基于超指向性小孔径圆柱阵的舰船辐射噪声源分辨方法技术

本发明专利技术提供了一种基于超指向性小孔径圆柱阵的舰船辐射噪声源分辨方法，提出了采用超指向性小孔径圆柱阵实现舰船辐射噪声源分辨；利用测量基阵各阵元接收环境噪声信号之间的相关特性设计出超指向性加权向量，以实现窄波束宽度和高增益处理系统；在六亮点目标模型的假设下，通过计算机仿真给出了这种基于超指向性小孔径圆柱阵舰船辐射噪声源分辨的结果；与常规波束形成进行对比仿真研究，证明了该发明专利技术在舰船辐射噪声源分辨问题上的优越性。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术提供了一种，提出了采用超指向性小孔径圆柱阵实现舰船辐射噪声源分辨；利用测量基阵各阵元接收环境噪声信号之间的相关特性设计出超指向性加权向量，以实现窄波束宽度和高增益处理系统；在六亮点目标模型的假设下，通过计算机仿真给出了这种基于超指向性小孔径圆柱阵舰船辐射噪声源分辨的结果；与常规波束形成进行对比仿真研究，证明了该专利技术在舰船辐射噪声源分辨问题上的优越性。【专利说明】
本专利技术涉及一种舰船辐射噪声测量方法。
技术介绍
目前，国内外有多种舰船辐射噪声的测量方法，大致可以划分为:1)利用单水听器的方法，2)利用水听器簇的方法，3)利用水平阵和垂直阵的方法，4)利用圆柱阵的方法，5)利用合成孔径的方法。而在每种方法中，水听器或基阵的使用方式也各有不同。随着减振降噪技术的不断发展，其辐射噪声级越来越低，对其进行准确测量并分辨噪声来源更加困难，为此多个国家不惜耗巨资开展测量系统集成技术研究和建造海上噪声试验场及可移动式的测试平台。如美国建立的大西洋水下试验与鉴定中心，法国与意大利海军设立了基于近场全息法的大型垂直线阵测试系统，俄罗斯在远东和北海建有固定的大型综合试验场，研制了组合式矢量水听器测试系统。而信号处理和计算机能力的不断增强为舰船辐射噪声的测量与噪声源分辨提供了可能和技术保障。20世纪90年代起，为了能够更有效地测量水下目标辐射噪声，采用大孔径基阵测量的方法得到了飞速发展。近年来，矢量传感器由于其自身具有指向性，引起了广大研究人员的青睐，基于单个矢量水听器和由矢量水听器垂直线阵测量潜艇辐射噪声的方法，不仅有较高的阵增益，基阵孔径比常规声压阵小，还能克服在辐射噪声测量中左右舷模糊的问题(韩荣荣.基于矢量水听器的宽带辐射噪声测量方法研究.哈尔滨工程大学硕士学位论文.2009.)。被动合成孔径测量目标辐射噪声(魏建新.被动合成孔径声纳辐射噪声测量方法研究.哈尔滨工程大学硕士学位论文，2009.)，该方法可以有效减小阵列孔径，具有较高的阵增益和方位分辨力。舰船辐射噪声是典型的宽带信号，均匀线阵的指向性是频率的函数，在接收阵尺寸固定的情况下，波束宽度随频率的增高而变窄，这样噪声测量就会产生频率畸变，恒定束宽波束形成技术因其在不同频率波束宽度保持一致，能有效地解决常规阵处理基阵输出信号频率失真的问题，然而用该方法实现舰船辐射噪声源分辨比较困难。辐射噪声源位置及噪声级是表征舰船辐射噪声的两个最基本的量，对舰船多个输射噪声源进行有效分辨是实现舰船不同部位辐射噪声测量的前提。舰船辐射噪声主要包括机械噪声、螺旋桨噪声和水动力噪声(刘伯胜，雷家煜.水声学原理.哈尔滨船舶工业学院出版社，1993.)。机械噪声是指舰船航行或作业时各种机械振动通过船体向水中辐射而形成的噪声，如主机和辅机等的运作；螺旋桨噪声是由旋转着的螺旋桨所辐射的噪声，包括螺旋桨空化噪声和螺旋桨叶片振动时所产生的噪声；水动力噪声由不规则的、起伏的海流流过运动舰船表面而形成，是水流动力作用于舰船的结果，其主要集中在迎流部位。对于给定的航速和深度，存在一个临界频率，低于此频率时，舰船辐射噪声谱的主要成分则是舰船机械和螺旋桨的线谱，高于此频率时，谱的主要成分则是螺旋桨空化的连续谱。通常，舰船和潜艇的临界频率约在100?1000Hz之间，它取决于船的种类、航速和深度(何正耀，张翼鹏.舰船辐射噪声建模及仿真研究.电声技术，2005 ; 12: 52-55.)。舰船辐射噪声组成极其复杂，受舰船尽寸的影响，各噪声源间距较小，其频谱成分相互叠加，使得进行舰船辐射噪声源分辨这一问题成为一大难点，也是工程上亟待解决的难题。因此，急需开展高分辨信号处理算法研究。在常规阵列信号处理中，基阵相邻阵元的间隔为信号波长的一半，如果声纳的工作频段比较低，为了得到一定的空间处理增益，就会使得声纳基阵的体积变得非常庞大，不利于实际应用和工程实施。超增益处理方法对于解决这个难题具有重要指导意义(Y.L.Ma,B.S.Zhang.1nvestigation to the supergain hydrophone arrays for widebandapplication in isotropic ambient noise field.Proceedings of ECUA2000, Lyon,France:2000,1043-1048.)。相对于常规阵而言，超增益阵在低频段有较大的优势，一个较小尺度的基阵，通过超增益处理，可以获得可观的空间处理增益，这对于实现舰船低频辐射噪声源分辨提供了思路。
技术实现思路
为了克服现有技术的不足，本专利技术提供一种超指向性小孔径圆柱阵实现舰船辐射噪声源分辨的方法。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤:1.建立测量水听器阵输出信号模型均匀圆柱阵由N个阵元个数为M的均匀圆环阵等间隔排列而成，均匀圆环阵的半径为a，相邻两圆环阵的间隔为d;当入射信号为平面波信号时，任意均匀圆环阵阵元相对于坐标X轴的角度为【权利要求】1.一种，其特征在于包括下述步骤:(O建立测量水听器阵输出信号模型均匀圆柱阵由N个阵元个数为M的均匀圆环阵等间隔排列而成，均匀圆环阵的半径为a，相邻两圆环阵的间隔为d;当入射信号为平面波信号时，任意均匀圆环阵阵元相对于坐标X轴的角度为YK=0,β,2β,...,(M-1)β,β=2π/M则阵元相对于坐标原点的位置矢量 【文档编号】G01S5/28GK103438987SQ201310390863【公开日】2013年12月11日 申请日期:2013年8月30日 优先权日:2013年8月30日 【专利技术者】孙超, 向龙凤, 马远良, 杨益新, 杨坤德 申请人:西北工业大学本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于超指向性小孔径圆柱阵的舰船辐射噪声源分辨方法，其特征在于包括下述步骤：?（1）建立测量水听器阵输出信号模型?均匀圆柱阵由N个阵元个数为M的均匀圆环阵等间隔排列而成，均匀圆环阵的半径为a，相邻两圆环阵的间隔为d；当入射信号为平面波信号时，任意均匀圆环阵阵元相对于坐标X轴的角度为γk=0，β，2β，...，(M?1)β，β=2π／M，则阵元相对于坐标原点的位置矢量Pk，l=a[cos(γk)，sin(γk)，(l?1)d]T，式中，k=1，2，...，M表示单个均匀圆环阵阵元编号，l=1，2，...，N为圆环阵编号，符号T表示求转置；归一化信号方向矢量?其中，信号方位角为θ，俯仰角为则声程差Δdk，l=PsTPk，l；当入射信号为CW信号，基阵输出信号?式中，分别表示第p=kM+l，(p=0，1，...，MN?1)号阵元接收到的时域信号和权值，其中，上标*为求共轭，t为时间，W=[w0，w1，...，wMN?1]T为加权向量，?为基阵接收信号矩阵，当入射信号频率为f0时，阵元输出信号可进一步写为式中，A为信号幅值，U为信号导向矢量，?其中，为相位，c为声速，Δdp=Δdk，l;可得基阵输出信号（2）求解最优加权向量?定义基阵波束幅度响应B(θ，φ)=|WHU|，当信号入射方向一定时，基阵波束输出的幅度响应由加权向量W确定；在声纳信号处理中，假定圆柱阵接收数据向量X=Xd+Xn，式中，Xd和Xn分别为期望信号和噪声信号，则基阵输出功率谱Bf(θ，φ)=WHRXW=WHRdW+WHRnW，式中，RX，Rd和Rn分别为接收数据向量、信号向量和噪声向量的协方差矩阵，RX=E{XHX}，定义基阵的空间增益为基阵的输出信噪比和参考阵元输出信噪比，则空间增益?式中，P为归一化信号协方差矩阵，P=UUH，Q为归一化噪声协方差矩阵，令增益G为最大值，可以得到当加权向量W满足上式时，基阵输出信噪比最大，即可获得最大的空间处理增益；基阵的常规处理增益?在空间均匀噪声场中，当阵元间隔等于λ／2时，λ为信号波长，各阵元接收到的噪声信号互不相关，Q退化成单位阵，这时，G0=Gc；当阵元间隔小于λ／2时，G0>Gc，基阵各阵元接收噪声信号是相关的，在各向同性噪声场中，其相关系数?式中，k=ω/c为波数，ω为角频率，Δlp，q表示编号为p和q阵元之间的距离，p，q=0，1，2，...，MN?1；p和q阵元的位置坐标可表示为?式中，θp和θq分别为第p号、第q号阵元与坐标轴X轴的水平夹角，ceil(·)为向上取整。则有可得噪声相关矩阵为式中，ρp，q=ρq，p，ρp，p=1，则Q为对称正定矩阵，可得具有超指向性基阵的最优权及最大阵增益值；?（3）实现舰船辐射噪声多源分辨?将步骤2计算出的最优加权向量代入基阵输出功率谱，可得舰船辐射噪声源方位谱，从而实现舰船辐射噪声多源分辨。?FDA0000375022530000011.jpg,FDA0000375022530000012.jpg,FDA0000375022530000013.jpg,FDA0000375022530000014.jpg,FDA0000375022530000015.jpg,FDA0000375022530000016.jpg,FDA0000375022530000017.jpg,FDA0000375022530000018.jpg,FDA0000375022530000019.jpg,FDA00003750225300000110.jpg,FDA00003750225300000111.jpg,FDA0000375022530000021.jpg,FDA0000375022530000022.jpg,FDA0000375022530000023.jpg,FDA0000375022530000024.jpg,FDA0000375022530000025.jpg,FDA0000375022530000026.jpg,FDA0000375022530000027.jpg,FDA0000375022530000028.jpg...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：孙超，向龙凤，马远良，杨益新，杨坤德，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：