[发明专利]基于超指向性小孔径圆柱阵的舰船辐射噪声源分辨方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种舰船辐射噪声测量方法。

背景技术

目前，国内外有多种舰船辐射噪声的测量方法，大致可以划分为：1)利用单水听器的方法，2)利用水听器簇的方法，3)利用水平阵和垂直阵的方法，4)利用圆柱阵的方法，5)利用合成孔径的方法。而在每种方法中，水听器或基阵的使用方式也各有不同。随着减振降噪技术的不断发展，其辐射噪声级越来越低，对其进行准确测量并分辨噪声来源更加困难，为此多个国家不惜耗巨资开展测量系统集成技术研究和建造海上噪声试验场及可移动式的测试平台。如美国建立的大西洋水下试验与鉴定中心，法国与意大利海军设立了基于近场全息法的大型垂直线阵测试系统，俄罗斯在远东和北海建有固定的大型综合试验场，研制了组合式矢量水听器测试系统。而信号处理和计算机能力的不断增强为舰船辐射噪声的测量与噪声源分辨提供了可能和技术保障。20世纪90年代起，为了能够更有效地测量水下目标辐射噪声，采用大孔径基阵测量的方法得到了飞速发展。近年来，矢量传感器由于其自身具有指向性，引起了广大研究人员的青睐，基于单个矢量水听器和由矢量水听器垂直线阵测量潜艇辐射噪声的方法，不仅有较高的阵增益，基阵孔径比常规声压阵小，还能克服在辐射噪声测量中左右舷模糊的问题(韩荣荣.基于矢量水听器的宽带辐射噪声测量方法研究[D].哈尔滨工程大学硕士学位论文.2009.)。被动合成孔径测量目标辐射噪声(魏建新.被动合成孔径声纳辐射噪声测量方法研究[D].哈尔滨工程大学硕士学位论文，2009.)，该方法可以有效减小阵列孔径，具有较高的阵增益和方位分辨力。舰船辐射噪声是典型的宽带信号，均匀线阵的指向性是频率的函数，在接收阵尺寸固定的情况下，波束宽度随频率的增高而变窄，这样噪声测量就会产生频率畸变，恒定束宽波束形成技术因其在不同频率波束宽度保持一致，能有效地解决常规阵处理基阵输出信号频率失真的问题，然而用该方法实现舰船辐射噪声源分辨比较困难。

辐射噪声源位置及噪声级是表征舰船辐射噪声的两个最基本的量，对舰船多个输射噪声源进行有效分辨是实现舰船不同部位辐射噪声测量的前提。舰船辐射噪声主要包括机械噪声、螺旋桨噪声和水动力噪声(刘伯胜，雷家煜.水声学原理[M].哈尔滨船舶工业学院出版社，1993.)。机械噪声是指舰船航行或作业时各种机械振动通过船体向水中辐射而形成的噪声，如主机和辅机等的运作；螺旋桨噪声是由旋转着的螺旋桨所辐射的噪声，包括螺旋桨空化噪声和螺旋桨叶片振动时所产生的噪声；水动力噪声由不规则的、起伏的海流流过运动舰船表面而形成，是水流动力作用于舰船的结果，其主要集中在迎流部位。对于给定的航速和深度，存在一个临界频率，低于此频率时，舰船辐射噪声谱的主要成分则是舰船机械和螺旋桨的线谱，高于此频率时，谱的主要成分则是螺旋桨空化的连续谱。通常，舰船和潜艇的临界频率约在100～1000Hz之间，它取决于船的种类、航速和深度(何正耀，张翼鹏.舰船辐射噪声建模及仿真研究[J].电声技术，2005；12∶52-55.)。舰船辐射噪声组成极其复杂，受舰船尽寸的影响，各噪声源间距较小，其频谱成分相互叠加，使得进行舰船辐射噪声源分辨这一问题成为一大难点，也是工程上亟待解决的难题。因此，急需开展高分辨信号处理算法研究。

在常规阵列信号处理中，基阵相邻阵元的间隔为信号波长的一半，如果声纳的工作频段比较低，为了得到一定的空间处理增益，就会使得声纳基阵的体积变得非常庞大，不利于实际应用和工程实施。超增益处理方法对于解决这个难题具有重要指导意义(Y.L.Ma，B.S.Zhang.Investigation to the supergain hydrophone arrays for wideband application in isotropic ambient noise field.Proceedings of ECUA2000，Lyon，France：2000，1043-1048.)。相对于常规阵而言，超增益阵在低频段有较大的优势，一个较小尺度的基阵，通过超增益处理，可以获得可观的空间处理增益，这对于实现舰船低频辐射噪声源分辨提供了思路。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种超指向性小孔径圆柱阵实现舰船辐射噪声源分辨的方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：

1.建立测量水听器阵输出信号模型