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現艦船高頻信號的主要噪聲源的精確定位，實驗證明在正橫位置時的定位精度可小于2 m。但對于低頻、線譜等信號，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，無法實現精確定位。本文提出采用高精度頻域MVDR聚焦波束形成聲圖測量方法，實現頻率大于200 Hz艦船目標定位。經理論仿真與實際信號分析，該方法可以實現低頻信號的高精度定位，定位精度明顯優于常規波束形成(CBF）。

聚焦波束形成;聲圖定位;近場MVDR

0 引言

眾所周知，機械噪聲、螺旋槳噪聲和水動力噪聲是艦船的三大水下噪聲源，三者構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生機理、產生部位和結構之間的差異是噪聲源定位與識別的基礎，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實意義。

實驗證明，聚焦波束形成聲圖測量方法［1］是一種在近距離可以實現精確定位的方法，采用高頻近距離信號定位誤差可小于2 m。但該方法由于受到目標聲源的頻率與陣元間距的影響［2］，因此其對低頻目標分辨力較差。而最小方差無畸變響應(minimum variance distortionless response，MVDR［3］）高分辨方位估計方法自問世以來，就以其簡單的算法，良好的分辨性能得到了廣泛關注，是一種具有良好實用前景的高分辨方位估計方法。本文給出近場MVDR波束形成方法，可實現最佳的信號保護、干擾消除和噪聲降低能力，即信號/(干擾+噪聲）比增益最大。通過該方法可以實現較低頻段信號定位，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，實現了艦船目標本體輻射出頻率大于200 Hz噪聲信號定位。通過仿真與實驗數據分析，頻域MVDR聚焦波束形成聲圖測量方法較常規近場聚焦波束形成聲圖測量方法性能優越，在聲圖中顯示的亮點初出。通過采用頻域MVDR聚焦波束形成聲圖測量方法對一艘大型實驗船進行數據分析后發現該方法可以實現對某一頻段信號進行定位。

1 聲圖測量原理

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進行平面區域的動態掃描補償。不同于常規波束形成，它關注的是目標距離與陣尺度相近，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用。

聚焦波束形成聲圖法原理如圖1所示。在測量區P平面上有一目標聲源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，目標源點S極坐標為 (r00，θ0），掃描點S'極坐標為 (r0，θ）。在理想條件下，假設聲源聲場為球面波，則聚焦波束探針輸出為

其中，ri0為目標聲源到陣元i的斜距;ri為掃描點到陣元i的斜距;c為聲速。式(1）中時延補償量

當式(2）成立時，掃描點S'與目標源點S重合，聚焦峰的位置即為目標所在位置。

圖1 聚焦波束聲圖被動定位原理圖Fig.1 Diagram of underwater image localization

2 近場MVDR聚焦波束形成

假設測量基陣是由m個等間隔的陣元組成，以xi(t）表示第i個陣元的接收信號，wi表示對應的加權值，則傳統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的功率最小，同時又保持觀測方向上的信號功率不變，使信號源能量對波束寬度內的其他方向最小化，實際上是一個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波束形成器的權向量和方位譜為［5］:

MVDR波束形成器能夠提供最佳的信號保護、干擾消除和噪聲降低能力，理想情況下，MVDR的波束指向性函數近似為狄利克δ函數。

比較式(4）和式(7）可發現，MVDR波束形成器與CBF波束形成器的差別主要在于:MVDR多了一個對自相關矩陣求逆的過程，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的是時域窄帶信號，但在進行艦船噪聲源分析時，經常用到的是寬帶信號，因此可以采用寬帶頻域MVDR算法進行寬帶信號處理。具體方法是:將寬帶信號分解為多個窄帶進行FFT(快速傅立葉變換）處理，對各窄帶估計頻域互譜矩陣，通過互譜矩陣得到MVDR權向量和輸出譜。多個窄帶的MVDR空間譜聚焦后得到寬帶空間譜，根據譜的峰值位置確定噪聲源的位置。

3 MVDR聚焦波束形成方法仿真

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。信號采樣頻率fs=50 kHz，積分時間T=1 s，背景干擾為高斯白噪聲，信噪比為20 dB。

極坐標系聲圖測量模型如圖1所示。目標等深航行，在目標上有3個噪聲源，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°。信號為寬帶噪聲信號，帶寬為20 Hz～3 kHz。3個噪聲源的位置分別為(0°，50 m），(2°，50 m）和(10°，50 m）。

MVDR算法的計算量主要體現在陣列協方差矩陣的估計和求逆運算上，設信號的處理頻段為300～400 Hz，數據快拍長度為N=1 024點。先用窄帶分解MVDR算法對數據的頻率進行分段，求頻域平滑互譜密度矩陣，每段數據nfft=1 024點。為了減小計算量，同時提高信號的分辨率，本文采用對信號進行降采樣處理，降采樣系數d=50。

圖2和圖3分別給出了常規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果圖。圖中橫坐標為方位，縱坐標為距離。圖2中顯示了不能分清來自于0°和2°方向的信號，10°方向的信號雖然能分出，但從聲圖中看到其亮點面積較大，因此聚焦峰不夠尖銳，不能準確分辨位置的方位。圖3采用MVDR頻域算法的結果則能明顯分辨出3個噪聲源的實際位置，從聲圖中可以看到亮點突出，聚焦峰尖銳。

圖2 常規聚焦波束形成聲圖方法仿真結果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個目標假定距離相同，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。從此組仿真信號中可以得出在低頻段MVDR頻域聚焦波束形成聲圖法比常規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比圖Fig.4 Correlation along distance of twomethods

圖5 兩種方法沿方位方向剖面對比圖Fig.5 Correlation along azimuth of twomethods

4 海試數據驗證

實驗布局如圖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）。此次實驗的目標為大型實驗船，航速為6 kn，海深H為25.295 m，聲速為1 488.86 m/s。

由于實驗目標為某大型船，從主要聲源定位的角度應該首先分析艦船目標輻射出來的高頻信號，這是因為近場聚焦波束形成聲圖測量方法對于高頻信號有很高的定位精度。而高頻信號主要來源于艦船尾部，即由螺旋槳空化產生的，知道了螺旋槳位置、艦船運行方向后即可以根據實際情況推算出相應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艦船低頻信號 (1 000 Hz以下）實現噪聲源定位，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）。具體實驗數據處理過程為:數據采樣率fs=100 Hz，降采樣d=50，FFT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，為了實現噪聲源定位，數據積分時間不能過長，因此本次實驗數據處理積分時間選用0.2 s，可忽略噪聲源在運動。

艦船目標輻射出來的噪聲信號，當處理不同頻率的信號時可能對應著不同位置的噪聲信號。圖7為頻率300～400 Hz MVDR頻域聲圖處理結果。圖8為頻域MVDR聚焦波束形成聲圖測量方法與常規近場聚焦波束形成聲圖測量方法沿距離方向剖面對比圖，實驗數據處理結果比仿真結果差一些，分析原因主要有:① 存在著多途效應;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驗結果相符合。

5 結語

本文就艦船噪聲源中低頻信號無法實現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，可以實現頻率大于200 Hz艦船目標聲源定位研究。經理論仿真與實際信號分析，該方法可以實現低頻信號的高精確定位，定位精度明顯優于CBF。經過實驗證明，可以采用頻域MVDR聚焦波束形成聲圖測量方法進行艦船目標低頻信號的精確定位，但由于本次信號處理中為保證在處理的時間段內主要噪聲源的移動可忽略，只采用了0.2 s的數據，因此，信號的頻率特性不穩定，對于通過采用主要聲源定位結果得到此聲源的頻率信號有一定的影響，這是要進一步解決的問題。

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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

重點實驗室基金資助項目(9410C260103080C26）

晁大海(1965－），男，高級工程師，從事艦船監造及噪聲測試工作。