基于空间水听器的噪声信号处理研究

　　0 引言

　　传统的单水听器测试方法对测试信噪比要求较高,无法满足低信噪比条件下目标噪声的测试。目前采用的四分量矢量水听器测试方法和信号处理方法,基本解决了低频段弱噪声的测量需求,中高频的测试一直是难题。

　　声强方法是一种有效可靠的方法,能够有效抑制各向同性的环境噪声,提高测量信噪比,但由于测量频带有限,适合于低频段的测量[2]。环境噪声大体上是各向同性的,目标噪声是有方向性的,采用互谱方法处理,能够抑制中高频段的背景噪声[1]。

　　本文对空间水听器测试系统的噪声抑制能力、测试增益、不同方法的处理频段等问题进行了探讨和分析。指出,对于来自海面水平方向的各型目标船, 2种方法对环境噪声都有较好的抑制能力,能够提高测量信噪比,处理频段相互覆盖,能够用于水中目标弱信噪比条件下宽带噪声进行测量,扩展了测试频段。

　　1 声强方法与互谱方法原理

　　声强方法,为方便只考虑一维情况。在空间相距Δr的位置上分别布放2个声压传感器测量声压p1和p2,由此得到2个传感器中点的近似声强。计算声强公式为:

　　平面波声强I与声压的关系如下:

　　为了能与单水听器声压谱进行比较,按照平面波声强与声压的关系式(2)处理的声强谱是声强谱乘以ρc[3]。

　　声强方法的测量误差主要来自仪器误差和近似误差,分别决定了工作频率的下限和上限。仪器误差主要是配对水听器、测量放大器和采集器两通道的不一致性引入的误差。因此,在选配标准水听器的过程中,首先对配对的水听器进行幅度、相位校准;近似误差主要是声压近似误差和声压梯度近似振速的误差[4]。

　　互谱方法能够抑制各向同性的环境噪声,提高目标噪声的测量增益。噪声场中2点的互谱密度,由噪声场中2点处的声压谱的共轭乘积得到:

　　式中, <.>代表系综平均。

　　2 实测数据处理

　　海试中,测试系统位于水下20m深度,对100m, 200m, 300m远处海面多目标(中、大型)水面货船辐射噪声进行测试。下面分别就声强方法和互谱方法对实测的环境噪声和目标辐射噪声处理结果进行分析。

　　2.1 声强方法处理结果

　　图1为声强方法与常规单水听器方法处理结果对比。从图中可以看出,即使信噪比很小,单水听器已无法检测的情况下,在100 Hz~6 kHz的中低频段,声强方法依然能获得约10 dB的处理增益。

　　对作处理的2个水听器和相应电设备通道的相位进行修正,发现对远目标的测试结果与不作相位修正的结果基本一致;而对近场目标,即使进行相位修正,处理结果也不理想。分析试验工况可知,由于采用声强方法处理,水听器对具有偶极子指向性,在位于水下20m时,目标与水听器对中心的连线与水听器对的轴线及垂直面各有一定的夹角A和B,如图2所示,当A和B较大时,目标噪声实际上被抑制了。A角为0时,表示目标与测试水听器同深,B角为0时,表示目标的航向与水听器对的方向垂直,测试效果最好。因此,应用声强方法提高中低频段目标辐射噪声的测试增益,在满足相位要求的前提下,要求空间水听器与目标位于同一深度,且目标航向最好垂直于水听器对的连线。