四分之一波長間距陣抗拖船干擾研究

馮文，畢雪潔，曾財高，趙安邦

?

四分之一波長間距陣抗拖船干擾研究

馮文1,2，畢雪潔1,2，曾財高1,2，趙安邦1,2

(1. 哈爾濱工程大學水聲技術(shù)重點實驗室，黑龍江哈爾濱 150001；2. 哈爾濱工程大學水聲工程學院，黑龍江哈爾濱，150001)

為改善拖曳線列陣聲吶的尾向探測能力，降低拖船噪聲對半波長間距陣尾向探測性能的制約，本文關(guān)注四分之一波長間距陣對連續(xù)波信號和帶限噪聲的響應(yīng)。研究表明，四分之一波長間距陣具有非對稱的端向指向性，與半波長間距陣相比有約20 dB的空間抑制能力，能有效抑制拖船輻射噪聲干擾。本文還提出用零陷權(quán)組合傳感器構(gòu)成四分之一波長間距陣，理論上其抗拖船噪聲干擾的效果比四分之一波長間距陣更好。

拖船干擾；四分之一波長間距陣；零陷權(quán)組合傳感器；零陷權(quán)波束形成

0 引言

拖船高速巡航時輻射噪聲很強，是拖曳線列陣聲吶的重要干擾之一。由于多途到達效應(yīng)，拖曳陣在拖船方向25°的扇面內(nèi)受到拖船輻射噪聲的強干擾，該扇面稱為“強干擾扇面”。拖線陣不單單在拖船噪聲直達聲到達方向，而是在一個扇面內(nèi)受到干擾，稱為“多途角擴展”。在拖曳陣的尾向(與拖船相反的方向)存在著“弱可探測區(qū)”，在該扇面內(nèi)拖船輻射噪聲干擾也是嚴重的。因而，改善拖曳線列陣聲吶“尾向探測”性能的關(guān)鍵仍是抗拖船輻射噪聲干擾。

對于拖線陣魚雷報警聲吶，改善尾向探測性能是重要的，因為像尾流自導魚雷就是從尾向來襲的。

討論抗拖船噪聲干擾的文獻很多[1-14]。早期研究多數(shù)采用各種不同結(jié)構(gòu)的自適應(yīng)抵消技術(shù)來抗拖船噪聲干擾[1-6,12]。稍后，不再基于拖船噪聲干擾的平面波假設(shè)，考慮到多途模型，一些研究者采用匹配場方法[6,9]或聲屏蔽技術(shù)[7,11,14]抗拖船噪聲干擾。

上述所有文獻均僅討論半波間距陣抗拖船噪聲干擾問題，其效果雖各有千秋，但在“強干擾扇面”內(nèi)效果均不理想。因而，本文并不仔細研究“強干擾扇面”內(nèi)抗拖船干擾問題。本文采用的間距陣可顯著改善尾向探測性能；若采用間距陣時，文獻中的各種方法將有更好的抗拖船噪聲干擾的效果(與半波間距陣相較)。這是因為在各向同性干擾背景場(也稱非相干噪聲場)中，半波間距空間采樣被證明是最佳的(常稱之空間采樣定理)，然而拖船噪聲干擾場是相干的，因而可不受空間采樣定理約束，陣元間距不必是，本文指出間距陣最好。

1 基本原理

一個半波間距陣，為什么在陣的尾向有“弱可探測扇面”呢？當波束指向拖船相反方向時為什么仍接收到強的拖船噪聲干擾呢？其原因是半波間距陣的端向波束指向性是對稱的，波束主極大指向尾向時，其波束圖在拖船方向也是最大值，請見圖2(a)，從而該波束接收到強的拖船噪聲干擾。間距陣的波束指向性是不對稱的，當端射波束在尾向為最大值時，在拖船方向是指向性的零點，所以能有效抑制拖船噪聲。下文將加以詳述間距陣對連續(xù)波單頻矩形脈沖[15](Continuous Wave, CW)信號或帶限噪聲的響應(yīng)。

(2)

式中，或為陣元總數(shù)。當兩種間距陣陣長相同時，有。

由式(2)和式(3)得到：

(5)

(6)

可用指向性在拖船方向的響應(yīng)的差值表示抗拖船噪聲干擾的性能。定義：

表1 波束指向不同方向時抗拖船噪聲能力的值表(1 kHz CW信號)

Table 1 Anti-interference performance () of the array with λ/4 intervals in different directions (1 kHz, CW signal)

表1 波束指向不同方向時抗拖船噪聲能力的值表(1 kHz CW信號)

θ0/(°)9060300-45 η/dB22.332.813.05.4-6.0

注：波束指向0方向，比較7元/2間距陣和13元/4間距陣，抗拖船噪聲能力是兩者在拖船方向=-π/2的波束響應(yīng)差值，詳見式(7)。

拖船噪聲是連續(xù)譜隨機噪聲，所以須在聲吶工作頻段內(nèi)比較相同陣長、不同間距陣的響應(yīng)，也就是須討論基陣對入射帶限隨機噪聲的響應(yīng)。

一個帶限隨機噪聲平面波投射到均勻線陣上，可以合理地假定各頻率分量是相互獨立的。所以波束輸出的總功率是各頻率分量的功率之和。式(1)為波束輸出的頻率為的功率分量，據(jù)上述的功率迭加定理有：

假定連續(xù)譜隨機噪聲是帶限白色的，即設(shè)：

代入式(8)，得到

(10)

可用數(shù)值積分方法計算式(10)，從而得到基陣對帶限連續(xù)譜噪聲的響應(yīng)，也可以用蒙特卡羅的思想仿真得到基陣對帶限噪聲的響應(yīng)，示于圖3。可以看到，理論結(jié)果與蒙特卡羅仿真結(jié)果吻合較好。

注：帶限噪聲中心頻率1 kHz，帶寬200 Hz。表示半波長間距，陣元數(shù)；表示四分之一波長間距，陣元數(shù)。蒙特卡羅仿真參數(shù)是：采樣率16kHz，高斯白噪聲經(jīng)過128階900~1100 Hz的FIR帶通濾波器得到帶限噪聲。

表2 波束指向不同方向時抗拖船噪聲能力的值表(帶限噪聲)

Table 2 Anti-interference performance () of the array with λ/4 intervals in different directions (band limited noise)

表2 波束指向不同方向時抗拖船噪聲能力的值表(帶限噪聲)

θ0/(°)9060300-45 η/dB24.221.48.54.0-2.3

文獻[11]中用零陷權(quán)波束形成方法抗拖船噪聲干擾。由文獻[14]得到零陷權(quán)矢量為

陣長相同的兩種不同間距陣零陷權(quán)波束形成處理前后的響應(yīng)對比示于圖4，引導方向為尾方向，零陷方向為拖船方向。圖中，表示半波長間距，陣元數(shù)=7；表示四分之一波長間距，陣元數(shù)=13。選取間距陣的零陷方向為-90°，選取間距陣的零陷方向為-89°，這是由于間距陣的端向波束指向性是對稱的，在對-90°方向零陷的同時也會對+90°方向零陷。

(13)

相鄰陣元形成的心形指向性為

元均勻線列陣功率指向性示于式(1)和式(3)。

由指向性乘積定理得組合陣的功率指向性為：

陣元數(shù)較小時，取為奇數(shù)較好，此時(-1)為偶數(shù)。由于間距陣在方向已有零點，所以心形零點應(yīng)設(shè)置在角擴展扇面內(nèi)的另外位置，如。

4 結(jié)論

本文關(guān)注的是改善拖線陣聲吶的尾向探測性能，本文方法不能改善“強干擾扇面”內(nèi)的探測能力。理論分析與仿真研究均表明，四分之一波長間距陣具有非對稱端向指向性，與半波長間距陣相比有約20 dB的空間抑制能力，能有效抑制拖船噪聲干擾。用零陷權(quán)組合傳感器構(gòu)成四分之一波長間距陣，理論上其抗拖船輻射噪聲干擾效果比四分之一波長間距陣更好，改善了除強干擾扇面以外的所有方位的探測能力。不過，在固定孔徑的前提下，采用四分之一波長間距陣來提高聲吶的尾向探測性能是以增加硬件規(guī)模和成本為代價的。

[1] 姜達. 基于矢量水聽器自適應(yīng)本艦噪聲抵消技術(shù)研究[D]. 西安: 西北工業(yè)大學, 2006, 44-59.

JIANG Da. Adaptive vessel noise canceling based on towed vector sensors[D]. Xi’an: Northwestern Polytechnical University, 2006, 44-48.

[2] Widrow B, Glover Jr J R, McCool J M, et al. Adaptive noise canceling: Principles and applications[J]. Proceedings of the IEEE, 1975, 63(12): 1692-1716.

[3] Godara L C. Postbeamformer interference canceller with improved performance[J]. J. Acoust Soc Am., 1989, 85(1): 202-213.

[4] 劉本奇, 杜選民. 逆波束形成拖船噪聲抵消[C]//中國聲學學會, 2007年全國水聲學學術(shù)會議論文集. 鄭州: 中國聲學學會, 2007, 154-156.

LIU Benqi, DU Xuanmin. Tow ship noise cancellation based on the IBF method[C]// Acoustical Society of China, Conference proceedings on underwater acoustics 2007. Zhengzhou: Acoustical Society of China, 2007, 154-156.

[5] 童立, 馬遠良, 鄢社峰, 等. 拖曳雙線列陣相減處理對本艦噪聲的抑制作用[C]//中國聲學學會, 2001年全國水聲學學術(shù)會議論文集.大同: 中國聲學學會, 2001, 88-90.

TONG Li, MA Yuanliang, YAN Shefeng, et al. Suppression of tow-ship radiated noise by subtract processing for a towed twin-line array[C]// Acoustical Society of China, Conference proceedings on underwater acoustics 2001. Datong: Acoustical Society of China, 2001, 88-90.

[6] 楊坤德, 馬遠良. 匹配場噪聲抑制的穩(wěn)健方法[J]. 兵工學報, 2005, 26(6): 746-750.

YANG Kunde, MA Yuanliang. Robust matched field noise suppression[J]. Acta Armamentarii, 2005, 26(6): 746-750.

[7] 馬敬廣, 余赟, 滕超, 等. 聲屏蔽技術(shù)抗拖船干擾[J]. 應(yīng)用聲學, 2010, 29(6): 449-457.

MA Jingguang, YU Yun, TENG Chao, et al. Tow-vessel noise suppression using acoustic covering[J]. Applied Acoustics, 2010, 29(6): 449-457.

[8] Zhang B. A novel algorithm for the canceling of broadband multi-path interference[C]// Computer Science and Engineering, 2009. WCSE'09. Second International Workshop on. IEEE, 2009, 2: 285-288.

[9] 楊坤德, 馬遠良, 鄒士新, 等. 拖線陣聲吶的匹配場后置波束形成干擾抵消方法[J]. 西北工業(yè)大學學報, 2004, 22(5): 576-580.

YANG Kunde, MA Yuanliang, ZOU Shixin, et al. Matched field postbeamformer interferences canceling method for towed array[J]. Journal of Northwestern Polytechnical University, 2004, 22(5): 576-580.

[10] 張賓, 孫長瑜, 孫貴青. 基于經(jīng)驗?zāi)Ｊ椒纸獾耐弦肥铰晠韧洗肼暤窒芯縖J]. 應(yīng)用聲學, 2007, 26(2): 68-73.

ZHANG Bin, SUN Changyu, SUN Guiqing. Tow ship noise cancellation using empirical mode decomposition[J]. Applied Acoustics, 2007, 26(2): 68-73.

[11] 曹濤, 康春玉. 零陷波束形成器抑制拖船噪聲研究[C]//中國聲學學會, 中國聲學學會第九屆青年學術(shù)會議論文集.廣州: 中國聲學學會, 2011, 217-218.

CAO Tao, KANG Chunyu. Research on null steering beamformer for tow ship noise canceling[C]// Chinese acoustic association. Papers of national conference on acoustics in 2011. Guangzhou: Acoustical Society of China, 2011, 217-218.

[12] 李磊, 高潔, 吳克桐, 等. 一種基于矢量拖曳陣的拖船干擾抵消算法[J]. 聲學技術(shù), 2009, 28(5): 582-585.

LI Lei, GAO Jie, WU Ketong, et al. A towed ship interference canceling algorithm for vector sensor line array[J]. Technical Acoustics, 2009, 28(5): 582-585.

[13] Tuladhar S R, Buck J R. Optimum array design to maximize Fisher information for bearing estimation[J]. J. Acoust. Soc. Am., 2011, 130(5): 2797-2806.

[14] 梅繼丹, 惠俊英, 王逸林, 等. Bartlett波束形成的波束零限權(quán)設(shè)計[J]. 哈爾濱工程大學學報, 2008, 29(12): 1315-1318.

MEI Jidan, HUI Junying, WANG Yilin, et al. Designing null-forming weights based on Bartlett beam forming[J]. Journal of Harbin Engineering University, 2008, 29(12): 1315-1318.

[15] 田坦. 聲吶技術(shù)[M]. 2版. 哈爾濱: 哈爾濱船舶工程學院出版社, 2009: 31.

TIAN Tan. Sonar Technology[M]. Second Edition. Harbin: Harbin Engineering University Press, 2009: 31.

[16] 尤立克R J. 水聲原理[M]. 洪申譯, 哈爾濱: 哈爾濱船舶工程學院出版社, 1990: 41-43.

Urick R J. Principles of underwater sound[M]. New York: McGraw-Hill Book Company, 1975: 49-52.

Research on anti towing ship interference with quarter wavelength interval array

FENG Wen1,2, BI Xue-jie1,2, ZENG Cai-gao1,2, ZHAO An-bang1,2

(1. Acoustic Science and Technology Laboratory, Harbin Engineering University, Harbin 150001,Heilongjiang, China;2. College of Underwater Acoustic Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001,Heilongjiang, China)

There are a lot of published studies which discuss the anti-interference problem in the noise background radiated by a towing ship based on the array with an interval of 1/2 wavelength between elements. Not the 1/2 wavelength interval one but the 1/4one is to be concerned because of the obvious benefit to detecting signal in the noise background radiated by towing ship. Research shows that the end fire directivity of the array with an interval of 1/4 wavelength between elements is not symmetric, which can suppress tow-ship interference effectively. And, theare proposed as elements to form the 1/4 wavelength interval array, with which the detection ability in the tail direction can be improved more significantly.

towing ship interference; 1/4 wavelength interval array;combined sensor with null beam pattern; null beam forming

TB556

A

1000-3630(2015)-03-0228-05

10.3969/j.issn1000-3630.2015.03.008

2014-05-12;

2014-08-20

馮文(1990－), 女, 四川射洪人, 碩士, 研究方向為水聲信號處理。

趙安邦, E-mail: zhaoanbang@hrbeu.edu.cn