何盼盼

(昆明船舶設(shè)備研究試驗中心，云南 昆明 650051)

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基于組合陣的近場噪聲源定位方法研究

何盼盼

(昆明船舶設(shè)備研究試驗中心，云南 昆明 650051)

在對淺海近程噪聲源定位研究時，針對多途環(huán)境和左右舷模糊問題，采用了組合陣與時反技術(shù)相結(jié)合的方法。利用矢量水聽器的單邊指向性去除虛假聲源的干擾，并利用時間反轉(zhuǎn)鏡技術(shù)抑制多途效應(yīng)的影響，從而實現(xiàn)了淺海近程聲源定位。

近場噪聲源定位；組合陣；時間反轉(zhuǎn)鏡；噪聲源；多途

在近場區(qū)域，由于多途環(huán)境的影響，對淺海近程噪聲源的定位[1-3]造成了困難。為實現(xiàn)淺海近程噪聲源地準(zhǔn)確定位，提高定位精度，本文采用了被動時間反轉(zhuǎn)鏡技術(shù)[4-6]。由于聲壓水聽器的無指向性，使得定位時存在左右舷模糊問題，不能準(zhǔn)確識別出聲源位置。本文采用了將矢量水聽器與聲壓水聽器組成的水平線陣，文中稱之為組合陣，利用矢量水聽器的振速信息判別真實聲源的位置，抑制左右舷問題，去除虛假聲源的影響。

1 近場噪聲源聚焦定位方法

1.1 近場水平線列陣的接收信號模型

在分析沿各種不同路徑達(dá)到接收基陣的信號時，可采用基于射線理論的虛源法模擬多途信道下基陣的接收信號，其模型示意圖如圖1所示。

圖1 基于射線理論的虛源模型

在此模型中，將海底、海面的反射聲看作是聲源相對于海底海面的虛源發(fā)出的聲線。因此，接收到的信號便可認(rèn)為是由聲源和各階虛源到達(dá)接收陣的信號的疊加。

M元水平線陣接收到的信號可表示為X=As+N。其中，A為基陣接收到的聲壓信號的導(dǎo)向矢量，其表達(dá)式可參閱文獻(xiàn)[7～8]。

1.2 組合陣近場測量模型

首先以矢量陣[9-12]為例，介紹基于虛源模型的近場噪聲源定位原理，其接收信號模型如圖2所示。

基陣的接收信號的矢量形式可表示為

X=[xvxvyvz]T=Bs+N

(1)

式(1)中，X是接收信號矩陣；s是聲源發(fā)射信號；N是接收到的噪聲信號；B是矢量陣接收聲源信號的導(dǎo)向矢量。

在實際應(yīng)用中，由于矢量水聽器的一致性不佳，會影響到后續(xù)的信號處理。為有效減小矢量水聽器的一致性對后續(xù)信號處理的影響，本文采用了組合陣，旨在不影響對噪聲源定位的前提下，減少矢量水聽器個數(shù)。

圖2 組合陣接收信號模型

組合陣[3-5]包含聲壓水聽器和矢量水聽器兩種，聲壓水聽器只接收聲壓信號，矢量水聽器除了接收聲壓信號，還接收振速信號。因此，組合陣的接收信號包括全部水聽器接收的聲壓信息和矢量水聽器接收的振速信息，并結(jié)合式(1)矢量陣接收信號可得到組合陣的接收信號。

1.3 被動時間反轉(zhuǎn)鏡技術(shù)

對淺海近程噪聲源進(jìn)行定位時，由于多途環(huán)境的存在，會使基陣除了接收到直達(dá)聲外，還能接收到海底、海面的反射聲，直達(dá)聲與反射聲相互干涉疊加，使接收信號發(fā)生波形畸變，從而導(dǎo)致通常使用的近場噪聲源定位算法存在定位偏差，嚴(yán)重影響聚焦定位性能。為了更精確地實現(xiàn)淺海近程噪聲源定位，有效抑制多途信道的干擾，常采用時間反轉(zhuǎn)鏡技術(shù)。

本文采用被動時反虛擬信道的方法，其原理如圖3所示，將陣列接收到的信號通過在計算機中模擬信道的時反這一過程，將計算機中模擬的信道II與聲源到達(dá)接收陣的真實信道I匹配，當(dāng)信道相匹配時，具有高的空間增益，當(dāng)信道不相互匹配時，空間增益下降，從而實現(xiàn)對目標(biāo)聲源的定位。

圖3 被動時反技術(shù)原理框圖

選擇與聲源同深的平面掃描，設(shè)掃描點坐標(biāo)為(x′,y′,z0)，在計算機中模擬該點與基陣之間的信道，結(jié)合近場聚焦波束形成可得到掃描點的導(dǎo)向矢量B′，不采用被動TRM時的導(dǎo)向矢量A′只與直達(dá)聲有關(guān)，而采用被動TRM時的導(dǎo)向矢量A′與直達(dá)聲和海底海面的反射聲均有關(guān)。

令R=XXH/L為采樣數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣，則常規(guī)波束形成定位算法(CBF)的空間譜和基于MVDR算法的空間譜分別表示為

PCBF=(A′)R-1(A′)

(4)

(5)

2 試驗研究

試驗采用的組合陣是11元水平線陣，包括8個聲壓水聽器和3個矢量水聽器，編號為1～11，其中第3、6、9號水聽器是矢量水聽器，陣元間距為0.5 m，基陣入水深度為2 m。接收與發(fā)射之間的水平測試距離為3 m，兩個發(fā)射聲源均位于水下3 m，發(fā)射信號頻率是500 Hz時，采用CBF聚焦算法、MVDR聚焦算法、PTRM-CBF聚焦算法、PTRM-MVDR聚焦算法的定位結(jié)果，如圖4所示。

圖4 500 Hz時聚焦定位效果圖

其他仿真條件不變，發(fā)射信號頻率為1 kHz時，多途環(huán)境下的噪聲源聚焦定位結(jié)果如圖5所示。

圖5 1 kHz時聚焦定位效果圖

從圖4和圖5以可看出：(1)對淺海近程噪聲源定位時，對比分析了CBF算法和MVDR算法的聚焦譜圖，結(jié)果表明MVDR聚焦定位算法得到的主瓣更窄，背景更為平滑，空間分辨率更高，定位更為準(zhǔn)確；(2)采用被動時反技術(shù)能有效克服界面反射的影響，降低主瓣寬度，即被動時反技術(shù)能有效利用多途信息，實現(xiàn)更為精確地聲源定位；(3) PTRM-MVDR聚焦算法的定位更為準(zhǔn)確，且信號頻率對定位性能有較大影響，頻率增大時PTRM-MVDR聚焦算法的定位性能增強。

3 結(jié)束語

對淺海近程噪聲源定位時，被動時間反轉(zhuǎn)鏡技術(shù)(PTRM)能有效利用多途信息，實現(xiàn)信道匹配，克服界面反射聲的干擾，識別出真實聲源的位置。組合陣技術(shù)能有效去除虛假聲源干擾，抑制左右舷問題。采用組合陣列和被動時間反轉(zhuǎn)鏡技術(shù)相結(jié)合，合理模擬了多途信道下的導(dǎo)向矢量，利用矢量水聽器的振速信息，開展了基于組合陣列的噪聲源被動時反聚焦定位方法研究。

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Research on Near-field Noise Sources Location Method Based on the Combinatory Array

HE Panpan

(Kunming Shipborne Equipment Research and Test Center, Kunming 650051, China)

In the study of localization in shallow sea noise source, beause of the problem of port and starboard ambiguity and the multipath environment, the combinatory array and time reversal mirro technology are adopted. Using the unilateral directivity of the vector hydrophone removes the false source, Using the time reversal mirror technology restrains the influence of the multipath effect, thus the position of sound source in shallow sea can be located.

near field noise source localization；combinatory array; time reversal mirror; noise sources; multipath

2016- 01- 13

何盼盼(1989-)，女，碩士，助理工程師。研究方向：目標(biāo)定位及彈道測量。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.11.010

TN911.4

A

1007-7820(2016)11-032-03