專利名稱：一種目標(biāo)噪聲測(cè)量中的陣列噪聲信號(hào)的聚焦方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及目標(biāo)噪聲測(cè)量，特別涉及一種目標(biāo)噪聲測(cè)量中的陣列噪聲信號(hào)的 聚焦方法。
背景技術(shù)：
與普通的聲檢測(cè)相比，目標(biāo)噪聲測(cè)量有以下特點(diǎn)
首先，目標(biāo)源級(jí)可能會(huì)很低，因此，通常需要借助陣列進(jìn)行測(cè)量，以取得足 夠的空間增益；
其次，由于目標(biāo)源級(jí)較低，同時(shí)，又需要測(cè)量信號(hào)中的高頻成分，因此，必 須對(duì)目標(biāo)進(jìn)行近場(chǎng)測(cè)量，通常的測(cè)量距離是50 100m，在這個(gè)距離上，己經(jīng)不能 將目標(biāo)輻射噪聲完全視為平面波；
再次，受測(cè)量條件限制，陣列的形狀、陣元的位置都是不完全確定的。
總之，因?yàn)樯鲜鲞@些因素，常規(guī)波束形成的精度很難讓人滿意。而且，目標(biāo)' 噪聲測(cè)量并非定性檢測(cè)，而是定量計(jì)量，要求有較高的測(cè)量精度。
基于以上特點(diǎn)，使用陣列進(jìn)行目標(biāo)噪聲測(cè)量時(shí)需要有高信噪比的測(cè)距信號(hào)準(zhǔn) 確測(cè)定目標(biāo)至各個(gè)陣元的距離，通過測(cè)距電路給出的時(shí)間信息，可以對(duì)相應(yīng)通道 的信號(hào)進(jìn)行延時(shí)操作，這是陣列噪聲測(cè)量系統(tǒng)聚焦處理的典型做法。同步測(cè)距是 目前測(cè)量水下合作目標(biāo)與測(cè)量體之間運(yùn)動(dòng)距離的可靠方法之一，顧名思義，測(cè)距 電路用于測(cè)量聲音信號(hào)由目標(biāo)到達(dá)相應(yīng)傳感器的傳播距離，實(shí)際上，測(cè)距電路直 接給出的是聲音信號(hào)由目標(biāo)到達(dá)相應(yīng)傳感器的傳播時(shí)間，乘以聲速就是傳播距離。
但是，由于信號(hào)畸變、器件一致性、目標(biāo)體積元等因素的存在，傳統(tǒng)的測(cè)距 精度往往只能達(dá)到幾十厘米的量級(jí)。而且，出于系統(tǒng)復(fù)雜度和成本的考慮，通常 不會(huì)為所有陣元配備測(cè)距手段，而是在幾路測(cè)距的基礎(chǔ)上，利用陣形信息幾何求 解其它陣元到目標(biāo)的距離。由于陣形的不完全確定性，幾何計(jì)算的結(jié)果將會(huì)引入
大至米級(jí)的測(cè)距誤差。
對(duì)于常見的艦船噪聲信號(hào)來說，30cm的測(cè)距誤差(相當(dāng)于0.2ms的延時(shí)誤差) 將會(huì)導(dǎo)致信號(hào)相關(guān)性能下降至0.6， lm的測(cè)距誤差(相當(dāng)于0.67ms的延時(shí)誤差)將會(huì)導(dǎo)致信號(hào)相關(guān)性能下降至0.4，這樣的測(cè)距誤差不僅導(dǎo)致高頻信號(hào)聚焦完全失 敗，而且也會(huì)使信號(hào)的低頻成分損失l 4dB的空間處理增益。所以，有必要研究 在現(xiàn)有測(cè)量條件下，如何進(jìn)一步提高陣列噪聲信號(hào)的聚焦精度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有技術(shù)達(dá)不到陣列噪聲信號(hào)的聚焦精度的要求的 局限，從而提供一種目標(biāo)噪聲測(cè)量中的陣列噪聲信號(hào)的聚焦方法，以使精確聚焦 成為可能。
為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的上述目的，本發(fā)明的核心是在常規(guī)測(cè)距的基礎(chǔ)上，利用低頻 譜線的相位信息對(duì)陣元延時(shí)進(jìn)行微調(diào)，從而實(shí)現(xiàn)精確的陣列聚焦。因?yàn)槟繕?biāo)噪聲 譜中往往存在一些能量集中的譜線，這些譜線可能對(duì)應(yīng)于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、螺旋槳葉 片數(shù)目等，同時(shí)，由于目標(biāo)噪聲的產(chǎn)生機(jī)制，也因?yàn)榻嚯x測(cè)量中水聲信道相對(duì) 穩(wěn)定，這些譜線往往比較平穩(wěn)，至少是隨時(shí)間緩變的準(zhǔn)平穩(wěn)信號(hào)，相位連續(xù)性較 好。另外，這些譜線往往集中了較強(qiáng)的能量，信噪比高，處理的魯棒性較好。
在信號(hào)分析中，通常人們認(rèn)為譜線一類的窄帶信號(hào)的時(shí)間分辨能力較差，造 成這種普遍看法的原因是窄帶信號(hào)具有明顯的短周期特征，使用窄帶信號(hào)進(jìn)行時(shí) 間分辨(比如使用波形作相關(guān))時(shí)，解不是唯一的(對(duì)應(yīng)于相關(guān)結(jié)果的峰值周期 出現(xiàn))。但是，在窄帶信號(hào)的一個(gè)周期內(nèi)，解是唯一的， 一個(gè)周期的限制相當(dāng)于給 一個(gè)多解的問題限定了一個(gè)主值區(qū)間。而己有的測(cè)距手段可以將聲程誤差鎖定在 米或者亞米級(jí)，對(duì)于lkHz以下的低頻信號(hào)來說，在這個(gè)測(cè)距誤差的基礎(chǔ)上，利用 窄帶信號(hào)進(jìn)行時(shí)間分辨就是一個(gè)有唯一解的問題。本發(fā)明中"初步相位對(duì)齊"階段仍 然沿用這種做法，以將不同通道聲信號(hào)的延時(shí)誤差控制在一定范圍內(nèi)，從而使得 下一步使用譜線相位信息進(jìn)行精確聚焦成為可能。
本發(fā)明提供的一種目標(biāo)噪聲測(cè)量中的陣列噪聲信號(hào)的聚焦方法，包括以下步
驟
(1) 獲取各通道的噪聲數(shù)據(jù)； 傳感器陣列接收到的目標(biāo)輻射噪聲，經(jīng)信號(hào)采集記錄裝置采集、記錄形成各
通道噪聲數(shù)據(jù)；
(2) 初步延時(shí)對(duì)齊；通過測(cè)距電路的測(cè)距數(shù)據(jù)對(duì)各通道的噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行初步延時(shí)對(duì)齊； (3)分析噪聲數(shù)據(jù)，取得各通道的典型譜線；
由噪聲信號(hào)的功率譜密度計(jì)算其1/3倍頻程平均功率譜密度，比較噪聲信 號(hào)的功率譜密度和1/3倍頻程平均功率譜密度，選取高出1/3倍頻程平均功率 譜密度6dB以上的譜線作為典型譜線；由信號(hào)的功率譜可以計(jì)算其1/3倍頻 程平均功率譜，即計(jì)算1/3倍頻程頻帶內(nèi)的平均功率譜，屬于典型的成熟算法，
可以參考任何一本關(guān)于功率譜分析的書籍。
且，所述的典型譜線的頻率應(yīng)該低于y"，
4A/，其中c為聲速，A/為測(cè)距電路的測(cè)距精度；
(4) 提取各通道典型譜線的相位信息；
對(duì)y通道信號(hào)序列作快速傅立葉變換，w(/)+//(/) = #[i7(")]，根據(jù)上面篩 選出的譜線分析y'通道信號(hào)的相應(yīng)頻率位置的相位，
<formula>formula see original document page 6</formula>
(5) 精細(xì)相位對(duì)齊；
如果以第i通道為參考，第y通道應(yīng)該進(jìn)一步延時(shí)，<formula>formula see original document page 6</formula>
其中，符號(hào)[]—,^表示通過土2";r獲得在主值區(qū)間(-7r,;r]上的取值；
(6)形成聚焦信號(hào)輸出； 將經(jīng)過精細(xì)相位對(duì)齊的各通道信號(hào)疊加就可以得到對(duì)聲源目標(biāo)的聚焦輸出。
作為本發(fā)明的一種選擇，所述的信號(hào)采集記錄裝置為錄音機(jī)或者帶有信號(hào)采 集記錄單元的計(jì)算機(jī)。
作為本發(fā)明的一種改進(jìn)，所述的噪聲信號(hào)的功率譜密度由頻譜分析儀或者由 功率譜算法計(jì)算實(shí)現(xiàn)。計(jì)算噪聲信號(hào)的功率譜密度可以藉由頻譜分析儀或者各種 成熟的功率譜算法(周期圖法、Bartlett方法、'Welch方法等)實(shí)現(xiàn)。作為本發(fā)明的進(jìn)一步的改進(jìn)，其特征在于，所述的功率譜算法為周期圖法、 Bartlett方法或Welch方法；
所述的周期圖法為，，(w)=2{a )])}2 ，其中if(")為信號(hào)的時(shí)間序
，、
列，iv為所分析的信號(hào)序列長(zhǎng)度，y;為信號(hào)采樣率。
作為本發(fā)明的又一種改進(jìn)，在所述的頻率小于/"的典型譜線中，進(jìn)一步選擇 頻率盡可能高的譜線作為典型譜線，或選擇頻率接近的譜線中功率較高的譜線作 為典型譜線。
根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，通過比較信號(hào)的功率譜和1/3倍頻程平均功率譜選取譜線，通常認(rèn) 為高出1/3倍頻程平均功率譜6dB以上的窄帶信號(hào)能量可以認(rèn)定為譜線。但是， 達(dá)到這一閾值的譜線通常會(huì)不止一根，進(jìn)一步地選擇有三條原則
第一，頻率應(yīng)該低于乂， / =^，其中c為聲速，A/為測(cè)距電路的測(cè)距精
4A/
度。使用頻率高于等于厶的譜線的相位信息進(jìn)行聚焦會(huì)導(dǎo)致前文所述的多值不確 定性。
第二，在小于人的譜線中，應(yīng)該選擇頻率盡可能高的譜線，因?yàn)橄鄬?duì)高頻率 的信號(hào)具有更好的時(shí)間分辨精度。
第三，對(duì)于頻率接近的譜線，應(yīng)該選擇功率較高的譜線，因?yàn)檫@樣的譜線往 往對(duì)應(yīng)著某種基本的噪聲產(chǎn)生機(jī)理，信噪比較高而且相對(duì)穩(wěn)定。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于，本發(fā)明的目標(biāo)噪聲測(cè)量中的陣列噪聲信號(hào)的聚焦方法， 充分利用目標(biāo)噪聲中窄帶成分所攜帶的相位信息，解決了單純使用傳統(tǒng)測(cè)距方式 進(jìn)行陣列聚焦精度不夠的困難，實(shí)現(xiàn)了陣列測(cè)量的準(zhǔn)確聚焦。


圖1是本發(fā)明目標(biāo)噪聲測(cè)量中的陣列噪聲信號(hào)的聚焦方法的流程示意圖。 圖2是本發(fā)明一實(shí)施例的系統(tǒng)連接示意框圖。
圖3是本發(fā)明一實(shí)施例的聚焦微調(diào)前、后陣列信號(hào)相關(guān)性能的對(duì)比圖。 圖4a和圖4b分別是本發(fā)明一實(shí)施例的聚焦微調(diào)前、后陣列信號(hào)波形位關(guān)系 的示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的陣列噪聲信號(hào)的聚焦方法進(jìn)行詳細(xì)說明。
本實(shí)施例使用一段真實(shí)的船噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行了陣列噪聲信號(hào)的聚焦方法的實(shí)驗(yàn) 室模擬測(cè)試。如圖2所示，使用計(jì)算機(jī)控制的數(shù)字信號(hào)一模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換設(shè)備代替 濕端模擬產(chǎn)生水聽器所接收到的信號(hào)，輸出目標(biāo)運(yùn)動(dòng)測(cè)量狀態(tài)下，立體分布的16 個(gè)水聽器接收到的艦船噪聲信號(hào)，模擬信號(hào)的原始單通道樣本為一段真實(shí)的船噪 聲。根據(jù)假想的目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡及相應(yīng)幾何關(guān)系，在噪聲信號(hào)中疊加60kHz單頻脈 沖作為測(cè)距信號(hào)，干端使用實(shí)際的噪聲測(cè)量設(shè)備進(jìn)行信號(hào)采集記錄。
如圖1所示，本實(shí)施例中，該聚焦方法的具體步驟如下
1. 獲取各通道噪聲數(shù)據(jù)
目標(biāo)輻射噪聲被傳感器陣列接收，經(jīng)信號(hào)采集記錄裝置(例如錄音機(jī))采集、 記錄形成。
2. 使用測(cè)距數(shù)據(jù)進(jìn)行初步延時(shí)對(duì)齊
顧名思義，測(cè)距電路用于測(cè)量聲音信號(hào)由目標(biāo)到達(dá)相應(yīng)傳感器的傳播距離， 實(shí)際上，測(cè)距電路直接給出的是聲音信號(hào)由目標(biāo)到達(dá)相應(yīng)傳感器的傳播時(shí)間，乘 以聲速就是傳播距離。使用測(cè)距電路給出的時(shí)間信息，可以對(duì)相應(yīng)通道的信號(hào)進(jìn) 行延時(shí)操作，這也是陣列噪聲測(cè)量系統(tǒng)聚焦處理的典型做法。本發(fā)明中"初歩相位 對(duì)齊"階段仍然沿用這種做法，以將不同通道聲信號(hào)的延時(shí)誤差控制在一定范圍 內(nèi)，從而使得下一步使用譜線相位信息進(jìn)行精確聚焦成為可能。
3. 分析噪聲數(shù)據(jù)，取得典型譜線 這一歩操作可以分為幾個(gè)子歩驟
1) 計(jì)算噪聲信號(hào)的功率譜密度
可以藉由頻譜分析儀或者各種成熟的功率譜算法(周期圖法、Bartlett方法、 Welch方法等)實(shí)現(xiàn)。以周期圖法為例，<formula>formula see original document page 8</formula>
其中;ro)為信號(hào)的時(shí)間序列，iv為所分析的信號(hào)序列長(zhǎng)度，,為信號(hào)采樣率。
2) 計(jì)算噪聲信號(hào)的l/3倍頻程平均功率譜
由信號(hào)的功率譜可以計(jì)算其1/3倍頻程平均功率譜，即計(jì)算1/3倍頻程頻帶內(nèi)的平均功率譜。由于是典型的成熟算法，可以參考任何一本關(guān)于功率譜分析的書 籍，這里不再贅述。 3)篩選譜線
通過比較信號(hào)的功率譜和1/3倍頻程平均功率譜選取譜線。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，通常認(rèn) 為高出1/3倍頻程平均功率譜6dB以上的窄帶信號(hào)能量可以認(rèn)定為譜線。達(dá)到這 一閾值的譜線通常會(huì)不止一根，進(jìn)一步地選擇有三條原則
第一，頻率應(yīng)該低于乂，
"4A/
其中c為聲速，A/為測(cè)距電路的測(cè)距精度。
使用頻率高于等于/ 的譜線的相位信息進(jìn)行聚焦會(huì)導(dǎo)致前文所述的多值不確 定性。
第二，在小于/ 的譜線中，應(yīng)該選擇頻率盡可能高的譜線，因?yàn)橄鄬?duì)高頻率 的信號(hào)具有更好的時(shí)間分辨精度。
第三，對(duì)于頻率接近的譜線，應(yīng)該選擇功率較高的譜線，因?yàn)檫@樣的譜線往 往對(duì)應(yīng)著某種基本的噪聲產(chǎn)生機(jī)理，信噪比較高而且相對(duì)穩(wěn)定。
4. 提取各通道典型譜線的相位信息
以y通道為例，對(duì)該通道信號(hào)序列作快速傅立葉變換， 助+ =
根據(jù)上面篩選出的譜線分析相應(yīng)頻率位置的相位， & (/。 ) = tan—1 [^] + * {1 - sgn[A(/。)]}，
5. 精細(xì)相位對(duì)齊
如果以第l通道為參考，第/通道應(yīng)該進(jìn)一步延時(shí)，
A =-11-，
2《
其中，符號(hào)[]n表示通過土2";r，獲得在主值區(qū)間(-;r,;r]上的取值。
6. 形成聚焦信號(hào)輸出
將經(jīng)過精細(xì)相位對(duì)齊的各通道信號(hào)疊加就可以得到對(duì)聲源目標(biāo)的聚焦輸出。試驗(yàn)結(jié)果表明，直接根據(jù)測(cè)距電路輸出進(jìn)行聚焦延時(shí)后各陣元信號(hào)的相關(guān)結(jié) 果(以16通道為參考通道)如圖3中星號(hào)標(biāo)示的曲線所示，取一個(gè)與參考通道相 關(guān)較差的通道9信號(hào)觀察波形，如圖4a所示，圖中信號(hào)采樣率為50kHz。從圖中 可以看出，直接使用原始測(cè)距數(shù)據(jù)延時(shí)的結(jié)果大概存在IO個(gè)采樣點(diǎn)(對(duì)應(yīng)的測(cè)距 誤差為30cm)的偏移。分析信號(hào)功率譜，發(fā)現(xiàn)在123Hz處存在一根較強(qiáng)的譜線， 使用該譜線的相位信息對(duì)各陣元信號(hào)進(jìn)行延時(shí)微調(diào)后，信號(hào)波形如圖4b所示，各 陣元信號(hào)的相關(guān)結(jié)果如圖3中加號(hào)標(biāo)示的曲線所示?？梢姡?jīng)過微調(diào)之后，信號(hào) 的相關(guān)性能獲得了明顯改善。
權(quán)利要求
1、一種目標(biāo)噪聲測(cè)量中的陣列噪聲信號(hào)的聚焦方法，包括以下步驟(1)獲取各通道的噪聲數(shù)據(jù)；傳感器陣列接收到的目標(biāo)輻射噪聲，經(jīng)信號(hào)采集記錄裝置采集、記錄形成各通道噪聲數(shù)據(jù)；(2)初步延時(shí)對(duì)齊；通過測(cè)距電路的測(cè)距數(shù)據(jù)對(duì)各通道的噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行初步延時(shí)對(duì)齊；(3)分析噪聲數(shù)據(jù)，取得各通道的典型譜線；由噪聲信號(hào)的功率譜密度計(jì)算其1/3倍頻程平均功率譜密度，比較噪聲信號(hào)的功率譜密度和1/3倍頻程平均功率譜密度，選取高出1/3倍頻程平均功率譜密度6dB以上的譜線作為典型譜線；所述的典型譜線的頻率應(yīng)該低于fu，其中c為聲速，Δl為測(cè)距電路的測(cè)距精度；(4)提取各通道典型譜線的相位信息；對(duì)j通道信號(hào)序列作快速傅立葉變換，R(f)+iI(f)＝fft[Xj(n)]，根據(jù)步驟(3)篩選出的譜線分析j通道信號(hào)的相應(yīng)頻率位置的相位，(5)精細(xì)相位對(duì)齊；如果以第1通道為參考，第j通道應(yīng)該進(jìn)一步延時(shí)，其中，符號(hào)表示通過±2nπ獲得在主值區(qū)間(-π，π]上的取值；(6)形成聚焦信號(hào)輸出；將經(jīng)過精細(xì)相位對(duì)齊的各通道信號(hào)疊加就可以得到對(duì)聲源目標(biāo)的聚焦輸出。
2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的陣列噪聲信號(hào)的聚焦方法，其特征在于，所述的偉 號(hào)采集記錄裝置為錄音機(jī)或者帶有信號(hào)采集記錄單元的計(jì)算機(jī)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的陣列噪聲信號(hào)的聚焦方法，其特征在于，所述的噪 聲信號(hào)的功率譜密度由頻譜分析儀或者由功率譜算法計(jì)算實(shí)現(xiàn)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的陣列噪聲信號(hào)的聚焦方法，其特征在于，所述的功 率譜算法為周期圖法、Bartlett方法或Welch方法。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的陣列噪聲信號(hào)的聚焦方法，其特征在于，所述的周 期圖法為，(咖2{一,(")])}2 ，其中Z(^為信號(hào)的時(shí)間序列，W為所分析的信 號(hào)序列長(zhǎng)度，,為信號(hào)采樣率。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的陣列噪聲信號(hào)的聚焦方法，其特征在于，在歩驟(3) 篩選出的頻率小于乂的典型譜線中，進(jìn)一步選擇頻率盡可能高的譜線作為典型譜 線，或選擇頻率接近的譜線中功率較高的譜線作為典型譜線。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種目標(biāo)噪聲測(cè)量中的陣列噪聲信號(hào)的聚焦方法，包括以下步驟(1)獲取各通道的噪聲數(shù)據(jù)；(2)初步延時(shí)對(duì)齊；(3)分析噪聲數(shù)據(jù)，取得各通道的典型譜線；(4)提取各通道典型譜線的相位信息；(5)精細(xì)相位對(duì)齊；(6)形成聚焦信號(hào)輸出；將經(jīng)過精細(xì)相位對(duì)齊的各通道信號(hào)疊加就可以得到對(duì)聲源目標(biāo)的聚焦輸出。該方法充分利用目標(biāo)噪聲中窄帶成分所攜帶的相位信息，解決了單純使用傳統(tǒng)測(cè)距方式進(jìn)行陣列聚焦精度不夠的困難，實(shí)現(xiàn)了陣列測(cè)量的準(zhǔn)確聚焦。
文檔編號(hào)G01R23/16GK101419090SQ20071017615
公開日2009年4月29日 申請(qǐng)日期2007年10月22日 優(yōu)先權(quán)日2007年10月22日
發(fā)明者吳國(guó)清, 周建清, 張雙榮, 曹建國(guó), 墨 朱, 迪 肖, 陳守虎, 力 馬 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所