[发明专利]基于稀疏谱拟合的水下声源位置及功率谱联合估计方法

说明书

本发明涉及一种基于稀疏谱拟合的水下声源位置及功率谱联合估计方法，针对由各向同性声压水听器组成的垂直线列阵，提出一种基于稀疏谱拟合(Sparse Spectral Fitting，SpSF)的水下声源位置及功率谱密度(Power Spectral Density，PSD)联合估计方法。该方法利用试验水域中声源位置的稀疏性，将试验水域网格化，建立稀疏信号恢复模型，并推导了采样协方差矩阵和辐射噪声PSD之间的关系，最后利用SpSF方法同时估计出声源的位置和辐射噪声的PSD。

技术领域

本发明属于舰船辐射噪声测量，涉及一种基于稀疏谱拟合的水下声源位置及功率谱联合估计方法。

背景技术

船只建造完成后，需要对其辐射噪声级进行测量，以评估其性能。现在常用的舰船噪声测量系统都是以单水听器为主，通常在环境噪声极低的水域进行，只有当舰船辐射噪声级远高于环境噪声，水听器接收信号的信噪比很高时，才能在误差允许范围内测量出舰船的辐射噪声级。而随着减震降噪技术的发展，舰船辐射噪声越来越低，且海洋中环境噪声因新航道开发、商船增多而逐年上升，单水听器已经无法实现低辐射噪声级的精确测量。为了解决单水听器测量在低信噪比下测量性能下降的缺陷，孙贵青(孙贵青,杨德森,张揽月.基于矢量水听器的水下目标低频辐射噪声测量方法研究[J].声学学报,2002,27(5):429-434.)、方尔正(方尔正,王燕.水下目标辐射噪声测量方法[J].南京航空航天大学学报,2009,41(2):238-242.)等人利用矢量水听器自身与频率无关的指向性，将其用于辐射噪声测量，以提高接收信号的信噪比，相比于传统的声压水听器具有更高的空间增益。吴国清(吴国清,王美刚,陈守虎等.用垂直阵和单水听器测量水下目标辐射噪声的误差分析及其修正方法[J].声学学报,2007,32(5):398-403.)等则通过声压水听器阵列获得较高的空间指向性和阵增益，显著降低环境噪声对辐射噪声测量的影响，提高测量精度。向龙凤(向龙凤,孙超,刘宗伟等.基于虚拟时间反转镜的垂直阵舰船辐射噪声级测量方法[J].声学学报,2013(1):57-64.)等人利用虚拟时间反转镜技术进行噪声测量，降低了多途信号对接收信号的影响，提高了舰船辐射噪声测量精度。

但是，上述舰船辐射噪声测量方法，通常需要预先确定目标的位置或方位，才能准确地估计舰船辐射噪声。在实际辐射噪声测量时，水下声源及水下布放的接收基阵受水流、定位精度等因素的影响，声源和接收基阵的相对位置通常难以准确测量，将导致辐射噪声测量方法性能的下降。而对于非合作目标，其位置完全未知，现有的辐射噪声测量方法甚至会失效。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种基于稀疏谱拟合的水下声源位置及功率谱联合估计方法，在舰船位置未知时准确测量其辐射噪声的功率谱密度。

技术方案

本发明的主要内容有：

1、利用目标船只位置的稀疏性，利用现有技术构建接收信号的稀疏表示。在舰船辐射噪声测量时，选择的试验水域通常没有其他船只，目标船只的位置具有稀疏性，则可以将试验水域网格化，构造接收信号的稀疏表示形式。

2、通过傅里叶变换将时域接收信号变换到频域，提出了建立频域协方差矩阵和辐射噪声功率谱密度的联系。本发明中根据频域协方差矩阵的表达式，推导了其与辐射噪声PSD的理论关系，则可以利用SpSF方法，估计出声源的距离-深度二维功率谱图，同时确定声源的位置和辐射噪声的PSD。

3、利用SpSF方法估计声源位置和辐射噪声功率谱密度时，创造性地给定了正则化参数的取值。SpSF方法在用于方位估计时，为了减少伪峰的干扰，通常要根据不同条件去选择合适的正则化参数。本发明将其用于辐射噪声测量时，可利用声源数目避免伪峰干扰，只要估计的最大值准确即可，则计算时可以使用固定的正则化参数。

本发明的具体步骤：