晁大海
(海軍駐大連地區(qū)軍事代表室,遼寧大連 116021)
近場聚焦波束形成低頻段精確定位方法
晁大海
(海軍駐大連地區(qū)軍事代表室,遼寧大連 116021)
近場聚焦波束形成聲圖測量方法可以實(shí)現(xiàn)艦船高頻信號(hào)的主要噪聲源的精確定位,實(shí)驗(yàn)證明在正橫位置時(shí)的定位精度可小于2 m。但對(duì)于低頻、線譜等信號(hào),近場聚焦波束形成聲圖測量方法由于受陣元間距、基陣孔徑等多方面影響,無法實(shí)現(xiàn)精確定位。本文提出采用高精度頻域MVDR聚焦波束形成聲圖測量方法,實(shí)現(xiàn)頻率大于200 Hz艦船目標(biāo)定位。經(jīng)理論仿真與實(shí)際信號(hào)分析,該方法可以實(shí)現(xiàn)低頻信號(hào)的高精度定位,定位精度明顯優(yōu)于常規(guī)波束形成(CBF)。
聚焦波束形成;聲圖定位;近場MVDR
眾所周知,機(jī)械噪聲、螺旋槳噪聲和水動(dòng)力噪聲是艦船的三大水下噪聲源,三者構(gòu)成了艦船的輻射噪聲和本艇聲吶站的自噪聲。艦船三大噪聲源的產(chǎn)生機(jī)理、產(chǎn)生部位和結(jié)構(gòu)之間的差異是噪聲源定位與識(shí)別的基礎(chǔ),若能測量出這些噪聲源的分布圖,就可以確定其主要的輻射源位置,必定對(duì)艦艇的自身安全、提高水下攻擊威力與隱身特性有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。
實(shí)驗(yàn)證明,聚焦波束形成聲圖測量方法[1]是一種在近距離可以實(shí)現(xiàn)精確定位的方法,采用高頻近距離信號(hào)定位誤差可小于2 m。但該方法由于受到目標(biāo)聲源的頻率與陣元間距的影響[2],因此其對(duì)低頻目標(biāo)分辨力較差。而最小方差無畸變響應(yīng)(minimum variance distortionless response,MVDR[3])高分辨方位估計(jì)方法自問世以來,就以其簡單的算法,良好的分辨性能得到了廣泛關(guān)注,是一種具有良好實(shí)用前景的高分辨方位估計(jì)方法。本文給出近場MVDR波束形成方法,可實(shí)現(xiàn)最佳的信號(hào)保護(hù)、干擾消除和噪聲降低能力,即信號(hào)/(干擾+噪聲)比增益最大。通過該方法可以實(shí)現(xiàn)較低頻段信號(hào)定位,具有較好的分辨能力。
本文采用頻域MVDR聚焦波束形成聲圖測量方法,實(shí)現(xiàn)了艦船目標(biāo)本體輻射出頻率大于200 Hz噪聲信號(hào)定位。通過仿真與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析,頻域MVDR聚焦波束形成聲圖測量方法較常規(guī)近場聚焦波束形成聲圖測量方法性能優(yōu)越,在聲圖中顯示的亮點(diǎn)初出。通過采用頻域MVDR聚焦波束形成聲圖測量方法對(duì)一艘大型實(shí)驗(yàn)船進(jìn)行數(shù)據(jù)分析后發(fā)現(xiàn)該方法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)某一頻段信號(hào)進(jìn)行定位。
聚焦波束形成原理是將已知掃描深度的水中近場輻射目標(biāo)進(jìn)行平面區(qū)域的動(dòng)態(tài)掃描補(bǔ)償。不同于常規(guī)波束形成,它關(guān)注的是目標(biāo)距離與陣尺度相近,即近場條件下的波束形成。聚焦波束形成聲圖處理方法由于其高精度的近場定位能力,得到了廣泛研究與應(yīng)用。
聚焦波束形成聲圖法原理如圖1所示。在測量區(qū)P平面上有一目標(biāo)聲源S,假定一等間隔N元水平直線陣布在海深h m處與軸重合,目標(biāo)源點(diǎn)S極坐標(biāo)為 (r00,θ0),掃描點(diǎn)S'極坐標(biāo)為 (r0,θ)。在理想條件下,假設(shè)聲源聲場為球面波,則聚焦波束探針輸出為
其中,ri0為目標(biāo)聲源到陣元i的斜距;ri為掃描點(diǎn)到陣元i的斜距;c為聲速。式(1)中時(shí)延補(bǔ)償量
當(dāng)式(2)成立時(shí),掃描點(diǎn)S'與目標(biāo)源點(diǎn)S重合,聚焦峰的位置即為目標(biāo)所在位置。
圖1 聚焦波束聲圖被動(dòng)定位原理圖Fig.1 Diagram of underwater image localization
假設(shè)測量基陣是由m個(gè)等間隔的陣元組成,以xi(t)表示第i個(gè)陣元的接收信號(hào),wi表示對(duì)應(yīng)的加權(quán)值,則傳統(tǒng)的波束形成器的輸出可寫為
MVDR波束形成意在使噪聲以及來自非觀測方向上的任何干擾貢獻(xiàn)的功率最小,同時(shí)又保持觀測方向上的信號(hào)功率不變,使信號(hào)源能量對(duì)波束寬度內(nèi)的其他方向最小化,實(shí)際上是一個(gè)約束最佳化問題的解:
式中,α(θ)為指定的方向矢量。
通過式(6)可得出MVDR波束形成器的權(quán)向量和方位譜為[5]:
MVDR波束形成器能夠提供最佳的信號(hào)保護(hù)、干擾消除和噪聲降低能力,理想情況下,MVDR的波束指向性函數(shù)近似為狄利克δ函數(shù)。
比較式(4)和式(7)可發(fā)現(xiàn),MVDR波束形成器與CBF波束形成器的差別主要在于:MVDR多了一個(gè)對(duì)自相關(guān)矩陣求逆的過程,其他的均與CBF類似,因此MVDR算法簡單、分辨性能良好。
近場MVDR聚焦波束形成聲圖測量方法的權(quán)矢量和方位譜分別可被表示為:
上述的近場MVDR聚焦波束形成算法主要針對(duì)的是時(shí)域窄帶信號(hào),但在進(jìn)行艦船噪聲源分析時(shí),經(jīng)常用到的是寬帶信號(hào),因此可以采用寬帶頻域MVDR算法進(jìn)行寬帶信號(hào)處理。具體方法是:將寬帶信號(hào)分解為多個(gè)窄帶進(jìn)行FFT(快速傅立葉變換)處理,對(duì)各窄帶估計(jì)頻域互譜矩陣,通過互譜矩陣得到MVDR權(quán)向量和輸出譜。多個(gè)窄帶的MVDR空間譜聚焦后得到寬帶空間譜,根據(jù)譜的峰值位置確定噪聲源的位置。
仿真條件:聲速c=1 450 m/s,海深H=20 m。水平直線陣陣長95 m,陣元間距d=5 m,陣深h=15 m。信號(hào)采樣頻率fs=50 kHz,積分時(shí)間T=1 s,背景干擾為高斯白噪聲,信噪比為20 dB。
極坐標(biāo)系聲圖測量模型如圖1所示。目標(biāo)等深航行,在目標(biāo)上有3個(gè)噪聲源,噪聲源深度相同,深度z0=5 m距離掃描范圍1~100 m,步長1 m,方位掃描范圍θ^±20°,步長 0.1°。信號(hào)為寬帶噪聲信號(hào),帶寬為20 Hz~3 kHz。3個(gè)噪聲源的位置分別為(0°,50 m),(2°,50 m)和(10°,50 m)。
MVDR算法的計(jì)算量主要體現(xiàn)在陣列協(xié)方差矩陣的估計(jì)和求逆運(yùn)算上,設(shè)信號(hào)的處理頻段為300~400 Hz,數(shù)據(jù)快拍長度為N=1 024點(diǎn)。先用窄帶分解MVDR算法對(duì)數(shù)據(jù)的頻率進(jìn)行分段,求頻域平滑互譜密度矩陣,每段數(shù)據(jù)nfft=1 024點(diǎn)。為了減小計(jì)算量,同時(shí)提高信號(hào)的分辨率,本文采用對(duì)信號(hào)進(jìn)行降采樣處理,降采樣系數(shù)d=50。
圖2和圖3分別給出了常規(guī)聚焦波束形成聲圖法與MVDR頻域聚焦波束形成聲圖法的仿真結(jié)果圖。圖中橫坐標(biāo)為方位,縱坐標(biāo)為距離。圖2中顯示了不能分清來自于0°和2°方向的信號(hào),10°方向的信號(hào)雖然能分出,但從聲圖中看到其亮點(diǎn)面積較大,因此聚焦峰不夠尖銳,不能準(zhǔn)確分辨位置的方位。圖3采用MVDR頻域算法的結(jié)果則能明顯分辨出3個(gè)噪聲源的實(shí)際位置,從聲圖中可以看到亮點(diǎn)突出,聚焦峰尖銳。
圖2 常規(guī)聚焦波束形成聲圖方法仿真結(jié)果Fig.2 Simulation result of conventional underwater image
圖3 MVDR頻域聚焦波束形成聲圖仿真結(jié)果Fig.3 Simulation result of MVDR underwater image
圖4和圖5分別給出了2種沿距離與方位方向的剖面圖。由于3個(gè)目標(biāo)假定距離相同,因此從圖4中沿距離方向剖面圖可以清楚看到聚焦峰分辨情況。從此組仿真信號(hào)中可以得出在低頻段MVDR頻域聚焦波束形成聲圖法比常規(guī)聚焦波束形成聲圖法有較高的分辨能力。
圖4 兩種方法沿距離方向剖面對(duì)比圖Fig.4 Correlation along distance of twomethods
圖5 兩種方法沿方位方向剖面對(duì)比圖Fig.5 Correlation along azimuth of twomethods
實(shí)驗(yàn)布局如圖6所示。10元基陣布于海底,陣元間距5 m。各陣元的位置由高精度的GPS給出(GPS定位精度為20 cm)。此次實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)為大型實(shí)驗(yàn)船,航速為6 kn,海深H為25.295 m,聲速為1 488.86 m/s。
由于實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)為某大型船,從主要聲源定位的角度應(yīng)該首先分析艦船目標(biāo)輻射出來的高頻信號(hào),這是因?yàn)榻鼒鼍劢共ㄊ纬陕晥D測量方法對(duì)于高頻信號(hào)有很高的定位精度。而高頻信號(hào)主要來源于艦船尾部,即由螺旋槳空化產(chǎn)生的,知道了螺旋槳位置、艦船運(yùn)行方向后即可以根據(jù)實(shí)際情況推算出相應(yīng)頻段主要聲源的位置。本文主要采用MVDR頻域聚焦波束形成聲圖測量方法對(duì)艦船低頻信號(hào) (1 000 Hz以下)實(shí)現(xiàn)噪聲源定位,艦船尾部位置由近場聚焦波束形成聲圖測量方法給出位置為 (6.5°,63.5 m)。具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理過程為:數(shù)據(jù)采樣率fs=100 Hz,降采樣d=50,F(xiàn)FT長度N=1 024,頻率分辨率Δf=fs/d/N=1.953 Hz。由于航速為3 m/s,為了實(shí)現(xiàn)噪聲源定位,數(shù)據(jù)積分時(shí)間不能過長,因此本次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理積分時(shí)間選用0.2 s,可忽略噪聲源在運(yùn)動(dòng)。
艦船目標(biāo)輻射出來的噪聲信號(hào),當(dāng)處理不同頻率的信號(hào)時(shí)可能對(duì)應(yīng)著不同位置的噪聲信號(hào)。圖7為頻率300~400 Hz MVDR頻域聲圖處理結(jié)果。圖8為頻域MVDR聚焦波束形成聲圖測量方法與常規(guī)近場聚焦波束形成聲圖測量方法沿距離方向剖面對(duì)比圖,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理結(jié)果比仿真結(jié)果差一些,分析原因主要有:① 存在著多途效應(yīng);② 線列陣存在著陣形畸變,但總的來說頻域MVDR方法的性能比CBF有明顯的提高,與理論分析和仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符合。
本文就艦船噪聲源中低頻信號(hào)無法實(shí)現(xiàn)精確定位的問題提出采用高精度頻域MVDR聚焦波束形成聲圖測量方法,可以實(shí)現(xiàn)頻率大于200 Hz艦船目標(biāo)聲源定位研究。經(jīng)理論仿真與實(shí)際信號(hào)分析,該方法可以實(shí)現(xiàn)低頻信號(hào)的高精確定位,定位精度明顯優(yōu)于CBF。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)證明,可以采用頻域MVDR聚焦波束形成聲圖測量方法進(jìn)行艦船目標(biāo)低頻信號(hào)的精確定位,但由于本次信號(hào)處理中為保證在處理的時(shí)間段內(nèi)主要噪聲源的移動(dòng)可忽略,只采用了0.2 s的數(shù)據(jù),因此,信號(hào)的頻率特性不穩(wěn)定,對(duì)于通過采用主要聲源定位結(jié)果得到此聲源的頻率信號(hào)有一定的影響,這是要進(jìn)一步解決的問題。
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Research on warship princip le noise source location base on linearray
CHAO Da-hai
(Naval Deputy Office of Dalian Area,Dalian 116021,China)
Focused beam-forming method on near field can realize precision location of highfrequence principle noise source on warship.Location precision on the abeam may less than 2 metres by test proved.Being influenced by array-interval and basic-aperture,thismethod can’t realize precision location to low-frequency and line spectrum signal.This thesis presents MVDR focused beam-forming on frequency domain that can realize high-precison location of low-frequency signal,which overmatch CBF on location precision apparently.
focused beam-forming;underwater acoustic image ranging;MVDR on the near field
O427.5
A
1672-7649(2013)03-0035-05
10.3404/j.issn.1672-7649.2013.03.008
2012-05-22;
2012-06-19
重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金資助項(xiàng)目(9410C260103080C26)
晁大海(1965-),男,高級(jí)工程師,從事艦船監(jiān)造及噪聲測試工作。