基于DASP系統(tǒng)的水下航行器內(nèi)噪聲監(jiān)測技術(shù)研究＊

曲 豐 吳 磊 張 儀

（中國人民解放軍91388部隊92分隊 湛江 524022）

1 引言

隨著現(xiàn)代海戰(zhàn)模式的發(fā)展，水下航行器不僅要對付敵方的反潛水面艦船的攻擊，而且需要同時應(yīng)對來自水下、空中和陸上的威脅。全面提高水下航行器攻防能力的一個關(guān)鍵技術(shù)，就是強化其綜合隱身性能。在目前的技術(shù)條件下，水下航行器隱身技術(shù)的重要手段是消聲和降噪。噪聲干擾不僅會影響到水下航行器的隱身性能，暴露我方目標(biāo)，其振動也可能會影響艙內(nèi)各種儀器儀表、設(shè)備的正常工作。因此，艙內(nèi)噪聲問題日益引起了水下航行器設(shè)計工作者的關(guān)注［1］，噪聲頻率范圍和強度已經(jīng)成為必不可少的戰(zhàn)技指標(biāo)。各國在努力降低水下航行器噪聲的同時，相繼開發(fā)了噪聲實時監(jiān)測系統(tǒng)，通過有效的測量和聲場特性的監(jiān)測，及時、準(zhǔn)確掌握水下航行器的艙內(nèi)噪聲，不僅可以為水下航行器在戰(zhàn)時調(diào)整航行狀態(tài)、采取有效的規(guī)避措施提供依據(jù)，同時也可為本艇調(diào)整并且實施有效的對敵攻擊方案提供決策支持［2］。

2 DASP噪聲實時監(jiān)測系統(tǒng)

基于噪聲實時監(jiān)測技術(shù)的DASP（Data Acquisition and Signal Processing）系統(tǒng)是一套小型化的監(jiān)測系統(tǒng)，可實現(xiàn)環(huán)境噪聲測量以及測量數(shù)據(jù)的分析和處理。該系統(tǒng)注重實用、內(nèi)容豐富、功能先進，在爆破測試和地震信號測量等領(lǐng)域均有廣闊的應(yīng)用前景［3］。

2.1 系統(tǒng)組成

測量系統(tǒng)［4］主要由24位信號采集分析儀、ICP聲壓傳感器、空氣壓力傳感器、聲壓校準(zhǔn)器、聲級計、數(shù)據(jù)記錄器、數(shù)據(jù)分析處理機、高頻低噪聲電纜線以及儀器專用箱等組成，如圖1所示。軟件環(huán)境主要由DASP－V10工程版平臺軟件、聲學(xué)測試軟件、三測量技術(shù)和虛擬擴展通道采樣軟件、傳遞函數(shù)分析功能軟件、信號發(fā)生軟件、波形編輯處理軟件、工程測試檢定系統(tǒng)軟件等組成。

圖1 監(jiān)測系統(tǒng)原理框圖

2.2 系統(tǒng)工作流程［5］

系統(tǒng)工作流程如圖2［6］所示。

系統(tǒng)上電后，運行DASP系統(tǒng)軟件開始工作。設(shè)置相關(guān)參數(shù)，初始化系統(tǒng)內(nèi)核，若不需要采集數(shù)據(jù)，系統(tǒng)進入待機狀態(tài)。開始工作時點擊軟件界面上的采集按鈕進入信號采集部分，傳感器將采集的信號通過電纜傳輸至信號調(diào)理電路進行濾波、整流、放大處理，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路將預(yù)處理后的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號進行數(shù)據(jù)緩存，當(dāng)緩存到一定容量后將數(shù)據(jù)傳送到硬介質(zhì)中進行物理存儲，便于事后數(shù)據(jù)的進一步分析。若需要實時數(shù)據(jù)分析，則打開實時處理軟件，進行信號波形的實時顯示以及頻譜分析。事后數(shù)據(jù)分析處理時，DASP系統(tǒng)可調(diào)用存儲數(shù)據(jù)從時域和頻域等方面進行周期、相關(guān)性、功率譜的分析。

圖2 系統(tǒng)工作流程圖

3 主要數(shù)據(jù)分析處理方法

3.1 時變參量分析［7］

時變參量分析用于分析信號的某個參量隨時間變化的特性，例如對于變化的聲音信號，可以通過時變參量分析得到各個時刻的聲壓級，獲取聲壓級隨時間變化的曲線。時變參量分析從名義上看是分析信號在各個時刻的參量量值，但本質(zhì)上是分析各個時刻開始的一個時間段內(nèi)的參量量值。因此，在DASP的時變參量分析模塊中需要設(shè)置分析點數(shù)，對應(yīng)分析的時間段，此外還要設(shè)置分析偏移，對應(yīng)兩次分析（即兩個時間段開始點）的數(shù)據(jù)間隔。例如被分析數(shù)據(jù)長度為A個點，設(shè)置分析類型為有效值，分析點數(shù)為B個點，分析偏移為C點，則DASP將首先從第一點開始取B個點數(shù)據(jù)計算其有效值得到分析結(jié)果的第一個數(shù)據(jù)點，然后從第C點開始再取B個點計算有效值得到結(jié)果的第二點，再后則從第2×C點開始取B個點計算，依次進行，最后可以得到（A－B）／C個點的有效值－時間曲線結(jié)果。

3.2 相關(guān)分析原理

所謂“相關(guān)”是指變量之間的線性關(guān)系。對于確定性信號，兩個變量之間可以用函數(shù)關(guān)系來描述，對于兩個隨機信號之間就不具有這樣的確定性關(guān)系，但是通過大量統(tǒng)計就可以發(fā)現(xiàn)它們之間還是存在具有某種內(nèi)涵的物理關(guān)系。通常相關(guān)分析用于研究兩個信號之間的相關(guān)性，如測定管道損傷位置、判定設(shè)備振動和噪聲與其部件振動的關(guān)系等。相關(guān)分析分為自相關(guān)分析和互相關(guān)分析兩種。

1）自相關(guān)分析：自相關(guān)函數(shù)是描述信號x（t）一個時刻的取值與另一個時刻的取值之間的依賴關(guān)系，其計算公式為

其中：Rx（τ）為相關(guān)函數(shù)，x（t）為要分析的信號序列，τ為時間延遲。通常使用相關(guān)系數(shù)來描述相關(guān)性，更具有對比性和方便性。DASP系統(tǒng)提供的就是相關(guān)系數(shù)函數(shù)，定義如下：

其中：μx為均值為方差。

2）互相關(guān)分析：互相關(guān)函數(shù)是對兩個信號x（t）和y（t）進行分析的，描述x（t）一個時刻的取值與y（t）另一個時刻的取值之間的依賴關(guān)系，其計算公式為

同樣，互相關(guān)系數(shù)的定義如下：

4 實測數(shù)據(jù)分析

在某海域，水下航行器水下勻速直航，利用DASP系統(tǒng)進行了水下航行器艙室內(nèi)噪聲實時監(jiān)測測量。測量條件：海況三級以下，外部環(huán)境噪聲對艙室內(nèi)干擾可以忽略。截取實時監(jiān)測中的一段數(shù)據(jù)進行分析。通過時變參量分析方法可以分析出這段數(shù)據(jù)中噪聲的最大值，如圖3所示［8］。

圖3 實測數(shù)據(jù)時變參量分析圖

對這段噪聲數(shù)據(jù)進行自相關(guān)分析，可以看出自相關(guān)系數(shù)大于0.5，則表明該信號中含有周期成份，具體情況如圖4所示［8］。

圖4 實測數(shù)據(jù)自相關(guān)分析圖

通過互相關(guān)分析研究系統(tǒng)的時間滯后性質(zhì)，對系統(tǒng)兩個采集通道的輸出信號進行自相關(guān)計算，利用互相延時和能量信息可以對傳輸通道進行分析識別，如圖5所示［8］，互相關(guān)系數(shù)為0.35，表明噪聲中含有確定性信號，可能來自艙室中某一確定設(shè)備的振動噪聲。進一步分析時，可對水下航行器航速、航深進行調(diào)整，結(jié)合發(fā)射武器時的工況［9］，用DASP系統(tǒng)進行噪聲實時監(jiān)測。并在測量的過程中，改變傳感器的位置，將采集的多組數(shù)據(jù)進行分析對比，就可以初步確定較高能量的噪聲具體源于該設(shè)備的某部件，為設(shè)備下步的結(jié)構(gòu)改進提供一定的參考依據(jù)［11］。

圖5 實測數(shù)據(jù)互相關(guān)分析圖

5 結(jié)語

本文在介紹基于噪聲實時監(jiān)測技術(shù)的DASP系統(tǒng)組成原理和工作流程基礎(chǔ)上，利用海上實測數(shù)據(jù)，運用數(shù)據(jù)處理方法進行了驗證。結(jié)果表明，該系統(tǒng)能對水下航行器內(nèi)噪聲信號實時監(jiān)測和顯示，并對隨機信號中的確定性成份進行準(zhǔn)確、可靠的識別。其深入研究將為國內(nèi)更精密水下航行器噪聲監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)提供一定的參考，同時可為水下航行器的降噪提供數(shù)據(jù)支持，具有明顯的軍事價值。

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