单矢量传感器DEMON谱检测技术研究

　　1 引言

　　在小尺寸声呐平台中, 单个矢量水听器较常规水听器阵具有优越性, 它小而轻, 并且其低频性能良好, 探测能力强[1]。但单矢量传感器的多目标分辨能力受应用条件限制[2], 按照传统方法, 只能测量声场的合成声强流方向, 所以不能分别测得多目标方位。在工程中常用舰船辐射噪声来识别舰船的类型, 通常舰船辐射噪声中包含有某种频率成分的调制[3], 表现在其包络谱中包含有不同基频调制的线谱(DEMON)成分。

　　本文提出了解析声强流的概念, 其相位中蕴含了目标的方位信息。通过在DEMON域对每一线谱所对应频率解算解析声强流的幅角, 可以确定不同舰船目标的方位。本文对二维矢量传感器获得的舰船噪声包络谱, 利用解析声强流方法进行多目标方位估计的仿真研究, 并用湖试数据验证了本方法的可行性。

　　2 解析声强流

　　本文仅考虑二维问题, 即一个矢量传感器输出同点的声压p和正交的二维振速vx, vy。设声压和振速在平面波条件下可写为:

　　一般来说, 若信号x(t)是窄带信号, 那么其解析信号表示为:

　　式中, x(t)和x'(t)互为Hilbert变换,

　　定义信号x'(t)的解析振速v(t, θ)为:

　　解析声强流定义为:

　　式中*表示取共轭运算。

　　解析声强流的实部IR和虚部Im为:

　　式中A2(t)=x2(t)+x'2(t), 为信号x(t)的包络波形。声源的方位$为解析声强流的幅角, 由式(6)和

　　式(7)得到:

　　3 解析声强流DEMON谱检测测向原理

　　舰船、潜艇和鱼雷辐射的噪声源可分为三大类: 机械噪声、螺旋桨噪声和水动力噪声。包络谱中的线谱主要由螺旋桨噪声产生。螺旋桨噪声是调幅的, 有"螺旋桨拍", 即振幅周期性增大, 其周期对应于螺旋桨转速和螺旋桨页片频率, 即轴频率乘以页片数。在听测设备中早已利用螺旋桨拍来识别目标和估计目标速度。不同的舰船有不同的DEMON谱,所以在DEMON域可以分辨多目标, 且可对各DEMON线谱频率按下式计算目标方位, 下式是式(8)在DEMON域的表示式:

　　式中, Ω表示DEMON频率, *表示频域卷积, 大写字母表示谱, p与P'、p与P'互为Fourier变换。

　　多目标分辨处理框图如图1所示。为降低检测阈, 线谱自动检测算法采用了谐波簇线谱自适应增强方法, 处理框图如图2所示, 图中1表示延时。它是一个双输入端线谱增强器, 其参考信号R(k)为一簇谐波信号, 其基频从5Hz～20Hz以0.1Hz为步长变化。权系数Wi(i=0, 1, …, N- 1)的初始值为0, 每次迭代中按照LMS算法修改权值, 迭代步长取5×10^-4, 权系数个数N取64。