劉鵬

（第七一五研究所，杭州，310012）

利用全方位數(shù)據(jù)提取艦船輻射噪聲本音特征

劉鵬

（第七一五研究所，杭州，310012）

利用本音和底音空間來源的不同，提出利用全方位數(shù)據(jù)提取艦船輻射噪聲本音特征，分析方法包括多波束LOFAR分析和多波束DEMON分析。

本音特征；旁瓣能量泄漏；多波束LOFAR分析；多波束DEMON分析

聲吶聽音判型是在聲吶目標(biāo)跟蹤波束音頻數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，利用艦船噪聲提供的目標(biāo)信息，綜合分析噪聲特點(diǎn)，對(duì)目標(biāo)的性質(zhì)作出判斷。聽音員聽到的艦船噪聲，既包括目標(biāo)艦船固有的噪聲（本音），又包括本艦自噪聲、其他艦船目標(biāo)的輻射噪聲、海洋環(huán)境噪聲、聲吶設(shè)備本身帶來的錄音噪聲等(底音)[1]。聽音員在本艦聲吶聽測(cè)時(shí)，只有事先對(duì)本艇狀況了解，對(duì)底音的特點(diǎn)熟悉，才能區(qū)分出本音特點(diǎn)，對(duì)聽音目標(biāo)作出正確判斷。目前，水聲目標(biāo)自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)的研究往往也是在目標(biāo)跟蹤波束數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上展開的，在此基礎(chǔ)上提取的艦船噪聲特征往往既包括目標(biāo)特征，又包括本艦以及其他目標(biāo)艦船的特征，而且難以判斷哪些是本音特征。通過某型聲吶實(shí)際海上實(shí)錄數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn)，這種現(xiàn)象具有普遍性。底音特征無疑會(huì)影響對(duì)于目標(biāo)性質(zhì)的判斷，因此，我們提出利用全方位數(shù)據(jù)提取艦船輻射噪聲本音特征，有利于更加準(zhǔn)確的把握目標(biāo)本音特征，對(duì)目標(biāo)性質(zhì)作出判斷。LOFAR和DEMON分析是當(dāng)前目標(biāo)特征提取的主要工具，在全方位數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，我們采用多波束LOFAR分析和多波束DEMON分析提取艦船輻射噪聲本音特征。

1 底音來源分析

本文以拖曳線列陣聲吶接收的艦船輻射噪聲為例分析。拖曳線列陣聲吶為遠(yuǎn)程探測(cè)聲吶，其特點(diǎn)是孔徑大、頻率低、作用距離遠(yuǎn)、探測(cè)噪聲源多。另外，安裝平臺(tái)（指拖線陣的安裝艦船）輻射噪聲也在聲吶的探測(cè)范圍之內(nèi)（一般在端射波束）。

首先，從波束形成理論上看，聲吶基陣的指向性函數(shù)并非delta函數(shù)，而是在目標(biāo)方向具有一定寬度主瓣，同時(shí)在其他方向存在能量泄漏(即波束旁瓣)，因此，多目標(biāo)情況下，旁瓣能量泄露是底音的來源之一。其次，海洋聲信道的多途效應(yīng)，可能探測(cè)到目標(biāo)的直達(dá)波、反射波甚至折射波形成的“假目標(biāo)”。在多目標(biāo)情況下，這些都是底音的來源。

1.1 基陣波束形成的旁瓣能量泄漏

基陣的指向性函數(shù)體現(xiàn)了基陣具有增強(qiáng)某一方向信號(hào)同時(shí)抑制其它方向信號(hào)的能力，它是聲吶系統(tǒng)的最基本特征之一。本文以均勻線陣為例，用指向性函數(shù)說明基陣波束形成的旁瓣能量泄漏情況。當(dāng)基陣采用均勻加權(quán)時(shí)，定向于θ0方向的均勻線陣的指向性函數(shù)為[2]：

圖1 定向于θ0=0o線陣指向性圖

基陣指向性旁瓣高度反映了0o方向的該信號(hào)成分（λ=3d）的能量泄漏情況：波束形成理論處理增益為G=10lgN=16.8 dB，若基陣輸入信號(hào)的信噪比為0 dB，則理論上0o方向上波束輸出信噪比為0 dB+16.8 dB =16.8 dB；25o方向旁瓣下降約?6 dB，其波束輸出信噪比約為16.8 dB?6 dB=10.8 dB；60o方向旁瓣下降約?14 dB，其波束輸出信噪比約為16.8 dB?14 dB=2.8 dB；120o方向旁瓣下降約?17 dB，其波束輸出信噪比為16.8 dB?17 dB=?0.2 dB。

從以上分析我們得出結(jié)論：基陣波束形成具有旁瓣能量泄漏，導(dǎo)致目標(biāo)波束輸出存在其他噪聲源旁瓣波束的信號(hào)成分。

1.2 海洋聲信道的多途效應(yīng)

海洋聲信道是典型的多途信道。多途效應(yīng)的存在，使得聲波每一傳播途徑有不同的傳播時(shí)間和波達(dá)方向，如圖2所示。多途效應(yīng)導(dǎo)致目標(biāo)波束輸出存在其他噪聲源多途傳播的信號(hào)成分。

圖2 典型的淺海多途傳播

2 多波束LOFAR和DEMON分析

由于基陣波束形成的旁瓣能量泄漏現(xiàn)象和海洋聲信道的多途效應(yīng)，導(dǎo)致信號(hào)的角度擴(kuò)展，目標(biāo)波束輸出可能存在其他方位噪聲源輻射噪聲的信號(hào)成分，這些信號(hào)成分就是底音。我們?cè)谔崛∨灤椛湓肼曁卣鲿r(shí)，得到的不僅是該目標(biāo)本身的信號(hào)特征，這些底音特征無疑會(huì)影響對(duì)于目標(biāo)性質(zhì)的判斷。為了得到艦船輻射噪聲的本音特征，我們必須依賴基陣全方位數(shù)據(jù)分析。

我們提出基于全方位波束輸出數(shù)據(jù)的艦船輻射噪聲信號(hào)分析方法，包括多波束LOFAR分析和多波束DEMON分析：多波束LOFAR分析即傳統(tǒng)的窄帶分析，它是對(duì)全方位多波束數(shù)據(jù)輸出作LOFAR分析，得到所有方位波束輸出數(shù)據(jù)的頻譜；多波束DEMON分析則是對(duì)全方位多波束數(shù)據(jù)輸出作DEMON分析，得到所有方位波束輸出數(shù)據(jù)的DEMON譜。其計(jì)算過程如圖3、4所示。

圖3 多波束LOFAR分析過程

圖4 多波束DEMON分析過程

3 提取艦船輻射噪聲本音特征

因?yàn)榛嚥ㄊ纬傻呐园昴芰啃孤逗秃Ｑ舐曂ǖ赖亩嗤拘?yīng)，其他噪聲源輻射噪聲可能形成目標(biāo)輻射噪聲的底音。一般來說，其他噪聲源輻射噪聲在其被探測(cè)波束能量是最大的，這是我們利用全方位數(shù)據(jù)提取本音特征的依據(jù)。以某拖曳線列陣聲吶的海上實(shí)錄數(shù)據(jù)為例，采取多波束LOFAR分析和多波束DEMON分析的方法，來說明利用提取艦船輻射噪聲本音特征。

提取艦船輻射噪聲的本音LOFAR線譜特征，我們采用多波束LOFAR分析的方法。第一步，我們將每一個(gè)波束進(jìn)行線譜特征提取，將線譜位置標(biāo)示為1，其他位置標(biāo)示為0，得到一個(gè)多波束LOFAR線譜信息矩陣，如表1示意。第二步，對(duì)于每一個(gè)頻點(diǎn)，如果在所有波束為0，則該頻點(diǎn)不是線譜特征；如果在某一波束為1，則作為該波束目標(biāo)輻射噪聲的本音線譜特征，如頻點(diǎn)p是波束i的本音線譜特征；如果在多個(gè)波束為1，則作為該頻點(diǎn)處能量最大的波束的本音線譜特征，例如頻點(diǎn)q是波束i和j中能量較大波束的本音線譜特征。

表1 多波束LOFAR線譜信息矩陣

圖5是某聲吶的多波束LOFAR圖?？梢悦黠@看到f12、f13等線譜成份擴(kuò)展到多波束上。圖6 是目標(biāo)輻射噪聲和本船輻射噪聲LOFAR圖比較：對(duì)于110°波束目標(biāo)輻射噪聲譜，其本音LOFAR線譜特征不包括f11、f12、f13、f14等譜線，因?yàn)檫@幾根線譜屬于6°波束的本船輻射噪聲LOFAR譜特征，他們?cè)?o波束中的能量最大。

圖5 某海上試驗(yàn)數(shù)據(jù)多波束LOFAR分析

圖6 6o方位波束與110°方位波束LOFAR比較

提取艦船輻射噪聲的本音DEMON線譜特征，我們采用多波束DEMON分析的方法，提取方法與多波束LOFAR本音線譜特征類似。圖7是某聲吶的多波束DEMON圖，f1、f2、f3……一族線譜成份擴(kuò)展到多波束上。圖8是目標(biāo)輻射噪聲和其他噪聲源輻射噪聲的DEMON譜圖比較：對(duì)于45°波束目標(biāo)輻射噪聲，其本音DEMON線譜特征不包括該族線譜，因?yàn)樵撟寰€譜屬于65°波束噪聲源輻射噪聲DEMON線譜特征，他們?cè)谠摬ㄊ械哪芰孔畲蟆?/p>

圖7 某海上試驗(yàn)數(shù)據(jù)多波束DEMON分析

圖8 65o方位波束與45o方位波束DEMON比較

4 結(jié)論

由于基陣波束形成的旁瓣能量泄漏和多途效應(yīng)，導(dǎo)致信號(hào)空間擴(kuò)展。為了祛除干擾特征、提取艦船輻射噪聲的本音特征，我們必須利用基陣全方位數(shù)據(jù)分析。使用多波束LOFAR分析和多波束DEMON分析的方法，我們可以得到目標(biāo)本音的LOAFR線譜和DEMON線譜。利用全方位數(shù)據(jù)提取艦船輻射噪聲本音特征是對(duì)目標(biāo)性質(zhì)作出正確判斷的必要條件。

[1 ]劉載芳, 王大訓(xùn), 張友奎. 聲吶聽音判型[M]. 北京: 海軍出版社, 1999: 93-94.

[2] 田坦, 劉國(guó)枝, 孫大軍. 聲吶技術(shù)[M]. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學(xué)出版社, 2000:73-74.