专利名称：一种基于虚拟时间反转镜的舰船辐射噪声级测量方法
技术领域：
本发明涉及一种辐射噪声测量方法。
背景技术：
辐射噪声作为舰船最重要的水声特性之一，在水声探测、水声对抗、目标跟踪与识别等领域占据着重要位置，对其进行精确的测量有着重大的工程应用和军事意义。然而，在进行辐射噪声测量的过程中，水声信道对测量结果的影响尤为突出。舰船辐射噪声为典型的宽带信号。在测量过程中，由于浅海水声信道的多径效应，测量水听器接收到的舰船辐射噪声信号是由来自不同传播路径的信号叠加而成的，信道对 不同频率信号的幅度响应和相位响应不同，测量水听器输出信号与原始噪声信号相比，其时域波形会发生畸变，功率谱与原始功率谱之间存在较大的差异。由于水声信道的影响，按自由场平面波模型对接收信号直接进行波束形成，很难实现各测量水听器接收信号同相叠力口，进而影响测量结果。舰船辐射噪声测量方法大致可以划分为1)单声压水听器测量方法，2)水听器簇测量方法，3)水平和垂直声压水听器线列阵测量方法，4)合成孔径测量方法，5)矢量水听器(阵)测量方法。Sponagl采用单声压水听器测量舰船的螺旋桨辐射噪声，对测量数据进行统计分析得出螺旋桨辐射噪声级，并指出，由于海洋环境(海面、海底粗糙度、声速梯度、气泡等)的影响，使得测量统计值与真实值之间的误差大于5dB(Sponagle N. . Variabilityof ship noise measurements. Defence Research Establishment Atlantic. 1988.)。单声压水听器测量方法因原理简单，实现难度较低，常用于对测量精度要求不高的高声源级舰船辐射噪声的测量。水听器簇方法是利用无规律布放多个水听器，共同测量舰船辐射噪声的方法，该类方法对水听器的布放位置没有特定要求，但在进行数据处理时需知道测量水听器的精确位置，通过其相互间的几何关系提高整体测量性能。声压水听器线列阵可以获得较高的空间增益，能有效提高测量信号输出信噪比，其测量精度比单声压水听器高(罗雪峰，张明之.一种基于线阵的舰船辐射噪声空间分布特性分析方法.舰船科学技术，2009 ；31 (7) :82-84.)。孙贵青(孙贵青，杨德森，张林等.矢量水听器在水下目标低频辐射噪声测量中的应用[J].哈尔滨工程大学学报，2001 ；22(5) :5-9.)、韩荣荣(韩荣荣.基于矢量水听器的宽带辐射噪声测量方法研究[D].哈尔滨工程大学硕士学位论文.2009.)等人利用矢量水听器可以共点、同步、独立测量声压和质点振速各正交分量信息的特点，研究了基于矢量水听器阵舰船辐射噪声测量方法，并进行了海试试验，其测量结果相对于声压水听器直线阵和单矢量水听器测量而言，有较高的阵增益。魏建新(魏建新.被动合成孔径声纳辐射噪声测量方法研究[D].哈尔滨工程大学硕士学位论文，2009.)研究了被动合成孔径技术在舰船辐射噪声的应用，由于被动合成孔径可以获得长阵具有的阵增益和方位分辨力，能够较好地应用于舰船低频辐射噪声测量。实际工程应用中，常采用较为简单、较易实现的单水听器、垂直线列阵和水平线列阵测量方法测量舰船的辐射噪声级。然而这些方法都将测量环境近似为自由场，未考虑测量环境对测量结果的影响，得到的舰船辐射噪声特征与真实的舰船辐射噪声特征之间存在较大的误差(吴国清，王美刚，陈守虎等.用垂直阵和单水听器测量水下目标辐射噪声的误差分析及其修正方法[J].声学学报.2007 ；32(5) :398-403.)。
发明内容
为了克服现有技术水声信道多径效应对舰船辐射噪声测量结果的影响，本发明提供一种基于虚拟时间反转镜(Virtual Time Reversal Mirror-VTRM)的舰船福射噪声级测量方法。利用时间反转处理方法可以在探测区域实现声场的空间和时间自适应聚焦，从而消除或减少浅海中多径以及介质引起的传播信号畸变问题。在对舰船辐射噪声进行测量时，测量海区可人为确定，一般选择海面平静、海底较为平整的海区，这样能较为准确地获得海洋环境信息，确定测量海区中声传播的空间特性，进而降低测量误差。 本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤I)给定海洋环境参数，计算辐射声源与测量水听器之间的信道传输函数I(C0)
和冲激响应函数，其中，i为测量水听器编号，《为角频率，t为时间。2)获得垂直阵各测量水听器接收信号Xi (t)。3)用步骤I)得到的冲激响应函数对步骤2)得到的测量水听器接收信号做虚拟时反处理。4)将各测量水听器接收信号经过虚拟时反处理后的输出信号作求和处理，从而计算出舰船辐射噪声声源级SPL(Co)。所述步骤I)的具体实现如下给定海洋环境参数,用声学工具箱Kraken或Scooter计算出福射声源与测量水听器之间的信道传输函数氛O)及其对应的冲击响应函数K(T)。H1(Q)) = [Pl^i) P1(CO2) Pricon)] - h,(t)%的逆傅利叶变换，其
中，Pi(^j)是幅值为I、角频率为的声源信号在第i号测量水听器处的声压响，j = 1，2，. .，n，n为频率采样点数。所述步骤3)的具体实现如下将步骤2)得到的各测量水听器接收信号与步骤I)得到的冲激响应函数的时反做卷积，则第i号测量水听器时反输出信号的时域表达式可写为
权利要求
1.一种基于虚拟时间反转镜的舰船辐射噪声级测量方法，其特征在于包括下述步骤 1)给定海洋环境参数，计算辐射声源与测量水听器之间的信道传输函数异和冲激响应函数，其中，i为测量水听器编号，《为角频率，t为时间； 2)获得垂直阵各测量水听器接收信号Xi(t)； 3)用步骤I)得到的冲激响应函数对步骤2)得到的测量水听器接收信号做虚拟时反处理； 4)将各测量水听器接收信号经过虚拟时反处理后的输出信号作求和处理，从而计算出舰船辐射噪声声源级SPL (Co)。
2.根据权利要求I所述的基于虚拟时间反转镜的舰船辐射噪声级测量方法，其特征在于所述的步骤I)给定海洋环境参数，用声学工具箱Kraken或Scooter计算出辐射声源与测量水听器之间的信道传输函数氛C )及其对应的冲击响应函数^ 0);H=PM)尸> )]，为氛⑷的逆傅利叶变换，其中，PA')是幅值为I、角频率为的声源信号在第i号测量水听器处的声压响应，j = 1，2，. . .，n，n为频率采样点数。
3.根据权利要求I所述的基于虚拟时间反转镜的舰船辐射噪声级测量方法，其特征在于所述的步骤3)将各测量水听器接收信号与冲激响应函数的时反做卷积，则第i号测量水听器时反输出信号的时域表达式为x"(0 = x#) A(-0，其频域表达式为Xr M) = X人0)^] ((O)。
4.根据权利要求I所述的基于虚拟时间反转镜的舰船辐射噪声级测量方法，其特征在于所述的步骤4)对步骤3)给出的各测量水听器时反输出信号作求和处理，得到 =其中，M为测量水听器个数；然后得到基于虚拟时反舰船辐射噪声声源级 i=l(M^ 2\SPL(^y) = IOlog10\Y(cd\ -20log〗。y^Hiico)。 V ^=1J
全文摘要
本发明公开了一种基于虚拟时间反转镜的舰船辐射噪声级测量方法，给定海洋环境参数，计算辐射声源与测量水听器之间的信道传输函数和冲激响应函数；获得垂直阵各测量水听器接收信号；用冲激响应函数对测量水听器接收信号做虚拟时反处理；将各测量水听器接收信号经过虚拟时反处理后的输出信号作求和处理，从而计算出舰船辐射噪声声源级。本发明能够消除或减弱浅海中因多径以及介质引起的传播信号畸变对舰船辐射噪声测量的影响，从而降低测量误差。
文档编号G01H3/00GK102645265SQ20121007637
公开日2012年8月22日 申请日期2012年3月21日 优先权日2012年3月21日
发明者向龙凤, 孙超, 杨益新 申请人:西北工业大学