（船舶与海洋工程专业论文）商船远近程噪声特性分析研究.pdf

i ， c l a s s i f i e di n d e x ： u d c ： ad i s s e r t a t i o nf o rt h ed e g r e eo fm e n g a n a l y s i sa n d r e s e a r c ho nl o n ga n ds h o r t r a n g en o i s ec h a r a c t e r i s t i co f t h e m e r c h a n t m a n c a n d i d a t e ： j i a n gx i n g h a i s u p e r v i s o r ： s u nd a j u n b u s i n e s se n t e r p r i s et u t o r ：z h a n gm i n g z h i a c a d e m i cd e g r e ea p p li e df o r ：m a s t e ro fe n g i n e e r i n g e n g i n e e r i n gr e a l m ：s h i p sa n do c e a ne n g i n e e r i n g d a t eo fs u b m i s s i o n ： o c t o b e r ，2 0 0 8 d a t eo fo r a le x a m i n a t i o n ： n o v e m b e r ，2 0 0 8 u n i v e r s i t y ：h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用己在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中己注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体己经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。， 作者( 签字) ：7 朔了) 缛 t 日期：沙拜年夕月7 日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 口在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字)拗弦导师( 签字)呦 日期： 州年；月7 日哆例7 年3 月( 甲日 ll l 水 键技术 本 性，并 使用的 近程噪 关键词 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t r e s e a r c ho fn o i s ep r o p e r t ya b o u tu n d e r w a t e rt a r g e ti st h ek e yt e c h n o l o g yo f i m p r o v i n gt h ec a p a c i t yo f u n d e r w a t e rd e t e c t i o n e s p e c i a l l y , t h el o n gr a n g ef e a t u r e o fu n d e r w a t e rt a r g e ti sn e e d e du r g e n t l y i nt h i s a r t i c l e ，t h ef o r m a t i o nm e c h a n i s ma n dt h e b a s i c p r o p e r t y o f s h i p - r a d i a t e dn o i s ef i e l da n do c e a na m b i e n tn o i s ef i e l dh a sb e e nd i s c u s s e d t h e m e t h o do fm e a s u r i n ga n da n a l y z i n gw a sa l s oi n c l u d e d i nt h ee n d ，l o n ga n ds h o r t r a n g er a d i a t e dn o i s ep r o p e r t ya b o u tu n d e r w a t e rt a r g e t w a sa n a l y z e d ，u s i n g m e a s u r e dd a t ao fm e r c h a n t m a n k e y w o r d s ：n o i s ep r o p e r t y , r a d i a t e dn o i s e ，l o n ga n ds h o r tr a n g e ，m e r c h a n t m a n l 一 _ ，i l 一一lii【p ：、 重 ， 哈尔滨工程大学硕士学位论文 目录 第1 章绪论1 1 1 引言l 1 2 水中目标噪声特性分析研究发展概况1 1 3 本文的主要研究内容3 第2 章水中目标水下噪声场4 2 1 辐射噪声的基本方程4 2 2 海洋环境噪声场4 2 2 1 海洋环境噪声的来源及其分类5 2 2 2 海洋环境噪声的基本特性5 2 2 3 影响海洋噪声场的因素7 2 3 水中目标辐射噪声场7 2 3 1 辐射噪声场的来源及其产生机理7 2 3 2 水中目标水下辐射噪声的基本特性1 0 2 3 3 辐射噪声与被探测距离的关系1 2 2 4 水中目标辐射噪声和海洋环境噪声的比较1 2 2 5 本章小结1 3 第3 章噪声测量的分析方法1 4 3 1 噪声测量的基本方程1 4 3 2 单水听器测量辐射噪声的分析方法1 4 3 2 1 单水听器测量辐射噪声的基本思想1 4 3 2 2 测量水听器1 5 3 2 3 单水听器测量系统数据处理原理1 7 3 2 4 单水听器测量数据处理方法2 0 3 3 等间距直线阵测量辐射噪声的分析方法2 1 3 3 1 等间距直线阵测量辐射噪声的基本原理2 l 3 3 2 波束形成与空域匹配滤波2 4 3 3 32 9 元直线阵的波束形成仿真分析结果2 9 3 4 矢量传感器测量辐射噪声的分析方法3 0 3 4 1 利用矢量传感器测量辐射噪声的基本原理3 1 3 4 2 声场中声压与质点振速的相关性3 2 3 4 3 声场中声压与质点振速的相位关系3 4 3 4 4 矢量传感器的测量增益3 6 3 4 5 利用矢量传感器提高测量增益的信号处理技术3 7 4 4 2 背景噪声分析5 7 4 4 3 数据处理方法及结果5 8 4 5 本章小结6 0 结论6 1 参考文献1 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果3 致谢4 个人简历5 r卜ri【 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 引言 船舶目标本身是一个复杂的噪声源，其在水下形成的辐射噪声场可被各 种水声设备的探测与识别。随着探测设备的发展，对水中目标辐射噪声特性 的需求越来越迫切。对于水中目标噪声特性研究，不仅需要知道目标辐射噪 声的近程特性，还需要知道远程的噪声特性。因此，获取水中目标的远程、 近程、近远、远一近和低频辐射噪声特性数据，具有非常重要的意义。 1 2 水中目标噪声特性分析研究发展概况 通过对船舶辐射噪声场进行测试与分析，可以检验和评估辐射噪声量级 的大小，为船舶的声学设计及噪声控制提供有效的依据。因此各国都非常重 视船舶噪声测试技术的发展，开展了测量技术研究，并建立测试分析平台， 采用各种信号处理和分析技术，对水中目标辐射噪声场进行测试与分析。 固定式测试场地是在海底布放固定的垂直阵和水平阵，目标辐射噪声信 号经海底电缆传送至岸上处理中心进行处理。通常选择的试验海域背景噪声 低，目标机动方式容易掌握，便于进行噪声特性数据获取。国外发达国家主 要采用固定式测量场地。 根据我国国情和我国海域的实际情况，目前国内研制的水中目标辐射噪 声测量系统有四种，第一种是以水面布放回收的单水听器活动式测量系统， 第二种是海底布放回收单水听器测量系统，第三种是采用矢量传感器接收的 测量系统，第四种是采用线列阵的测量系统。前两种属于近程测量系统，后 两种属于远程测量系统。 卜| j rk-， 、 一 哈尔滨工程大学硕士学位论文 测量船 目标船 缸堂面 接收水听器接收水听器 图1 1 活动式水中目标辐射噪声测量示意图 图1 1 为国内采用的由测量船上布放和回收的活动式水中目标辐射噪声 测量系统。该测量系统的优点是机动性好，测量系统简单、可靠，便于布放 回收，系统可靠性好，数据分析较为简单。缺点是只能获取目标近程辐射噪 声数据，目标船离水听器的距离不超过2 0 0 m 。 海底布放单点接收式测量系统，接收水听器与数据记录设备都布放于海 底，整个测量试验结束后，系统回收，进行进一步处理。这种方法优点是背 景噪声较低，并且不影响水中目标的机动安全，但缺点是测量数据不能实时 传送，无法及时判断测量的有效性，降低了试验效率。并且对测量海域的水 深有一定的局限性。 目前国内已经有利用矢量传感器进行水中目标噪声测量的测量系统，该 系统布放、回收较单水听器稍复杂，但该系统容易受到海况的影响，海况较 差时，姿态修正较为困难，并且受海中噪声干扰源的影响，其数据分析较为 复杂。 国内也有利用垂直阵进行水中目标辐射噪声测量的测量系统。据了解， 由于受海水水文的影响，不同水深的测量传感器接收的信号一致性较差，并 且不能排除测量船噪声和海流对阵自噪声带来的影响，阵形监测和修正较为 困难，这都对低频和远程测量带来一定困难。 本论文正是针对以上实际情况，分别阐述了利用单水听器、矢量传感器 和水平直线阵开展水中目标辐射噪声远近程变化特性分析研究的方法和手 2 rh巧- 哈尔滨工程大学硕士 段，并利用实船噪声测量进行商船远近程辐射噪声的获取，目的是研究有效 的测量手段用于获取水中目标的远程辐射噪声特性。 1 3 本文的主要研究内容 a 利用单水听器、矢量传感器、水平直线阵和已有的测试设备组成水下 辐射噪声测量系统。 b 通过对该测量系统进行减振技术研究，使之能够抗海流引起的低频干 扰，提高低频的测试能力。 c 通过对测量方法和数据处理方法的研究，经过海上测试，确定宽频带、 远程测量数据的准确性和有效性。 d 通过实船测量，完成远程和近程水中目标辐射噪声特性数据的获取。 e 通过对数据的处理分析，获得提高测量信噪比的方法，获取目标远程 和近程辐射噪声特性信息。 测量方式可以采用目标由远至近或由近至远的辐射噪声测量。 数据综合处理主要用于进行目标辐射噪声测量系统测量数据和辅助信息 数据的综合处理。需要将记录在不同载体上的测量数据回放到计算机上并进 行处理，实现接收水听器、测距水听器及其它多种接收传感器接收信号的处 理，形成最后的数据处理结果。 本文的结构安排如下： 第1 章绪论：主要论述了课题的研究目的及意义，并介绍了国内外的研 究现状。 第2 章水中目标水下噪声场：主要论述了水中目标水下噪声场和海洋环 境噪声场的基本特性、分类以及产生的机理。 第3 章噪声测量的分析方法：主要论述了水中目标的噪声特性测量方法 和分析方法，包括单水听器测量、水平直线阵测量和矢量水听器测量的基本 理论。 第4 章噪声数据的实测结果分析：主要论述了采用三种方法的实船噪声 测量分析结果和说明。 3 ， p k 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章水中目标水下噪声场 2 1 辐射噪声的基本方程 水中目标辐射噪声是由目标上机械转动和目标运动产生并辐射到水中的 噪声，它是离开水中目标一定距离的水听器接收到的目标噪声。 在海洋中测量水中目标辐射噪声时，噪声、海洋环境参数和测量系统参 数之间的关系也遵循声呐方程1 1 2 1 ： 肛一死= 舰一d i + d t ( 2 1 ) 式中各声呐参数的意义是：n i ，_ 一自噪声级； d i _ 接收指向性指数； d 卜检测阈； t i ，_ 一传播损失； s i ，_ 声源级； 当把这个方程用于水中目标辐射噪声测量时，上述各参数的意义是： n l 不存在被测目标时，由测量环境和测量系统等产生的背景噪声 级； d i 测量系统的接收指向性指数； s i 被测目标辐射噪声的声源级； t i 传播损失； d t - 一检测阈，即为测量的信嗓比为s n 。 这样就有了水中目标辐射噪声的基本方程： s n = s l t l n l + d 叮 ( 2 2 ) 2 2 海洋环境噪声场 海洋环境噪声是除去海洋中那些单个可识别的噪声源后所剩下的噪声背 景，它是水声信道中的一种干扰场。海洋环境噪声对声呐有重要影响。当利 用声呐方程预报声呐作用距离时，需要对噪声级( n l ) 进行估计，为使声呐具 有良好的抗干扰性能，不仅需要知道平均噪声级，还需要掌握声场的时空统 计特性，以便找出和利用信号与噪声场在时空统计特性方面的差异，以提高 设备的抗干扰能力。因此对噪声场的研究与对信号场的研究具有同等的重要 4 ， 参 i 哈尔滨工程大学 性。研究海洋环境噪声，旨在弄清环境 之间的依赖关系，并找出其基本规律。 2 2 1 海洋环境噪声的来源及其分类 近年来，通过对海洋环境噪声的大量测试研究，人们对海洋环境噪声源 及其特性有了深入的认识。研究结果表明，环境噪声在不同的频率部分有不 同的特性，而且随自然环境的变化而变化的。按照噪声源的不同，海洋环境 噪声大致可分为： ( 1 ) 水动力噪声，它与风浪有关，是海水和大气的湍流产生的噪声，还 包括海浪拍击噪声，雨噪声，气泡噪声等。 ( 2 ) 生物噪声，是海洋中各种生物发出的噪声。 ( 3 ) 交通噪声和工业噪声，是人类活动产生的噪声。 ( 4 ) 地震噪声h ，是地震、火山活动和海啸产生的噪声。 ( 5 ) 冰噪声，是由冰层的形成和运动产生的噪声。 ( 6 ) 热噪声p 1 ，是由海水分子运动产生的噪声。 海洋环境噪声产生的机理各不相同，特性也不相同，还与海域位置、近 区和远区的气象条件有关。海洋环境噪声作为声呐的背景噪声还与声呐的接 收频率有关，也与测试水听器的位置有关一1 。 2 2 2 海洋环境噪声的基本特性 n ) 谱特性 海洋环境噪声是多种噪声源的综合效应，这些噪声源的发声机理不同， 又随海域、气象条件的不同而有较大差异因而其噪声谱也是复杂的和各不相 同的。线谱各部分的形状及斜率也发生变化，而且这种变化在线谱的不同部 分是各不相同的，对应线谱的不同部分，是这些中的某个或某几个起主要作 用，其余源的作用是次要的。 ( 2 ) 变化性 海洋环境噪声有明显的变化性。这种变化性是由主要噪声源的变化引起 的，如风速和航运量的改变等。还有一种变化性是在平均估计值与给定地点 短期内测试值之间大约有5 l o d b 的不确定性，这主要是由于短时的或有一 5 _ ： ，j _ i _ ， 哈尔滨工程大学硕士学位论文 定的持续时间的暂时声源引起的( 如生物) 。此外，声传播条件的改变也是环 境噪声发生变化的一个原因。与深海环境噪声相比较，近海、海湾、和港口 的环境噪声的变化更大些，在这些地方，噪声源在不同时间和不同地点都有 显著的不同。 ( 3 ) 幅度分布特性 由于海洋环境噪声是由大量噪声源的辐射噪声组成的，而这些噪声源又 往往是相互独立的，因此总噪声的振幅通常大致是高斯分布的。深海和浅海 的测试结果表明，在一般深度上，其幅度分布的确是高斯型的，但在近海面， 实际自然噪声幅度分布与高斯型分布有较大差别，这是噪声源数量不够大的 缘故。 ( 4 ) 空间相关性 噪声的空间相关性是反映噪声特性的重要统计量，它对声基阵的设计有 重要的意义。为了提高基阵输出信噪比，降低环境噪声，必须在尽量减小阵 元之间的噪声空间相关性。噪声的空间相关系数在数值上等于海中相隔开的 两个水听器所接收到的噪声的乘积对时间的平均值。 ( 5 ) 海洋环境噪声的基本模型 海洋环境噪声是由海洋中的各种声源综合效应，是一个随机的、非平稳 的过程，它构成了声纳的背景干扰。但是，在给以适当的规定和限制后，海 洋环境噪声便可以近似模拟为平稳的随机过程。例如，在有限的时间间隔内 和不变的水文气象条件下研究海洋环境噪声，就可以认为其是一个准平稳随 机过程，一般特性如下： a 均值为零，即 耳厅( ，) ) = 0 b 振幅为高斯分布的白噪声，自相关函数呈万函数性质，即 r 。( f ) = n o b ( t ) c 时间平稳 d 具有加性性质 因此，在实际的工程实践中，为了方便起见，在满足上述条件后，通常 将海洋环境噪声看做是遍历、平稳的高斯白噪声u 1 。 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 li 罱i i i 宣宣宣眚宣宣暑暑葺| 暑暑盲置宣暑葺暑暑i i i 宣 2 2 3 影响海洋噪声场的因素 在海洋中，由于噪声源以及影响噪声形成的因素很多，所以在指定的海 域，要想获得非常完整准确的噪声场特性，就必须知道进行测试的所有条件。 在影响海洋噪声场特性的诸多因素中，主要有以下几项： 测试地点：测点深度、冰层、离岸远近、海底的声学特性、生物聚集程 度、离航线和地震区的远近、海流的存在及其稳定性、声波从周围海域传播 过来的条件等。 测试时间：通常情况下，昼夜起主要作用，但有时也与季节有关。 水文气象：风速及其稳定性、海况、水和大气中存在的湍流及其能谱、 声速随深度的变化、内波的存在、水溶解空气的饱和度、水中各种尺寸气泡 的总量及分布、降水量及其强度等。在两极地区，冰层的密度、厚度及其运 动以及空气与水表层的温度变化速率都是影响海洋环境噪声场的重要因素。 试验条件与方法：水听器的布放深度、水听器周围水流的速度( 导流罩及 其参数、湍流脉动特性和测试平面的流速) 、悬挂水听器的方法及其位置的稳 定性( 悬挂系统的谐振、电缆在海流中的振动等) 、水听器的方向性( 同时还要 考虑悬杆、浮子和导流罩的影响，如果水听器位于海底或靠近海面，则还应 考虑海底或海面的影响) 等h 1 。 2 3 水中目标辐射噪声场 2 3 1 辐射噪声场的来源及其产生机理 通过对水中目标辐射噪声的大量测试资料的分析和研究，可以发现水中 目标水下辐射噪声场的来源主要有三个方面：机械噪声、螺旋桨噪声、水动 力噪声。 ( 1 ) 机械噪声 机械噪声是指目标中各种机械的振动由各种途径向水中辐射而形成的噪 声。根据其产生机理，可以将机械振动的产生方式分成如下五类： a 不平衡的旋转部件，如不圆的轴或电机电枢； b 重复的不连续性，如齿轮、电枢槽、涡轮机叶片； c 往复部件，如往复内燃机汽缸中的爆炸； 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 d 泵、管道、阀门中流体的空化和湍流凝汽器排气； e 轴承和轴颈上的机械摩擦。 由于各种机械运动形式的不同，它们所产生的水下辐射噪声的性质也就 不同。一般地说，不平衡部件旋转部件、重复不连续性的工作部件和往复部 件所产生的噪声大都为线谱噪声，其主要成分是振动基频及它的谐波分量。 各种管道、泵中流体的空化、湍流。排气以及轴承、轴颈上的机械摩擦等所 产生的噪声属于连续谱噪声。如这时结构部件被激起共振，还应叠加以相应 的线谱，所以辐射噪声可以看成是强线谱和弱连续谱的叠加。图2 1 为辐射 噪声谱示意图。 f ( a ) 线谱 。 图2 i 辐射噪声谱示意图 ( c ) 由( a ) 和( b ) 叠加 厂 得到的混合谱 ( 2 ) 螺旋桨噪声 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 动所产生的叶频噪声。螺旋桨在水中旋转时，叶片尖上的表面上会产生负压 区，如负压达到足够高，就会出现空化，这些空气泡破裂时会发出尖的声脉 冲，大量的气泡破裂产生的噪声是一种很响的咝咝声，即所谓的空化噪声， 这种噪声是水中目标水下辐射噪声高频段的主要部分。 由于空化噪声是由大量大小不等的气泡随机破裂引起的，因此空化噪声 是连续谱，其典型频谱图如图2 2 所示： 8 图2 2 空化噪声谱随航速和深度的变化关系 在低频段噪声谱级随频率增高而增高，而在高频段，随着频率的增高以 大约6 d b o c t 的斜率下降，因此谱线在1 0 0 h z - - 1 0 0 0 h z 内形成一个峰，从 图中还可以发现，这个峰是随航速和深度变化的，水中目标航速增加和下潜 深度减小时，这个峰会向低频移动，这是因为在高航速和浅深度情况下，容 易产生大量的空化气泡，因而产生大量的低频噪声，使得谱峰向低频端移动。 空化现象只有在水中目标达到临界航速时才产生，此时，水中目标的水 下辐射噪声会突然增大。由于空化还与静压力有关，所以，临界航速和水中 目标的下潜深度有直接关系，随着下潜深度增加，临界航速也相应的提高。 螺旋桨叶频噪声产生原因是由于螺旋桨叶片拍击、切割水流引起的，是 一种线谱噪声分量，其频谱是与叶片数及螺旋桨转速直接有关的，满足如下 关系： 厶= m n s ( 2 3 ) 式中，r n 是谐波次数，1 1 是螺旋桨叶片数，s 是螺旋桨转数，m 相对应 的频率。它是水中目标在1 1 0 0 h z 低频段的主要成分叫。这种频谱特性 常被声纳系统用作识别目标和估计目标速度的信息。 ( 3 ) 水动力噪声 水动力噪声是由不规则的、起伏的海流流过水中目标的表面形成的噪声 和由水动力过程变化引起的噪声，是水流动力作用于目标的结果。由水中目 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 标的各种结构激励起的声波和再辐射的声波是水动力噪声的重要声源。 流噪声是水动力噪声的一种重要形式，它是粘滞液体流动时的正常特征， 是在无突起也无凹陷的光滑物体上发声的。流噪声可以是直接辐射，也可以 引起目标的一部分振动产生的间接辐射。此外目标内的循环水系统的进水口 和排水口处发出的噪声也属于水动力噪声。 水动力噪声是一种无规则噪声。按布洛欣采夫的理论，其噪声强度1 w 主 要与航速有关，可以表示为 1 w = 加” ( 2 4 ) 式中，k 是常数，v 是航速，n 是与水中目标外形等因素有关的量 水动力噪声产生的辐射噪声强度较小，往往被机械噪声和螺旋桨噪声所 掩盖。但是在特殊情况下，例如当结构部件或空腔被激励成线谱噪声的共振 源时，水动力噪声在出现线谱的范围内成为主要的噪声源州。 2 3 2 水中目标水下辐射噪声的基本特性 ( 1 ) 声源级 水中目标辐射噪声的声源级反映了水中目标被探测、识别可能性的大小， 是水中目标声学设计的重要指标。声源级与水中目标航行状态有密切关系。 当讨论水中目标辐射噪声声源级数值时，必须指明航行工况( 航速、潜深、主 机状态等) ，否则毫无意义。 描述水中目标辐射噪声声源级的参数通常有宽频带声源级，即总声源级 ( 频率范围从5 h z 5 k h z 或更宽) ，1 1 或1 3 倍频程频带声源级以及声压谱源 级等。 舰船每种航行状态和功况的声源级还具有频率特性和指向性。声源级的 频率特性描述舰船辐射噪声声源级在频率域的分布，即声源级所含的频率成 分以及各频率上声能的大小。舰船噪声声源级的频率特性用1 3 0 c t 频带声 源级和声压谱源级等概念来描述。描绘声压谱源级和频率关系的曲线称为频 谱图，它以频率为横坐标，以声源级为纵坐标。对不同类型的舰船辐射噪声 频谱图研究表明，它们具有基本相似的现状，舰船辐射噪声声源级的频谱是 由连续谱和线谱叠加而成的混合谱。连续谱反映噪声信号中随机噪声部分的 能量分布，大量的测量和分析表明，舰船噪声的连续谱有一峰值，其谱峰的 1 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 频率的上限因舰船类型而异，但都在2 0 0 h z - 4 0 0 h z 之间，当频率低于谱峰 频率的上限时，频谱随频率的增高而平直( 或略有提高) ，它占有辐射噪声的 绝大部分能量；当超过这一频率上限时，呈衰减趋势，每倍频程衰减大约6 d b 。 ( 2 ) 谱特征 水中目标辐射噪声为不确定信号，其主体是宽带随机信号，有时也包括 谐波成分。水中目标的辐射噪声主体是平稳的、各态遍历的随机过程。一般 来讲，在l k h z 以下表现为宽带噪声加若干离散的线谱，高于l k h z 主要是 宽带噪声。通常用统计方法进行描述，在时域中我们关心的是它的均值和自 相关函数，在频域中则是它的功率谱。 水中目标辐射噪声信号一般具有以下的性质： 氖均值为零，即 e g ( ，) = 0 b 自相关函数为t 疆( t a , 1 2 ) = e g ( t z ) g ( t 2 ) q 若对饲平稳 弛，f ：) 2 ( f 1 一f z ，o ) 2 咚( f ) 也功率遘为 扣2e 咚 ，而且不同水 中目标辐射噪声线谱的频率和幅值并不相同，这些线谱成了识别水中目标类 型的主要特征。随着水声技术的发展，水中目标噪声的线谱也得到有效控制， 存在线谱的频率范围更低( 几十赫兹以下) ，线谱的数量变少、幅值变小。线 谱的频率、幅值和稳定时间是线谱的三个主要特征。线谱的特征与进行分析 的方法( 特别是分析带宽的选择) 有密切的关系。通常规定分析线谱时的带宽 为1 h z 【5 j 口 ( 3 ) 指向性 作为声源的水中目标向外辐射噪声具有方向特性，即辐射噪声的能量在 空间分布是不均匀的，声源级与观测点的方向有关。建立一个以被测目标为 中心的坐标系，在这样的直角坐标或极坐标系统中，观测点的空间位置，可 用x 、y 、z 的坐标表示，也可用距坐标原点的距离r 和角度伊和妒表示，水中 目标辐射噪声能量的空间分布用声源级指向性图来表示，距离被测目标某一 参考点等距离处测得的辐射噪声级与舷角尹的关系称为水平平面特性，在垂 二1一 ：-， 哈尔滨工程大学硕士学位论文 宣暑j 暑叠葺置i 置i 宣暑葺；宣i i i i i 宣暑眚暑葛置置i 置i 宣；i ；i i ；i i ；暑；i i i 暑暑暑昌置置薯宣宣j 置宣置暑；暑盲葺薯蔫置萱置宣置i i i i 置i i i i 宣萱 直于首尾线平面内，距离某一参考点等距离里，测得噪声级与9 角的关系称 为垂直平面特性。 ( 4 ) 通过特性 在测试条件和被测目标状态固定的情况下，舰船辐射噪声级、谱特性等 参数是舰船相对于测试水听器位置( 与测试水听器之间的距离) 的函数，称为 纵向通过特性或简称通过特性。可用于确定水中目标正横位置，以便计算水 中目标辐射噪声声源级，是检验水中目标辐射噪声测试有效性的重要依据之 【l 】 o ( 5 ) 瞬态特性 水中目标在航行时产生的噪声除连续的稳态噪声外，还有瞬噪声，即在 短促时间内出现的辐射噪声，对水中目标而言，它是由水中目标内部的及壳 体上覆着物的运转状态变化、以及人员走动等产生的。瞬态辐射噪声中蕴含 着许多瞬态特征。 2 3 3 辐射噪声与被探测距离的关系 根据被动声纳方程可以得到 t l = s l ( n l d i + d t ) ( 2 5 ) 在其它条件不变的情况下，辐射噪声的下降将直接导致敌方被动声纳优 质因数的下降。当我们认为传波损失是球面波扩展加吸收时 t l = 2 0 l o g r + o 0 1l 2 1 0 佗6 ) 其中，是频率，单位是k h z ，是距离，单位是米。原来的探测距离 为，辐射噪声下降越分贝后被探测距离随之下降为1 ，即 缸= 2 0 l o g 尘+ o 0 1 1 厂2 ( t o r 1 ) x 1 0 。 ，i ( 2 7 ) 令21 五 ( 3 2 ) 则它可由等时间间隔序列x ( n ) 惟一确定的条件是： z2z(3-3) 该定理说明如果采样频率j s 等于或大于模拟信号的最高频率，c 的两倍， 等时间间隔序列x ( n ) 可惟一确定模拟信号x ( t ) 。否则在采样过程中会产生虚 像谱或称频率混叠。消除频率混叠的方法有两种：一种方法是提高采样频率 f s ，使它等于或大于信号的最高频率，c 的两倍。但这样做的结果是增加处理数 据量并使频率分辨率降低；另一种方法是在采样前让模拟信号通过模拟式低 通滤波器，限制模拟信号的最高频率，使c 有所降低，然后选择采样频率， 使它等于或大于信号的最高频率，c 的两倍。 数字信号x ( n ) 的采样值要用一组已选定的数值，一般都是k 位二进制数 来表示，这一过程叫量化。数值k 为量化的位数( b i t ) 。显然，位数越长，量 化后的值越逼近采样值，量化误差就越小。通常选取k = 1 4 ，所以有1 3 位表 1 7 哈尔滨工程大学硕十学位论文 示信号值的大小，共有2 1 3 = 8 1 9 2 个状态。当信号的满量程为1 v 时，每个 状态之间的间隔为1 8 1 9 2 = 0 1 2 2m v , 这就是模拟量转化为相应数字量可能 达到的因量化引入的误差。量化误差是绝对误差，当信号越接近规定的满量 程电压时，模数转换的相对误差越小。在进行噪声信号数字分析时，这一点 应该注意。 在做数字信号处理时，除考虑采样频率、抗混迭滤波器、量化等外，还 要考虑时间截断和选择窗函数的问题。连续信号x ( t ) 经过采样后得到的是无 限离散序列x ( n ) ，但在信号处理时，不可能对无限个离散值进行计算，只能 截取一定时间内的有限离散序列信号h ( 拧) ：h ( 0 ) ，h ( 1 ) ，h ( 2 ) ，x n ( n 1 ) 共 计n 个值进行计算。在时间域对信号的截取相当对信号进行窗口处理。对数 据截取而加在数据序列上的窗口称之为数据窗，用窗函数w ( t ) 来表示。数据 窗窗函数直接影响了谱估计的质量，主要表现在两个方面： ( 1 ) 频域的频率分辨率，即功率谱中两个靠得很近的谱峰仍被分辨出来 的能力( 用f 表示) 。由于信号被截取，频域的分辨率有所降低，为了有高的 分辨率应增加信号的长度，也就是增加窗函数的宽度。 ( 2 ) 频谱的“泄漏”，即功率谱中集中在某一窄带中功率扩展到邻近的频带 中去，使功率谱产生失真。 在采样频率一定的情况下，采样点数n 表示截取的信号长度，并决定频 率分辨率掣。如果分析的频率范围上限为l k h z ，n = 4 0 9 6 点，则可获得的频 率分辨率鲈= 以( o 5 n ) = 1 0 0 0 2 0 4 8 0 5 h z 。要提高分辨率就要减小频率 分析的范围，增大样本容量( 导致增加计算时间和内存空间) 。 为了减少“泄漏”的影响，人们提出了种种不同的窗函数，例如矩形窗、 汉宁窗、汉明窗、余弦窗等。当采用数据窗后，会引起信号能量的损失，要 进行适当修正。水中目标辐射噪声信号处理最常用的时间窗函数是汉宁 ( h a n n l n g ) 窗，它的表达式是： 形( r ) = ( 1 - c o s 2 n t 疋)( o f 乏) ( 3 4 ) 它的傅立叶变换的幅值为： 1 w ( f ) l = l 三q ( 门+ 丢lq ( 厂+ - - 丢) + q ( f - 瓦1 ) i l ( 3 5 ) 1 8 综上所述，对水中目标辐射噪声信号进行数字信号处理时，要注意以下 几点： ( 1 ) 估计噪声信号x ( t ) 中可能存在的最高频率k ，为避免混叠，应使 噪声信号通过模拟的抗混叠滤波器，将频率大于，一的信号分量去除。 ( 2 ) 由采样定理，选择采样频率z - - - 2 f h ，考虑到抗混迭滤波器不可能是 理想的低通滤波器，采样频率 要适当选得高一些，例如是最高频率 的四 倍。 ( 3 ) 根据处理精度要求，选择模数转换的位数( b i t ) ，对噪声信号处理，1 2 b i t 基本满足使用要求。 ( 4 ) 为减少时间截断引起的频率“泄漏”，选择时间窗函数对时间信号进行 处理，常用时间窗为汉宁窗。 ( 5 ) 选取计算f f t 的样本容量n ，n 取得越大，频率分辨率f 越小。在 舰船噪声信号处理时，通常取n = 6 5 5 3 6 点以上。 ( 6 ) 对经过采样、量化和截断后的信号计算得到的功率谱结果只是真实 谱的一种估计，为了尽可能逼近真实功率谱，需要进行多次频域平均。平均 次数的选择依据是信号的随机性和所要求的精度。对噪声信号功率谱分析时， 平均次数一般取8 次。 噪声信号x ( t ) ，经低通滤波、采样、量化后变为离散序列x ( n ) ，进行基 于傅立叶变换的窄带谱分析，其计算过程如下： 幽 x ( k + l ，) = x ( n + l ，) 形( ，z ) 嘴 k = o ，1 ，2 ，n 一1 ”o ( 3 7 ) 式中x ( k + i j ) 为第j 号样本信号的瞬时谱，= p 一朋州，w ( n ) 为分析时 选用的窗函数，n 为样本信号长度。瞬时功率谱是瞬时谱的模平方为： 卫( 尼+ l ，_ ) = x ( k + l ，刮 ( 3 - 8 ) 对m 个样本信号瞬时功率谱的算术平均，即为该测量信号的平均功率 谱： 1 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 丝 ( 七+ 1 ) = 吉只( 七+ 1 ，歹) ( 3 - 9 ) o “户l m 就是平均次数，功率谱中能量相对较强的谱线就是所谓的线谱。 遵循上述信号处理的基本原则，就可以对现场采集的水中目标辐射噪声 数据进行后处理。 3 2 4 单水听器测量数据处理方法 噪声测量数据处理的目的是根据水听器输出的电信号得到被测舰船噪声 频谱和噪声级。为此，要对记录到的宽带信号进行数据处理，处理的方法通 常是频率分析。本节介绍舰船噪声频率分析中的一些实际问题。 频谱级三班) 是以频率z 为中心1 h z 带宽内的声级，频带级乙) 是以 频率，为中心某一带宽内的声级。获得电信号频谱的传统方法是将信号通过 不同中心频率的带通滤波器，并在每一频率上测量传输功率。当滤波器固定 在一个频率上时，输出功率谱等于输入信号功率谱if ( 厂) 1 2 与滤波器传输函 数功率1 日( 厂) 1 2 的乘积，即： 信号功率谱：if ( 厂) 1 2 1 日( 厂) 1 2 所选择的滤波器可以是恒定带宽滤波器，也可以是恒定百分比带宽滤波 器。恒定带宽滤波器在线性刻度上给出的分辨率是均匀的，对谐波分量给出 相等分辨率，多用于分析噪声低频振动线谱；恒定百分比带宽滤波器在对数 刻度上是均匀的。对舰船噪声的分析常用的恒定百分比带宽滤波器是1 3 0 c t 滤波器。设滤波器上限频率为，一，下限频率为 ，中心频率( 为频带上下限的 几何平均值) ，c ，则有： 以一1 弋f j = 。f l 谱级： 壹五2 3 1 c 。扩) 一l o l g a f ( 3 - 1 0 ) 由带宽内的噪声级0 减去所用带宽对数的1 0 倍，得到l h z 带宽内的谱 级。对于带宽内含有强线谱的噪声，用1 3 0 c t 滤波器分析的谱级将使该 线谱的谱级有所降低。所以对于含有强线谱的舰船噪声，除了用1 3 0 c t 滤 波器分析之外，还要进行线谱分析。 哈尔滨 二程大学硕士学位论文 把测量结果折算到距离声源l m 基准距离时，需要做距离修正，将测量 的声压级转换为声源级，一般采用球面波扩展规律。在近距离，例如5 0 - l o o m ，利用球面扩展规律表达舰船噪声随距离的变化是较好的，这时声源 级锄和声压级的关系为： k 咆+ 2 0 培 陆 式中d 一测量距离( i n ) ； 哈尔滨工程大学硕士学位论文 面来讨论，即到达波的向量限制在图3 2 的平面里，其方向角称为波达方向 ( d o a ：d i r e c t i o no fa 玎i v a l ) 4 1 ，定义为与阵列法线的夹角p 。 令波数h 2 2 a 2 ，其中兄= c 厂为波长。于是，等距线阵( u l a ：u n i f o 瑚 l i n e a ra r r a y ) 的方向向量表示为 口黝( d = b ，p 叫陋p 咖9 ，p 。忙k 盯- 1 m 血占f 扎一，和一，和删 7 p 1 2 lj 这里为方便起见，都以单个信源来展来讨论。如图2 2 所示，当信源方 向改变时，阵列输出将随之变化。阵列输出为各阵元信号的加权和： y ( f ) ：兰s 9 ) 屺p - j 争肛眦枷y ( f ) = s 9 ) 屺p 矿一。 m = l ( 3 - 1 3 ) 这里未考虑噪声。若将信号在时间上取离散值，并写成向量形式，则得 y ( 功= s ( n ) w 爿口( 臼) = j ( ，z ) g ( 臼) ( 3 14 ) 式中，w = w i ，】2 称为权向量；g ( 9 ) = w 月口( 9 ) 称为阵列的方向响 应，也称方向图或波束图郾1 。 对信号的时间采样是在各阵元上同时进行的，每次采样称为一次快拍。 式( 2 7 ) 表示的是第n 次快拍。式中的权向量的作用是改变输出的复振幅( 包括 振幅值和相位值) ，它是口的函数，即g ( 目) = w h 口( 口) 称为阵列的方向响应。 时域波束形成器是将基阵来的信号进行适当组合完成的，波束形成器的 时间延迟匹配于从特定方向入射的声压场的信号传播延迟，从而使相干波阵 面的振幅相对于背景噪声和指向性干扰得到增强。为了减小旁瓣结构，一般 情况下还必须在求和之前对传感器的输出进行遮蔽或振幅加权1 6 1 1 7 1 。数字延 迟求和波束形成器用数字方法完成波束形成器所需的乘加和延迟运算，即 堑1 b ( n a ) = w i x ，( n a i r ) 式中f ：垒s i l l 吼。实现框图如图3 3 所示。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图3 3 常规的时域数字延迟求和波束形成器 下面仿真了延时相加波束形成。仿真中用了l o 元均匀直线阵，频率为 2 0 0 h z ，阵元间距取半波长，使用了均匀加权。直线阵的理论仿真增益为 l o x l o g 。( ) = 1 0 ，仿真结果与理论结果相符。 量萎 舌0 - 2 0 2 0 0 l l z 正弦信号 图3 4 仿真信号频谱 哈尔滨工程大学硕士学位论文 5 0 4 0 3 0 兽加 甚1 0 舌 o 1 0 - 2 0 - 3 0 - 4 0 1 0 元均匀直线阵与1 号阵元对比 擀 捌 黼 幸 删 i 甄 _ i i 。1 淤协辫 i -一 图3 51 0 元均匀直线阵与1 号阵元输出对比图 3 3 2 波束形成与空域匹配滤波 波束形成技术p 儿”1 是指将一定几何形状( 直线、圆柱等) 排列的多元基阵各 阵元输出经过处理( 例如加权、延时、求和等) 形成空间指向性的方法。波束 形成技术是将一个多元阵经适当处理使其对某些空间方向的声波具有所需响 应的方法。因此，一个波束形成器可以看成一个空间滤波器，它可以滤去空 间某些方位的信号，只让指定方位的信号通过。 波束形成的目的，是使多阵元构成的基阵经适当处理得到预定方向的指 向性。对于一个接收系统，具有指向性意味着接收能量可集中在某一方向， 这样弱目标强度下可以测量到信号。接收系统具有指向性，则可使系统定向 接收，从而抑制其它方向的信号和干扰。此外，利用接收系统的指向性可以 准确测定目标方位。如果接收系统形成多个波束，则可分辨多个目标“。 上述“导向 作用是通过调整加权系数完成的，如图3 6 所示。 2 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 信号源 少，7 眇，、 i 】【i ( n ) ，x 2 p j 龇p 6i 1 图3 6 阵列加权形成预成性波束示意图 阵列的输出是对各阵元的接收信号向量x ( n ) 在各阵元上分量的加权和。 令权向量为w2 【w i ，j ，则输出可写作 丝 y ( n ) = w 爿x ( n ) = w ：x 。( 刀) ( 3 - 1 5 ) m = i 可见对不同的权向量，上式对来自不同方向的声波便有不同的响应，从 而形成不同方向的空间波束。 一般用移相器作加权处理，即只调整信号相位，在不改变信号幅度情况 下，因为信号在任一瞬间各阵元上的幅度是相同的。不难看出，若空间只有 一个来自方向o k 的声波，其方向向量为口( 吼) ，则当权向量w 取作口( 吼) 时， 输出y 0 ) = a h ( 包) 口( 吼) = m 最大，实现导向定位作用。这时，各路的加权信 号为相干叠加，我们称这一结果为空域匹配滤波。 权系数的好坏直接影响波束形成的质量，即影响波束的主瓣宽度和主瓣 与旁瓣比等波束性能指针。以下讨论的就是通过加权来进行直线阵的幅值束 控问题，与上面的调整相位的权系数不同。在比较成熟的幅值束控技术中， 效果比较好的是道夫切比雪夫( d o l p h c h e b y s h