基于直線陣和已知聲源的噪聲源識(shí)別分析方法

晁大海，代雪峰，程廣福

（1．海軍駐大連地區(qū)軍代室，遼寧大連116021; 2．大連測(cè)控技術(shù)研究所，遼寧大連 116013）

0 引言

對(duì)艦船噪聲性能評(píng)價(jià)通常是針對(duì)該目標(biāo)整體而言的，而艦船通常具有大尺度、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特點(diǎn)，其噪聲源特征分布往往也是不均勻的。識(shí)別主要噪聲源并確定其在噪聲場(chǎng)中的貢獻(xiàn)則是艦船聲學(xué)設(shè)計(jì)中噪聲指標(biāo)分解的重要依據(jù)，在潛艇聲學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)，需要對(duì)設(shè)計(jì)的噪聲指標(biāo)進(jìn)行合理分配，才能最大程度地保證潛艇的安靜性，這樣就必須定量地綜合確定各類噪聲源的貢獻(xiàn)，根據(jù)貢獻(xiàn)的大小，提出噪聲控制的具體指標(biāo)和方向。

受現(xiàn)有試驗(yàn)方法限制，噪聲源的識(shí)別不可避免地存在一定誤差范圍，且對(duì)多源情況下的貢獻(xiàn)分離方法比較單一。針對(duì)以上不足，本文提出了一種基于直線陣和已知聲源的噪聲源識(shí)別及貢獻(xiàn)分離方法，應(yīng)用該方法可以提高噪聲源識(shí)別的精度，使誤差范圍在現(xiàn)有基礎(chǔ)上進(jìn)一步縮小，根據(jù)相關(guān)系數(shù)判別目標(biāo)不同部位對(duì)輻射噪聲貢獻(xiàn)的大小。

1 方法原理

本方法實(shí)質(zhì)是用相關(guān)或相干分析的方法來(lái)識(shí)別噪聲源、分離噪聲源的貢獻(xiàn)。通過(guò)在目標(biāo)上加裝發(fā)射聲源，聲源發(fā)射單頻信號(hào)頻率和強(qiáng)度已知，利用直線陣系統(tǒng)測(cè)量目標(biāo)輻射噪聲。在航行試驗(yàn)中，在目標(biāo)上記錄自噪聲及振動(dòng)信號(hào)的基礎(chǔ)上同時(shí)采集已知聲源信號(hào)，測(cè)量船上同時(shí)基記錄直線陣系統(tǒng)測(cè)量的輻射噪聲。目標(biāo)以勻速直線航行的機(jī)動(dòng)方式通過(guò)測(cè)量區(qū)，目標(biāo)上安裝的自噪聲水聽(tīng)器與聲源在縱向相對(duì)位置已知，并且記錄目標(biāo)的航速。通過(guò)對(duì)輻射噪聲信號(hào)進(jìn)行分析獲取目標(biāo)主要頻譜特征，后續(xù)對(duì)這些特征頻譜進(jìn)行源識(shí)別和貢獻(xiàn)分析。在分析時(shí)首先需要確定已知單頻聲源信號(hào)和直線陣各陣元接收信號(hào)之間因傳播距離帶來(lái)的時(shí)間延遲，通過(guò)對(duì)聲源信號(hào)和直線陣各陣元接收信號(hào)進(jìn)行相關(guān)分析，查找與單頻聲源頻率對(duì)應(yīng)的最大相關(guān)值，確定信號(hào)時(shí)延;然后對(duì)各個(gè)自噪聲測(cè)點(diǎn)信號(hào)與直線陣接收信號(hào)進(jìn)行分析，根據(jù)已知單頻聲源位置和航速以及上一步確定的時(shí)延對(duì)直線陣信號(hào)進(jìn)行綜合時(shí)延補(bǔ)償，通過(guò)計(jì)算相關(guān)或相干值初步實(shí)現(xiàn)識(shí)別噪聲源和分離噪聲源的貢獻(xiàn)，分析的頻率就是輻射噪聲中的特征頻率，這里把各個(gè)自噪聲信號(hào)假設(shè)代表不同部位的噪聲源。其中，確定時(shí)間延遲是關(guān)鍵。

2 時(shí)間延遲方法

時(shí)間延遲估計(jì)總體上分為2類:一類是基于相關(guān)運(yùn)算的時(shí)間延遲估計(jì)，即利用當(dāng)τ－D=0時(shí)，兩接收信號(hào)的相關(guān)性最大，選擇τ=D作為時(shí)間延遲估計(jì);另一類是基于自適應(yīng)信號(hào)處理技術(shù)的方法［1－2］。由自適應(yīng)濾波器根據(jù)信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特性，在某種最優(yōu)準(zhǔn)則下自動(dòng)調(diào)節(jié)自身參數(shù)，只需很少或根本不需要任何先驗(yàn)知識(shí)就可以估計(jì)出時(shí)延信息。常用的自適應(yīng)時(shí)延估計(jì)方法有LMSTDE，DLMSTDE，ETDE以及它們衍生的各類算法。

2.1 相關(guān)估計(jì)

廣義相關(guān)法是時(shí)延估計(jì)最常用也是最經(jīng)典的方法。相關(guān)是時(shí)間延遲最直接的方法，而對(duì)于信噪比較低的信號(hào)來(lái)說(shuō)，在進(jìn)行相關(guān)之前做一些降噪的處理有助于提高時(shí)延估計(jì)精度。

設(shè)兩接收信號(hào)的離散時(shí)間信號(hào)模型為:

式中，k為離散時(shí)間變量;D為經(jīng)過(guò)采樣周期歸一化后的時(shí)間延遲;s（k）為感興趣的信號(hào);v1（k）和v2（k）為噪聲。

設(shè)s（k）為單頻信號(hào)，當(dāng)v1（k）和v2（k）為高斯白噪聲時(shí)，采用廣義相關(guān)法，在對(duì)x（k）和y（k）做相關(guān)運(yùn)算前進(jìn)行預(yù)濾波，效果是十分明顯的。在snr=0的情況下，進(jìn)行仿真運(yùn)算。以時(shí)延估計(jì)值與真值相差3個(gè)采樣點(diǎn)以內(nèi)為估計(jì)正確的判斷。在沒(méi)有進(jìn)行濾波時(shí)，10 000次仿真運(yùn)算中，有1 064次估計(jì)錯(cuò)誤。而進(jìn)行濾波后再作相關(guān)運(yùn)算，10 000次仿真估計(jì)全部正確。可見(jiàn)，廣義相關(guān)法對(duì)高斯白噪聲，并且對(duì)信號(hào)的頻率有準(zhǔn)確預(yù)知情況下，有很好的效果。

然而，當(dāng)s（k）為寬帶信號(hào)時(shí)，濾波就起不到如此明顯的作用了，此時(shí)可以采取其他提高信噪比的方法，如小波降噪［3］等。

2.2 自適應(yīng)估計(jì)

將時(shí)延問(wèn)題轉(zhuǎn)換為自適應(yīng)濾波器的參數(shù)估計(jì)問(wèn)題，較早應(yīng)用較廣泛的ETDE方法，是在迭代中將權(quán)系數(shù)設(shè)為sinc函數(shù)的樣值，即濾波器系數(shù)ωn=，通過(guò)對(duì)瞬時(shí)誤差的平方求梯度下降，即可得到時(shí)延估計(jì)值D^。在k時(shí)刻的輸出誤差為:

應(yīng)用這一方法構(gòu)造仿真信號(hào)，進(jìn)行時(shí)延估計(jì)，如圖1所示，其時(shí)延真值為15。從相關(guān)材料來(lái)看［4－5］，信噪比對(duì)此方法無(wú)論從收斂速度還是收斂結(jié)果上的影響并不大。

應(yīng)用自相關(guān)法對(duì)實(shí)測(cè)噪聲進(jìn)行時(shí)延估計(jì)，選取水平陣測(cè)得的兩路信號(hào)進(jìn)行迭代，其結(jié)果如圖2所示。對(duì)相應(yīng)信號(hào)應(yīng)用相關(guān)方法解算出時(shí)延估計(jì)為19，與自適應(yīng)方法得到時(shí)延估計(jì)結(jié)果基本一致。

自適應(yīng)方法的收斂速度決定于步長(zhǎng)因子μ，以及時(shí)延初值D^（0）的選取。式（3）和式（4）也可根據(jù)具體信號(hào)特點(diǎn)進(jìn)行適當(dāng)修改。對(duì)于沖擊性比較強(qiáng)的α穩(wěn)定分布噪聲下，式（4）可以改寫(xiě)成

其中，1≤p＜α≤2。當(dāng)p=2時(shí)則與式（4）相同。

通過(guò)對(duì)比分析了基于相關(guān)和基于自適應(yīng)法的2種時(shí)延估計(jì)方法，應(yīng)當(dāng)說(shuō)2類方法各有特點(diǎn)。相關(guān)法計(jì)算速度快，但對(duì)于信噪比較低的情況，其精度迅速下降。對(duì)于窄帶信號(hào)，濾波會(huì)有很好的效果，但對(duì)于寬帶隨機(jī)信號(hào)則可以采取的手段就很有限。自適應(yīng)法將時(shí)延估計(jì)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為參數(shù)估計(jì)問(wèn)題，其結(jié)果受信噪比影響較小，但其收斂速度與步長(zhǎng)因子有關(guān)，而步長(zhǎng)因子又受到信號(hào)功率的限制;另一方面其收斂結(jié)果也與初值選取有關(guān)，應(yīng)用自適應(yīng)法時(shí)要慎重選取初值D^（0）。

由于本研究所用聲源信號(hào)為單頻信號(hào)，在其發(fā)射頻率上相對(duì)于各種背景信噪比足夠強(qiáng)，可以采用相關(guān)的分析方法進(jìn)行時(shí)延估計(jì)。

3 仿真

由于時(shí)延估計(jì)在上述內(nèi)容中已經(jīng)討論過(guò)，因此本部分內(nèi)容主要對(duì)通過(guò)相關(guān)系數(shù)判斷目標(biāo)各輻射部位對(duì)輻射噪聲貢獻(xiàn)大小的可行性進(jìn)行仿真研究。

仿真目標(biāo)沿直線以速度v通過(guò)測(cè)量直線陣，直線陣陣元數(shù)為3個(gè)，目標(biāo)上裝有5個(gè)等間距的自噪聲水聽(tīng)器，可以設(shè)定5個(gè)自噪聲水聽(tīng)器為頻率相同強(qiáng)度不同的單頻相干聲源。

假設(shè)海水為等聲速梯度，只考慮直達(dá)波，不考慮海面和海底多次反射，在高斯背景噪聲條件下，陣元接收信號(hào)為:

式中:M為自噪聲水聽(tīng)器數(shù);Yj為第j個(gè)陣元接收的信號(hào);Ai和φi分別為第i個(gè)自噪聲水聽(tīng)器接受信號(hào)的幅度和初相;fi為自噪聲聲源的頻率;Rij為第i個(gè)自噪聲水聽(tīng)器到第j個(gè)陣元的距離;c為聲速;N（t）為高斯白噪聲。

本仿真實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置為M=5，直線陣為3陣元，f1=f2=f3=f4=f5=50 Hz，A1=1，A2=2，A3=5，A4=4，A5=3，目標(biāo)航速為6 kn，各自噪聲水聽(tīng)器的初相φi各不相同，Rij可結(jié)合已知參考聲源跟陣元的距離R及目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡等參數(shù)，利用余弦定理獲得。噪聲信號(hào)設(shè)置為方差為1的高斯白噪聲。表1給出各自噪聲信號(hào)與陣元信號(hào)的相關(guān)系數(shù)，從中可以看出，各自噪聲測(cè)點(diǎn)與直線陣上各陣元的相關(guān)系數(shù)大小關(guān)系完全符合預(yù)先對(duì)仿真信號(hào)中各自噪聲測(cè)點(diǎn)幅度大小關(guān)系的設(shè)定。通過(guò)仿真試驗(yàn)證明了運(yùn)用該方法實(shí)現(xiàn)噪聲源貢獻(xiàn)分離的可行性。

4 試驗(yàn)

下面運(yùn)用本方法對(duì)某水下目標(biāo)某試驗(yàn)工況數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究，分析按方法原理介紹中的步驟進(jìn)行。

4.1 分析輻射噪聲頻譜特征

圖3為某水下目輻射噪聲頻譜圖，圖中2條曲線分別代表某試驗(yàn)工況及對(duì)應(yīng)工況狀態(tài)下進(jìn)行的模擬聲源工況頻譜曲線。可以看到，f1和f2頻率在兩頻譜曲線圖中均較為突出，下面將對(duì)這2個(gè)頻率運(yùn)用本文提出的方法進(jìn)行噪聲源識(shí)別及貢獻(xiàn)分離研究。

圖3 某水下目標(biāo)輻射噪聲頻譜圖Fig.3The radiation noise spectrum of underwater target

4.2 確定聲源正橫時(shí)刻

該試驗(yàn)條件下聲源位置正橫時(shí)刻的確定有2個(gè)途徑:一是利用目標(biāo)上安裝的測(cè)距發(fā)射換能器發(fā)射的測(cè)距信號(hào)，通過(guò)查找測(cè)距發(fā)射換能器與直線陣的距離最小值確定測(cè)距換能器正橫時(shí)刻，進(jìn)而通過(guò)換算確定聲源位置正橫時(shí)刻［6］;二是利用安裝的高頻發(fā)射聲源信號(hào)，通過(guò)查找聲源頻率的通過(guò)特性最大值時(shí)刻來(lái)確定聲源正橫時(shí)刻。

在以往針對(duì)水下目標(biāo)的試驗(yàn)中，由于沒(méi)有在目標(biāo)上安裝發(fā)射聲源，因此目標(biāo)與測(cè)量裝置間的空間位置關(guān)系只能依賴測(cè)距信號(hào)。但是考慮到探測(cè)距離等因素，測(cè)距信號(hào)的發(fā)射周期不能太短，使得目標(biāo)正橫時(shí)刻的判斷存在一定的時(shí)間誤差。艦船上潛在的噪聲源分布復(fù)雜，加之受信噪比不足、設(shè)備工作狀態(tài)變化等因素的影響，利用通過(guò)特性法通常無(wú)法精確測(cè)定潛艇某部位與測(cè)量裝置的正橫時(shí)刻。但是通過(guò)潛艇加裝已知聲源使這一方法能得以順利應(yīng)用。發(fā)射聲源信號(hào)具有參考點(diǎn)位置明確，信噪比突出的顯著優(yōu)勢(shì)，得到正橫時(shí)刻的結(jié)果理論上精度比利用測(cè)距信號(hào)得到的正橫時(shí)刻的結(jié)果優(yōu)越。圖4為直線陣上某一陣元接收信號(hào)的聲源頻率通過(guò)特性曲線。

圖4 利用通過(guò)特性獲得聲源正橫時(shí)刻Fig.4The sound source characteristic acquired by passing property at time abeam

4.3 確定陣上各陣元與聲源的時(shí)延

信號(hào)由發(fā)射聲源至接收陣元的傳播過(guò)程不可避免的產(chǎn)生了時(shí)間延遲，既是說(shuō)陣元接收到的信號(hào)總是滯后于聲源信號(hào)發(fā)射的時(shí)刻。在理想水聲場(chǎng)中點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的收發(fā)過(guò)程時(shí)間延遲是距離和聲速的函數(shù)，而實(shí)際的水聲場(chǎng)往往比較復(fù)雜，海底底質(zhì)、聲速梯度、海面反射等都會(huì)對(duì)信號(hào)的傳播構(gòu)成影響，再加之聲源是安放在1個(gè)相對(duì)密閉的由消聲敷瓦包裹的水腔內(nèi)，因此，信號(hào)時(shí)延只適于用距離和聲速近似求得，而無(wú)法精確確定。

在此基礎(chǔ)上，可以選取輻射噪聲正橫時(shí)刻時(shí)間段對(duì)應(yīng)的聲源信號(hào)，另取輻射噪聲數(shù)據(jù)段與之進(jìn)行相關(guān)分析，通過(guò)不斷微調(diào)輻射噪聲數(shù)據(jù)段的起始時(shí)間，最終令二者在聲源信號(hào)頻率上相關(guān)系數(shù)最大，以進(jìn)一步確定聲源信號(hào)的時(shí)延。

以某一陣元為例，圖5橫軸為時(shí)間單位，縱軸為直線陣上該陣元接收信號(hào)與聲源信號(hào)在聲源頻率上的相關(guān)系數(shù)。可見(jiàn)，在經(jīng)過(guò)0.047 s的時(shí)延后二者在相關(guān)系數(shù)上出現(xiàn)了最大值，而在理想條件下二者的時(shí)延經(jīng)計(jì)算應(yīng)為0.045 s。

圖5 利用相關(guān)分析方法獲取時(shí)延Fig.5The time delay acquired by analyzing of correlation method

相關(guān)時(shí)延大于理想時(shí)延，進(jìn)一步證明了前述的復(fù)雜環(huán)境對(duì)聲信道產(chǎn)生的影響客觀存在。

4.4 確定各自噪聲測(cè)點(diǎn)正橫時(shí)刻及陣上各陣元時(shí)延

前述分析過(guò)程得到的正橫時(shí)刻及傳播時(shí)延均是針對(duì)目標(biāo)上安裝的發(fā)射聲源進(jìn)行的，然而要分析目標(biāo)上各自噪聲測(cè)點(diǎn)位置在通過(guò)直線陣正橫時(shí)刻時(shí)的相關(guān)系數(shù)還需對(duì)聲源位置正橫后各自噪聲測(cè)點(diǎn)的正橫時(shí)刻進(jìn)行時(shí)延補(bǔ)償，再加上前述分析得到的信號(hào)傳播時(shí)延即是輻射噪聲應(yīng)整體補(bǔ)償?shù)木C合時(shí)延。

由于目標(biāo)上各自噪聲測(cè)點(diǎn)的空間相對(duì)位置已知，那么結(jié)合相應(yīng)工況下的航速信息，可得到輻射噪聲測(cè)量直線陣上各陣元需要補(bǔ)償?shù)木C合時(shí)延，以4#陣元為例，綜合時(shí)延結(jié)果如表2所示。

4.5 識(shí)別噪聲源和確定特征頻譜貢獻(xiàn)

以表2為依據(jù)，在同時(shí)基數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上選取各自噪聲部位正橫時(shí)對(duì)應(yīng)的輻射噪聲數(shù)據(jù)，首先進(jìn)行綜合時(shí)延補(bǔ)償，然后對(duì)關(guān)心頻率做窄帶濾波，最后進(jìn)行相關(guān)分析，提取輻射噪聲中體現(xiàn)出的特征頻譜上的各自噪聲水聽(tīng)器部位相關(guān)系數(shù)。

圖6和圖7分別為以4#陣元為例分析得到的目標(biāo)上各自噪聲測(cè)點(diǎn)的f1和f2特征頻譜的相關(guān)系數(shù)圖。

圖中結(jié)果說(shuō)明，輻射噪聲中f1特征頻譜的貢獻(xiàn)主要來(lái)源于目標(biāo)上1#自噪聲測(cè)點(diǎn)部位，7#測(cè)點(diǎn)及12#測(cè)點(diǎn)次之;f2特征頻譜的貢獻(xiàn)主要來(lái)源于目標(biāo)上11#自噪聲測(cè)點(diǎn)部位，8#測(cè)點(diǎn)及10#測(cè)點(diǎn)次之。

5 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)噪聲源識(shí)別及貢獻(xiàn)分離問(wèn)題提出了一種新的數(shù)據(jù)分析處理方法。在仿真研究過(guò)程中取得了較好的預(yù)期效果，能達(dá)到識(shí)別噪聲源并分離貢獻(xiàn)的目的。試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析取得的結(jié)果與采用傳統(tǒng)分析方法取得的結(jié)果存在一些出入，但在對(duì)主要噪聲源的識(shí)別及貢獻(xiàn)分離方面結(jié)果是較為一致的。對(duì)水下目標(biāo)的噪聲源識(shí)別及貢獻(xiàn)分離是一個(gè)復(fù)雜問(wèn)題，單一分析手段很難解決所有技術(shù)難點(diǎn)，本文提出的分析方法作為一種新思路在必要時(shí)可以和傳統(tǒng)分析手段互為補(bǔ)充，有利于噪聲源分析工作的深入開(kāi)展。

［1］AGEE B G．Spectrol self-coherence resforal［J］．IEEE Trans．on signal processing，1998，46（1）:51－58．

［2］YU X H，HE，Z Y．A modified adaptive fast transversal filter algorithm with real-time order variant characteristic［Z］．Proc．ofAMSEconferenceonmodelingand simulation．West-Germary，June 1987．

［3］厥開(kāi)良，等．WDA相關(guān)法時(shí)間延遲估計(jì)［J］．清華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2005，45（5）:577－580．

JUE kai-liang，et al．Time delay estimate of WDA correlation method［J］．Journal of Tinghua University，2005，45（5）:577－580．

［4］SO H C，et al．Two adaptive algorithms for multipath time delay estimation［J］．IEEE Journal of oceanic engineering，1994，19（3）:458－462．

［5］SO H C，et al．A new algorithm for explicit adaptation of time delay［J］．IEEE Transcations on signal processing，1994，42（7）:1816－1820．

［6］王之程，陳宗岐，于沨，劉文帥．艦船噪聲測(cè)量與分析［M］．北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2004．