劉亞琴，楊士莪1,2,，張海剛1,2,，郭俊媛1,2,，劉巖

(1.哈爾濱工程大學(xué) 水聲技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150001；2.海洋信息獲取與安全工業(yè)和信息化部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(哈爾濱工程大學(xué))，黑龍江 哈爾濱 150001；3.哈爾濱工程大學(xué) 水聲工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

艦船目標(biāo)是水聲中最常見的一類目標(biāo)，其輻射噪聲特性具有其自身的典型特點(diǎn)，經(jīng)過海洋環(huán)境傳播后的噪聲特性除了其自身特點(diǎn)外還將受到海洋這一特殊濾波器的影響[1]?？傮w來講，艦船輻射噪聲的頻譜由連續(xù)譜和線譜組成。經(jīng)過信道傳播后的艦船輻射噪聲蘊(yùn)含有豐富的目標(biāo)信息，可用于對(duì)艦船目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)、識(shí)別以及定位等。

利用輻射噪聲線譜信息對(duì)艦船測(cè)距的相關(guān)研究中，一些學(xué)者利用目標(biāo)輻射噪聲的單個(gè)或多個(gè)線譜的多普勒頻移信息，通過構(gòu)造不同的代價(jià)函數(shù)進(jìn)行參數(shù)尋優(yōu)的方法來獲取目標(biāo)的速度、距離等[2-7]，其本質(zhì)是對(duì)線譜多普勒頻移的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和理論結(jié)果的擬合。線譜頻率的測(cè)量精度對(duì)該類方法參數(shù)估計(jì)結(jié)果影響顯著，本文所提方法不需要提取線譜，可以直接對(duì)接收目標(biāo)輻射噪聲進(jìn)行處理，得到較為準(zhǔn)確的聲源位置信息；高大治等[8]利用簡(jiǎn)正波水平波數(shù)差和波導(dǎo)不變量之間的關(guān)系，推導(dǎo)了不同線譜聲強(qiáng)隨距離變化起伏的理論關(guān)系式并應(yīng)用到線譜聲源測(cè)距。此外，文獻(xiàn)[9]利用移動(dòng)船只輻射寬帶噪聲場(chǎng)干涉結(jié)構(gòu)和擴(kuò)展Kalman濾波器對(duì)其距離進(jìn)行估計(jì)。上述文獻(xiàn)均以Pekeris波導(dǎo)環(huán)境的波導(dǎo)不變量為基礎(chǔ)，而本文考慮具有彈性海底的Pekeris環(huán)境。此外，文獻(xiàn)[10]基于頻域分子帶策略和MUSIC聚焦波束形成技術(shù)，利用均勻線列陣聲納對(duì)近場(chǎng)艦船目標(biāo)進(jìn)行距離估計(jì)，而本文所提方法僅使用單接收器，并且可對(duì)遠(yuǎn)距離艦船目標(biāo)進(jìn)行估計(jì)。

在海洋環(huán)境參數(shù)已知時(shí)，海洋波導(dǎo)頻譜峰值對(duì)應(yīng)的頻率與目標(biāo)聲源的深度、距離有關(guān)，目標(biāo)聲源為艦船輻射噪聲時(shí)，由于艦船輻射噪聲的頻譜特性主要由連續(xù)譜和線譜組成，經(jīng)過目標(biāo)聲源頻譜的調(diào)制，海洋波導(dǎo)頻譜峰值對(duì)應(yīng)的頻率點(diǎn)會(huì)增加。也即接收信號(hào)的頻譜峰值對(duì)應(yīng)的頻率是海洋波導(dǎo)與目標(biāo)聲源共同作用的結(jié)果。在環(huán)境參數(shù)已知，本文給出深度、距離搜索范圍，在該范圍內(nèi)分別計(jì)算不同深度、距離下海洋波導(dǎo)頻譜峰值對(duì)應(yīng)的頻率與接收信號(hào)的頻譜峰值對(duì)應(yīng)的頻率差值，頻率差值最小時(shí)即為聲源深度、距離的估計(jì)值。

1 定位原理

1.1 聲場(chǎng)建模

如圖1所示，聲源位于深度為H，密度與聲速分別為ρ1和c1的均勻流體層中，聲源的坐標(biāo)為(0，zs)。半無限彈性海底中密度、壓縮波、剪切波聲速分別為ρ2、cp、cs。在具有半無限彈性海底Pekeris環(huán)境下水中勢(shì)函數(shù)的簡(jiǎn)正波表達(dá)式[11]為：

圖1 環(huán)境模型

式中：

流體層中聲壓p(r,z,f)可用勢(shì)函數(shù)表示為：

p(r,z)=ρ1ω2φ1(r,z)=

1.2 船舶輻射噪聲頻譜

當(dāng)被測(cè)船舶在接收器有效接收距離內(nèi)通過時(shí)，對(duì)接收的輻射噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行功率譜分析(傅里葉變換)：

N(fn)=FFT(x(t))

式中：fn=mfs/M，m=0，1，2，…，M-1，t=m/fs；fs為采樣頻率；M為截取的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù);x(t)為接收器接收船舶水下輻射噪聲時(shí)域信號(hào)；N(f)為噪聲頻譜。

噪聲的功率譜可以表述為：

式中：S(dB)為接收器靈敏度，以1 V/μPa為參考，Δf=fs/M為頻率分析帶寬。

某次實(shí)驗(yàn)中，目標(biāo)船的輻射噪聲的功率譜如圖2所示，可以看出雖然船舶輻射噪聲成分復(fù)雜，但是在很大頻率范圍內(nèi)，船舶噪聲的頻譜特征表現(xiàn)為線譜和連續(xù)譜的迭加。

圖2 實(shí)驗(yàn)船輻射噪聲功率譜

1.3 定位方法

輻射噪聲在波導(dǎo)環(huán)境傳播距離r處的頻譜為：

Y(r,z,f)=p(r,z,f)N(f)

|Y(r,z,f)|峰值對(duì)應(yīng)的頻率由p(r,z,f)和N(f)共同作用。當(dāng)海洋環(huán)境參數(shù)已知并且N(f)不變，|Y(r,z,f)|峰值對(duì)應(yīng)的頻率僅與目標(biāo)聲源的深度、距離有關(guān)，這里用F(·)表示頻譜峰值對(duì)應(yīng)的頻率。基于此，本文給出深度、距離搜索范圍，在該范圍內(nèi)分別計(jì)算不同深度、距離下F(|p(r,z,f)|)與F(|Y(r,z,f)|)之間的差值，頻率差值最小時(shí)即為聲源深度與距離的估計(jì)值。具體步驟為：

1)設(shè)定距離、深度的搜索范圍。

2)對(duì)于某一距離re、深度ze，計(jì)算F(|p(re,ze,f)|)，re∈[rmin,rmax]，ze∈[zmin,zmax]。

3)在re∈[rmin,rmax],ze∈[zmin,zmax]范圍內(nèi)定義代價(jià)函數(shù)：

式中Np為所選取的頻段中峰值對(duì)應(yīng)頻率的數(shù)目。

4)重復(fù)步驟2)、3)直到設(shè)定的搜索范圍搜索完畢。代價(jià)函數(shù)Φ(re,ze)取最小值時(shí)，對(duì)應(yīng)的距離、深度即為聲源距離接收器的距離與聲源深度的估計(jì)值。

2 定位方法仿真分析

2.1 聲速剖面對(duì)定位方法的影響

仿真3種典型聲速剖面環(huán)境下本文提出方法的定位性能。其中，水深為25 m，密度為1.0 g/cm3，半無限海底壓縮波、剪切波聲速分別為3 800 m/s，1 800 m/s，密度為1.8 g/cm3。3種典型聲速剖面示意圖如圖3所示。為了簡(jiǎn)便，在仿真過程中，以圖2中接收噪聲信號(hào)為例，簡(jiǎn)化噪聲信號(hào)功率譜(僅考慮連續(xù)譜)如圖4所示。

圖3 3種典型的聲速剖面

圖4 簡(jiǎn)化的噪聲功率譜

仿真過程中，聲源深度為3 m，接收深度為25 m，接收距離為10 km。聲源深度搜索范圍1～25 m，距離搜索范圍1～20 km，頻段選取范圍100～250 Hz，圖5給出3種典型環(huán)境下log[Φ(re,ze)+1]的圖形(考慮log函數(shù)的定義域，將代價(jià)函數(shù)加1)。

圖5 接收距離10 km時(shí)，聲速剖面Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ下代價(jià)函數(shù)圖及定位結(jié)果(用△表示)

將接收距離10 km變?yōu)? km、15 km，同樣用本文方法進(jìn)行定位，3種剖面下的定位結(jié)果如表1所示。

從表1可以看出，在3種典型的聲速剖面環(huán)境下，本文提出的定位方法均能成功地對(duì)距離進(jìn)行估計(jì)，但是在深度估計(jì)方面，在聲速剖面Ⅱ、Ⅲ情況下出現(xiàn)了多值情況(2 m或3 m)。

表1 不同環(huán)境的定位結(jié)果

2.2 線譜對(duì)定位方法的影響

在2.1節(jié)討論聲速剖面對(duì)定位方法的影響時(shí)，僅考慮了輻射噪聲的連續(xù)譜而忽略了線譜的影響。為此，本節(jié)考慮輻射噪聲線譜對(duì)定位方法的影響。艦船輻射噪聲線譜頻率fm一般集中在1 000 Hz以下，根據(jù)產(chǎn)生機(jī)理不同又可將其分為1～100 Hz頻段和100～1 000 Hz頻段。在1～100 Hz頻段，線譜主要是由于螺旋槳葉片在旋轉(zhuǎn)時(shí)對(duì)所有進(jìn)入螺旋槳和在螺旋槳附近的不規(guī)則水流進(jìn)行周期切割而產(chǎn)生，fm表達(dá)式為：

fm=mNs

(1)

式中：fm是線譜系列的第m次諧波，Hz；N是螺旋槳的葉片數(shù)；s是螺旋槳轉(zhuǎn)速，r/s。在100～1 000 Hz頻段，線譜主要來源于機(jī)械噪聲源中的往復(fù)部件、不平衡的旋轉(zhuǎn)部件，重復(fù)不連續(xù)性的工作部件等以及螺旋槳噪聲源中的螺旋槳唱音等，此頻段范圍內(nèi)線譜的頻率因船而異，沒有統(tǒng)一的表達(dá)式。一般線譜比連續(xù)譜高10～25 dB[12]，幅度Am可以用[10，25]均勻分布的隨機(jī)量近似。

仿真過程中，假設(shè)艦船為四葉槳，轉(zhuǎn)速為300 r/min，即5 r/s。根據(jù)式(1)，在1～100 Hz頻段產(chǎn)生的葉片速率譜噪聲的頻率為20、40、60、80、100 Hz。在100～800 Hz頻段的線譜假設(shè)為130、180、210 Hz。此時(shí)，仿真的艦船輻射噪聲功率譜如圖6所示。依然在3種典型聲速剖面環(huán)境下進(jìn)行定位，仿真環(huán)境同2.1節(jié)一致，仿真聲源深度為3 m，接收深度為25 m，接收距離分別為5、10、15 km。聲源深度搜索范圍1～25 m，距離搜索范圍1～20 km，頻段選取范圍100～250 Hz。定位結(jié)果如表2所示。對(duì)比表1和表2的定位結(jié)果，表明線譜降低了方法的定位精度，增大了距離、深度的估計(jì)誤差。為了彌補(bǔ)方法定位精度的下降，增大使用頻段范圍。

表2 考慮線譜時(shí)定位結(jié)果

增加頻段使用范圍為100～400 Hz。此時(shí)3種剖面下的定位結(jié)果如表3所示。對(duì)比表2和表3的定位結(jié)果，表明增加使用頻段范圍，方法的測(cè)距精度明顯提高，雖然聲源深度的估計(jì)絕對(duì)誤差仍能達(dá)到±4 m，但是相較于表2中的聲源深度估計(jì)結(jié)果，整體深度估計(jì)精度提高。仿真結(jié)果表明線譜會(huì)降低該方法的定位精度，但可以通過增大使用頻段范圍彌補(bǔ)方法定位精度的下降。

表3 增大頻段時(shí)不同環(huán)境的定位結(jié)果

2.3 噪聲頻譜對(duì)定位方法的影響

為了分析噪聲頻譜對(duì)定位方法產(chǎn)生的影響，本節(jié)考慮了另外一種噪聲頻譜形式，如圖6所示。

圖6 輻射噪聲功率譜

仿真環(huán)境同2.1節(jié)一致，仿真聲源深度為3 m，接收深度為25 m，接收距離分別為5、10、15 km。聲源深度搜索范圍1～25 m，距離搜索范圍1～20 km，頻段選取范圍100～250 Hz。定位結(jié)果如表4所示。

表4 不同噪聲頻譜形式下定位結(jié)果

對(duì)比表1和表4，噪聲功率譜形式的不同會(huì)些微影響方法的定位精度。具體來看，在3種聲速剖面下，方法均能成功對(duì)距離進(jìn)行零誤差估計(jì)(除了表2中聲速剖面Ⅱ下5 km處估計(jì)值為4.99 km，相對(duì)誤差0.2%)。在3種聲速剖面下，方法對(duì)聲源深度的估計(jì)絕對(duì)誤差達(dá)到±2 m，并且有多值現(xiàn)象出現(xiàn)。

增加使用頻段范圍至100～600 Hz，此時(shí)定位結(jié)果如表5所示。對(duì)比表4、5，可以看到，增加使用頻段范圍，方法的測(cè)距精度提高，雖然聲源深度的估計(jì)絕對(duì)誤差仍能達(dá)到±2 m，但是多值現(xiàn)象與表4中相比減少。

表5 增大頻段時(shí)不同環(huán)境的定位結(jié)果

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證

利用某次實(shí)驗(yàn)中接收到的船舶輻射噪聲進(jìn)行本文方法定位性能的驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)選在舟山附近某海區(qū)，實(shí)驗(yàn)區(qū)海深約為36 m，接近水平不變海底，接收設(shè)備在海底附近，接收設(shè)備為五元矢量陣。實(shí)驗(yàn)當(dāng)日海水聲速如圖7所示。海底參數(shù)通過反演獲得。非合作船在距離接收設(shè)備4～6 km。

圖7 實(shí)驗(yàn)期間聲速剖面

選擇五元矢量陣的2個(gè)聲壓通道接收時(shí)域波形如圖8所示，分別對(duì)2個(gè)聲壓通道接收的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)通過小波包降噪進(jìn)行預(yù)處理(5 s數(shù)據(jù)進(jìn)行一次處理)，得到的功率譜如圖9所示(從上到下依次為通道1第1個(gè)、第2個(gè)5 s和通道2第1個(gè)、第2個(gè)5 s進(jìn)行處理后的功率譜)。

圖8 2個(gè)聲壓通道接收信號(hào)

圖9 2個(gè)聲壓通道的功率譜

分別利用這4組數(shù)據(jù)進(jìn)行定位，定位結(jié)果如表6所示。通道1和通道2的距離估計(jì)結(jié)果在實(shí)際范圍之內(nèi)，因?yàn)槁曉礊榇拜椛湓肼?，所以聲源深度估?jì)值2 m、3 m符合實(shí)際情況。實(shí)驗(yàn)處理結(jié)果驗(yàn)證了本文定位方法的有效性。

表6 2個(gè)聲壓通道數(shù)據(jù)的定位結(jié)果

4 結(jié)論

1)在典型的聲速剖面情況下，均能利用本文所提定位方法對(duì)艦船目標(biāo)進(jìn)行有效距離估計(jì)，但是在估計(jì)目標(biāo)深度時(shí)會(huì)出現(xiàn)多值現(xiàn)象，增加所選頻段范圍可以有效減小多值現(xiàn)象的出現(xiàn)。

2)無論輻射噪聲功率譜是單純的連續(xù)譜或是連續(xù)譜疊加線譜，本文定位方法均能有效估計(jì)目標(biāo)距離，但是當(dāng)輻射噪聲功率譜疊加線譜時(shí)會(huì)降低該方法的定位精度，但可以通過增大使用頻段范圍彌補(bǔ)方法定位精度的下降。

此外，本文定位方法需知道聲源譜信息，而大多數(shù)情況下聲源信息未知，因此有關(guān)未知聲源譜信息時(shí)艦船目標(biāo)的定位問題將是接下來研究的方向。