专利名称：一种目标噪声测量中的阵列噪声信号的聚焦方法
技术领域：
本发明涉及目标噪声测量，特别涉及一种目标噪声测量中的阵列噪声信号的 聚焦方法。
背景技术：
与普通的声检测相比，目标噪声测量有以下特点
首先，目标源级可能会很低，因此，通常需要借助阵列进行测量，以取得足 够的空间增益；
其次，由于目标源级较低，同时，又需要测量信号中的高频成分，因此，必 须对目标进行近场测量，通常的测量距离是50 100m，在这个距离上，己经不能 将目标辐射噪声完全视为平面波；
再次，受测量条件限制，阵列的形状、阵元的位置都是不完全确定的。
总之，因为上述这些因素，常规波束形成的精度很难让人满意。而且，目标' 噪声测量并非定性检测，而是定量计量，要求有较高的测量精度。
基于以上特点，使用阵列进行目标噪声测量时需要有高信噪比的测距信号准 确测定目标至各个阵元的距离，通过测距电路给出的时间信息，可以对相应通道 的信号进行延时操作，这是阵列噪声测量系统聚焦处理的典型做法。同步测距是 目前测量水下合作目标与测量体之间运动距离的可靠方法之一，顾名思义，测距 电路用于测量声音信号由目标到达相应传感器的传播距离，实际上，测距电路直 接给出的是声音信号由目标到达相应传感器的传播时间，乘以声速就是传播距离。
但是，由于信号畸变、器件一致性、目标体积元等因素的存在，传统的测距 精度往往只能达到几十厘米的量级。而且，出于系统复杂度和成本的考虑，通常 不会为所有阵元配备测距手段，而是在几路测距的基础上，利用阵形信息几何求 解其它阵元到目标的距离。由于阵形的不完全确定性，几何计算的结果将会引入
大至米级的测距误差。
对于常见的舰船噪声信号来说，30cm的测距误差(相当于0.2ms的延时误差) 将会导致信号相关性能下降至0.6， lm的测距误差(相当于0.67ms的延时误差)将会导致信号相关性能下降至0.4，这样的测距误差不仅导致高频信号聚焦完全失 败，而且也会使信号的低频成分损失l 4dB的空间处理增益。所以，有必要研究 在现有测量条件下，如何进一步提高阵列噪声信号的聚焦精度。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术达不到阵列噪声信号的聚焦精度的要求的 局限，从而提供一种目标噪声测量中的阵列噪声信号的聚焦方法，以使精确聚焦 成为可能。
为实现本发明的上述目的，本发明的核心是在常规测距的基础上，利用低频 谱线的相位信息对阵元延时进行微调，从而实现精确的阵列聚焦。因为目标噪声 谱中往往存在一些能量集中的谱线，这些谱线可能对应于发动机转速、螺旋桨叶 片数目等，同时，由于目标噪声的产生机制，也因为近距离测量中水声信道相对 稳定，这些谱线往往比较平稳，至少是随时间缓变的准平稳信号，相位连续性较 好。另外，这些谱线往往集中了较强的能量，信噪比高，处理的鲁棒性较好。
在信号分析中，通常人们认为谱线一类的窄带信号的时间分辨能力较差，造 成这种普遍看法的原因是窄带信号具有明显的短周期特征，使用窄带信号进行时 间分辨(比如使用波形作相关)时，解不是唯一的(对应于相关结果的峰值周期 出现)。但是，在窄带信号的一个周期内，解是唯一的， 一个周期的限制相当于给 一个多解的问题限定了一个主值区间。而己有的测距手段可以将声程误差锁定在 米或者亚米级，对于lkHz以下的低频信号来说，在这个测距误差的基础上，利用 窄带信号进行时间分辨就是一个有唯一解的问题。本发明中"初步相位对齐"阶段仍 然沿用这种做法，以将不同通道声信号的延时误差控制在一定范围内，从而使得 下一步使用谱线相位信息进行精确聚焦成为可能。
本发明提供的一种目标噪声测量中的阵列噪声信号的聚焦方法，包括以下步
骤
(1) 获取各通道的噪声数据； 传感器阵列接收到的目标辐射噪声，经信号采集记录装置采集、记录形成各
通道噪声数据；
(2) 初步延时对齐；通过测距电路的测距数据对各通道的噪声数据进行初步延时对齐； (3)分析噪声数据，取得各通道的典型谱线；
由噪声信号的功率谱密度计算其1/3倍频程平均功率谱密度，比较噪声信 号的功率谱密度和1/3倍频程平均功率谱密度，选取高出1/3倍频程平均功率 谱密度6dB以上的谱线作为典型谱线；由信号的功率谱可以计算其1/3倍频 程平均功率谱，即计算1/3倍频程频带内的平均功率谱，属于典型的成熟算法，
可以参考任何一本关于功率谱分析的书籍。
且，所述的典型谱线的频率应该低于y"，
4A/，其中c为声速，A/为测距电路的测距精度；
(4) 提取各通道典型谱线的相位信息；
对y通道信号序列作快速傅立叶变换，w(/)+//(/) = #[i7(")]，根据上面筛 选出的谱线分析y'通道信号的相应频率位置的相位，
<formula>formula see original document page 6</formula>
(5) 精细相位对齐；
如果以第i通道为参考，第y通道应该进一步延时，<formula>formula see original document page 6</formula>
其中，符号[]—,^表示通过土2";r获得在主值区间(-7r,;r]上的取值；
(6)形成聚焦信号输出； 将经过精细相位对齐的各通道信号叠加就可以得到对声源目标的聚焦输出。
作为本发明的一种选择，所述的信号采集记录装置为录音机或者带有信号采 集记录单元的计算机。
作为本发明的一种改进，所述的噪声信号的功率谱密度由频谱分析仪或者由 功率谱算法计算实现。计算噪声信号的功率谱密度可以藉由频谱分析仪或者各种 成熟的功率谱算法(周期图法、Bartlett方法、'Welch方法等)实现。作为本发明的进一步的改进，其特征在于，所述的功率谱算法为周期图法、 Bartlett方法或Welch方法；
所述的周期图法为，，(w)=2{a )])}2 ，其中if(")为信号的时间序
，、
列，iv为所分析的信号序列长度，y;为信号采样率。
作为本发明的又一种改进，在所述的频率小于/"的典型谱线中，进一步选择 频率尽可能高的谱线作为典型谱线，或选择频率接近的谱线中功率较高的谱线作 为典型谱线。
根据经验，通过比较信号的功率谱和1/3倍频程平均功率谱选取谱线，通常认 为高出1/3倍频程平均功率谱6dB以上的窄带信号能量可以认定为谱线。但是， 达到这一阈值的谱线通常会不止一根，进一步地选择有三条原则
第一，频率应该低于乂， / =^，其中c为声速，A/为测距电路的测距精
4A/
度。使用频率高于等于厶的谱线的相位信息进行聚焦会导致前文所述的多值不确 定性。
第二，在小于人的谱线中，应该选择频率尽可能高的谱线，因为相对高频率 的信号具有更好的时间分辨精度。
第三，对于频率接近的谱线，应该选择功率较高的谱线，因为这样的谱线往 往对应着某种基本的噪声产生机理，信噪比较高而且相对稳定。
本发明的优点在于，本发明的目标噪声测量中的阵列噪声信号的聚焦方法， 充分利用目标噪声中窄带成分所携带的相位信息，解决了单纯使用传统测距方式 进行阵列聚焦精度不够的困难，实现了阵列测量的准确聚焦。
图1是本发明目标噪声测量中的阵列噪声信号的聚焦方法的流程示意图。 图2是本发明一实施例的系统连接示意框图。
图3是本发明一实施例的聚焦微调前、后阵列信号相关性能的对比图。 图4a和图4b分别是本发明一实施例的聚焦微调前、后阵列信号波形位关系 的示意图。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明的阵列噪声信号的聚焦方法进行详细说明。
本实施例使用一段真实的船噪声数据进行了阵列噪声信号的聚焦方法的实验 室模拟测试。如图2所示，使用计算机控制的数字信号一模拟信号转换设备代替 湿端模拟产生水听器所接收到的信号，输出目标运动测量状态下，立体分布的16 个水听器接收到的舰船噪声信号，模拟信号的原始单通道样本为一段真实的船噪 声。根据假想的目标运动轨迹及相应几何关系，在噪声信号中叠加60kHz单频脉 冲作为测距信号，干端使用实际的噪声测量设备进行信号采集记录。
如图1所示，本实施例中，该聚焦方法的具体步骤如下
1. 获取各通道噪声数据
目标辐射噪声被传感器阵列接收，经信号采集记录装置(例如录音机)采集、 记录形成。
2. 使用测距数据进行初步延时对齐
顾名思义，测距电路用于测量声音信号由目标到达相应传感器的传播距离， 实际上，测距电路直接给出的是声音信号由目标到达相应传感器的传播时间，乘 以声速就是传播距离。使用测距电路给出的时间信息，可以对相应通道的信号进 行延时操作，这也是阵列噪声测量系统聚焦处理的典型做法。本发明中"初歩相位 对齐"阶段仍然沿用这种做法，以将不同通道声信号的延时误差控制在一定范围 内，从而使得下一步使用谱线相位信息进行精确聚焦成为可能。
3. 分析噪声数据，取得典型谱线 这一歩操作可以分为几个子歩骤
1) 计算噪声信号的功率谱密度
可以藉由频谱分析仪或者各种成熟的功率谱算法(周期图法、Bartlett方法、 Welch方法等)实现。以周期图法为例，<formula>formula see original document page 8</formula>
其中;ro)为信号的时间序列，iv为所分析的信号序列长度，,为信号采样率。
2) 计算噪声信号的l/3倍频程平均功率谱
由信号的功率谱可以计算其1/3倍频程平均功率谱，即计算1/3倍频程频带内的平均功率谱。由于是典型的成熟算法，可以参考任何一本关于功率谱分析的书 籍，这里不再赘述。 3)筛选谱线
通过比较信号的功率谱和1/3倍频程平均功率谱选取谱线。根据经验，通常认 为高出1/3倍频程平均功率谱6dB以上的窄带信号能量可以认定为谱线。达到这 一阈值的谱线通常会不止一根，进一步地选择有三条原则
第一，频率应该低于乂，
"4A/
其中c为声速，A/为测距电路的测距精度。
使用频率高于等于/ 的谱线的相位信息进行聚焦会导致前文所述的多值不确 定性。
第二，在小于/ 的谱线中，应该选择频率尽可能高的谱线，因为相对高频率 的信号具有更好的时间分辨精度。
第三，对于频率接近的谱线，应该选择功率较高的谱线，因为这样的谱线往 往对应着某种基本的噪声产生机理，信噪比较高而且相对稳定。
4. 提取各通道典型谱线的相位信息
以y通道为例，对该通道信号序列作快速傅立叶变换， 助+ =
根据上面筛选出的谱线分析相应频率位置的相位， & (/。 ) = tan—1 [^] + * {1 - sgn[A(/。)]}，
5. 精细相位对齐
如果以第l通道为参考，第/通道应该进一步延时，
A =-11-，
2《
其中，符号[]n表示通过土2";r，获得在主值区间(-;r,;r]上的取值。
6. 形成聚焦信号输出
将经过精细相位对齐的各通道信号叠加就可以得到对声源目标的聚焦输出。试验结果表明，直接根据测距电路输出进行聚焦延时后各阵元信号的相关结 果(以16通道为参考通道)如图3中星号标示的曲线所示，取一个与参考通道相 关较差的通道9信号观察波形，如图4a所示，图中信号采样率为50kHz。从图中 可以看出，直接使用原始测距数据延时的结果大概存在IO个采样点(对应的测距 误差为30cm)的偏移。分析信号功率谱，发现在123Hz处存在一根较强的谱线， 使用该谱线的相位信息对各阵元信号进行延时微调后，信号波形如图4b所示，各 阵元信号的相关结果如图3中加号标示的曲线所示。可见，经过微调之后，信号 的相关性能获得了明显改善。
权利要求
1、一种目标噪声测量中的阵列噪声信号的聚焦方法，包括以下步骤(1)获取各通道的噪声数据；传感器阵列接收到的目标辐射噪声，经信号采集记录装置采集、记录形成各通道噪声数据；(2)初步延时对齐；通过测距电路的测距数据对各通道的噪声数据进行初步延时对齐；(3)分析噪声数据，取得各通道的典型谱线；由噪声信号的功率谱密度计算其1/3倍频程平均功率谱密度，比较噪声信号的功率谱密度和1/3倍频程平均功率谱密度，选取高出1/3倍频程平均功率谱密度6dB以上的谱线作为典型谱线；所述的典型谱线的频率应该低于fu，其中c为声速，Δl为测距电路的测距精度；(4)提取各通道典型谱线的相位信息；对j通道信号序列作快速傅立叶变换，R(f)+iI(f)＝fft[Xj(n)]，根据步骤(3)筛选出的谱线分析j通道信号的相应频率位置的相位，(5)精细相位对齐；如果以第1通道为参考，第j通道应该进一步延时，其中，符号表示通过±2nπ获得在主值区间(-π，π]上的取值；(6)形成聚焦信号输出；将经过精细相位对齐的各通道信号叠加就可以得到对声源目标的聚焦输出。
2、根据权利要求1所述的阵列噪声信号的聚焦方法，其特征在于，所述的伟 号采集记录装置为录音机或者带有信号采集记录单元的计算机。
3、 根据权利要求1所述的阵列噪声信号的聚焦方法，其特征在于，所述的噪 声信号的功率谱密度由频谱分析仪或者由功率谱算法计算实现。
4、 根据权利要求3所述的阵列噪声信号的聚焦方法，其特征在于，所述的功 率谱算法为周期图法、Bartlett方法或Welch方法。
5、 根据权利要求4所述的阵列噪声信号的聚焦方法，其特征在于，所述的周 期图法为，(咖2{一,(")])}2 ，其中Z(^为信号的时间序列，W为所分析的信 号序列长度，,为信号采样率。
6、 根据权利要求1所述的阵列噪声信号的聚焦方法，其特征在于，在歩骤(3) 筛选出的频率小于乂的典型谱线中，进一步选择频率尽可能高的谱线作为典型谱 线，或选择频率接近的谱线中功率较高的谱线作为典型谱线。
全文摘要
本发明涉及一种目标噪声测量中的阵列噪声信号的聚焦方法，包括以下步骤(1)获取各通道的噪声数据；(2)初步延时对齐；(3)分析噪声数据，取得各通道的典型谱线；(4)提取各通道典型谱线的相位信息；(5)精细相位对齐；(6)形成聚焦信号输出；将经过精细相位对齐的各通道信号叠加就可以得到对声源目标的聚焦输出。该方法充分利用目标噪声中窄带成分所携带的相位信息，解决了单纯使用传统测距方式进行阵列聚焦精度不够的困难，实现了阵列测量的准确聚焦。
文档编号G01R23/16GK101419090SQ20071017615
公开日2009年4月29日 申请日期2007年10月22日 优先权日2007年10月22日
发明者吴国清, 周建清, 张双荣, 曹建国, 墨 朱, 迪 肖, 陈守虎, 力 马 申请人:中国科学院声学研究所