic range.In order to accurately obtain the spectrum characteristics of the underwater radiated noise of the measured ship,it is necessary to study the underwater acoustic array processing of the underwater radiated noise of the ship in a wide frequency band.This paper mainly studies the underwater acoustic array processing method of ship broadband underwater radiated noise.Firstly,the principle of constant beamwidth beamforming based on nested linear array is studied,and the simulation model is established;Secondly,based on the obtained nested array model,a broadband constant beamwidth beamformer under far-field conditions is designed;Finally,the validity of the proposed method is verified by data simulation.Keywords:radiated noise;beamform;broadband array processing0 引 言随着现代船舶设计水平提高，建造技术进步，船舶减振降噪技术得到了快速发展，船舶水下辐射噪声水平显著降低。美、俄等世界海军强国纷纷推出低噪声军用/民用船舶 1。船舶水下辐射噪声的特点是覆盖的频带范围较宽。因此，为了准确、全面地评价船舶水下辐射噪声频谱特征，需要在较宽的频带上研究船舶水下辐射噪声的水声阵列处理问题。在恒定束宽波束形成技术的研究中，智婉君等给出了一种基于空间重采样方法设计得到的宽带波束形成器2，此外还有道夫-切比雪夫加权法、Taylor 加权法、乘幂法 3-4 等常规设计方法。对于非线列阵方面，张保篙、朱维杰等人提出了一种基于自适应原理的波束优化方法 5。杨益新等提出了一种可以适用于任意结构的平面阵宽带波束形成器设计方法 6。唐建生等提出了一种可用于阵元自身具有指向性条件下的任意结构阵列的恒定束宽波束形成优化设计方法 7。本文提出并研究船舶水下辐射噪声测量的水声阵列处理技术，重点研究远场条件下船舶水下辐射噪声宽频带信号无失真获取技术。1 恒定束宽波束形成原理船舶水下辐射噪声是宽带信号。经典波束形成器的原理是，首先通过对水听器基阵中各个阵元的输出信号进行幅度加权，其次，用时延滤波器或者数字延迟线等方法实现各个阵元输出信号的精确时延，最后把各路经过加权和延迟处理的输出信号进行相加，最终得到整个基阵的输出信号。然而，2022年第46卷第10期15Underwater Acoustic EngineerinG水 声 工 程对于一个结构已经设计好的水听器基阵，不同频率的信号通过该基阵系统时，各个阵元叠加所形成的空间滤波器的频响函数是不相同的。因此，通过该水听器基阵的宽频带信号将会产生频率畸变，尤其是信号带宽越大，偏离波束主轴方向越远的频率分量，频率畸变影响越发明显。解决这一问题的一种有效方法就是设计恒定束宽波束形成器，使得基阵系统对应不同频率的输入信号时保持相同的空间滤波响应特性。恒定束宽波速形成器的概念就是在解决宽频带信号通过水听器基阵系统产生畸变这一问题时提出的。从针对不同的对象和用途以及不同的阵型的各种设计方法上看，基本上有以下两种设计思路：随频率的变化而改变基阵的阵元数或基阵等效孔径，随频率的变化而改变基阵各阵元的振幅权值。综合前文研究结论可知，恒定束宽波束的设计，实质上就是给水听器基阵的各个阵元附加随频率变化的振幅加权，使接收到的宽带信号首先通过一组滤波器后再进行线性叠加。2 嵌套阵列结构设计嵌套直线阵是由若干结构相似的均匀线列子阵嵌套组成的一套非均匀线性阵列。在信号处理过程中，将需要处理的宽频带信号按照频率倍数的关系分成和嵌套子阵数目相同个数的倍频程子带信号，每组子阵负责处理一个倍频程的子带信号。这种嵌套结构的优点是阵列中的每组子阵能够进行并行处理。此外，由于整套水听器阵列是由若干个子阵嵌套组成，所以整个阵列所需要的阵元数量相比于均匀线列阵的宽带阵列处理器有效减少。这样做，一方面节约了建设成本，另一方面减少了阵元间的耦合。本文提出的恒定束宽波束形成理论主要是基于嵌套直线阵的。正如前面所述，采用嵌套阵列，能够把频带范围较宽的信号分为多个频带范围较小的子带信号，对于各个不同的子带划分采用相应阵列孔径的子阵进行合成处理。考虑到嵌套阵列各子阵波束形成器具有相同的实现结构，因此，下面给出一个倍频程带宽内，进行嵌套结构基阵宽带恒定束宽波束形成器的设计思路8。（1）首先根据低频 f1设计一个符合给定束宽的低频水听器子阵 A。当该子阵接收信号的频率在 f1f2范围内逐渐增加时，叠加后得到的波束宽度必然会变得越来越尖锐。（2）根据高频 f2=2f1按给定的束宽要求再设计一个高频水听器子阵 B。高频子阵和低频子阵的基阵结构相同，因此将这两个子阵称为相似基阵。需注意的是，高频水听器子阵在 f2=2f1处的波束是会变宽的。（3）最后再对得到的两个子阵进行线性组合，这样合成后的波束主瓣宽度在 f1f2频率范围内将保持恒定。本文的重点是研究水声远场条件下的嵌套直线阵列恒定束宽波束设计问题。在远场条件假设下，本文进行几点近似，将问题简化。首先认为接收到的信号可以近似为平面波；其次，水声传播介质是无损的、线性的、非扩散性的、均匀且各向同性的；再次，阵元自身的几何尺寸远小于入射信号的波长，而且各个阵元均不具有无指向性，可近似认为接收阵元是点源，空间增益为 1；此外，由阵元间产生的干涉影响忽略不计；最后认为海洋背景噪声是高斯白噪声，即噪声与信号不相关。虽然在无限空间中，由点源辐射的声波以球面波向外传播，但是只要接收基阵离声源足够远，在接收声波的局部区域内，波阵面就近似为平面波。对传输介质的限制是为了简化传播模型，即只考虑传播距离对信号的影响。3 声阵处理方法声阵信息处理流程的规范化，是提高数据可靠性、高效分析的前提。通过对相应信息处理方法进行改进及试验验证，逐步形成一套合理的声阵信息处理方法流程，并编制相应软件，最终满足声阵信息处理方法对工程实际数据分析要求。参照现有单水听器测量标准，首先需要获取声阵处理需要的相关信息，包括由测量水听器接收到的舰船辐射噪声信号；由同步钟测距技术获取的舰船等效声中心与各阵元的相对位置信息，得到实测阵列流形矢量；由标准试验室校准的水听器幅度、相位灵敏度信息。其次，对测量水听器接收到的舰船辐射噪声信号进行加窗分帧处理，选取 8 s 长度数据进行分析，窗长为 1 s，50%混叠；利用校准好的阵元灵敏度和相位信息，对水听器的各通道做幅度相位补偿处理；对加窗分帧后的数据进行频率加权，最后，对2022年第46卷第10期16水 声 工 程nderwater Acoustic EngineeringU经过波束形成处理的信号进行目标声源级换算，获得总声级和 1/3oct 频带声压级，实现目标辐射噪声量级评价。4 数值仿真为验证本文方法的有效性，对前文设计完成的嵌套直线阵恒定束宽波束形成器进行数值仿真验证。仿真中，采用起始频率 800 Hz、终止频率 1 600 Hz 的线性调频信号作为目标信号，并用800 1 600 Hz 限带的高斯白噪声作为干扰信号。仿真中均假设只存在一个噪声源，直线阵垂直布放，声源与阵中心距离。仿真条件：发射声源位于接收基阵远场区域，基阵垂直布放，声源与阵中心位于同一深度。图2 给出了阵列输出结果与单阵元输出结果对比情况。0-2-10120.01 0.02幅度幅度0.03 0.04 0.05时间/s1#阵元输出信号时域波形基阵输出信号时域波形0.06 0.07 0.08 0.09 0.100-2-10120.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.10 80040414243444546474849509001 0001 1001 200频率/Hz幅度/dB基阵输出信号频谱1#阵元输出信号频谱1 3001 4001 5001 600（a）时域波形对比（b）频谱对比图 2 仿真数据处理结果5 结 语本文主要研究基于嵌套阵列的船舶水下辐射噪声宽频带阵列处理方法。首先，以嵌套直线阵为研究基础，实现了远场条件下的恒定束宽波束形成器设计；其次，制定船舶水下辐射噪声水声阵列处理的规范化流程；最后，以仿真线性调频信号作为输入数据，仿真验证了本文提出方法的有效性。数值仿真结果表明，采用嵌套结构的直线水听器阵列进行船舶水下辐射噪声测量，可以有效抑制背景噪声干扰，提高测量信噪比。参考文献：1 王之程，陈宗岐，于沨，等.船舶水下辐射噪声测试与分析 M.北京：国防工业出版社，2004.2 智婉君.水下宽带阵列信号处理的高分辨技术研究 D.西安：西北工业大学，1998.3 TAYLOR T T.Design of line-source antenna for narrow beamwidth and low side lobesJ.Transactions of the IRE Professional Group on Antennas and Propagation，1955，3（1）：16-28.4 VILLENEUVE A T.Taylor patterns for discrete arraysJ.Transactions of the IRE Profe