基于相位模型的舰船线谱噪声源位置识别方法

摘要

本发明提供了一种基于相位模型的舰船线谱噪声源位置识别方法，在现有的单个水听器测量舰船辐射噪声的平台上，根据测量时舰船与测量水听器之间相对运动产生的多普勒效应，利用高阶模糊函数方法，得到多普勒信号的瞬时相位和时变幅度，然后使用加权非线性最小二乘法估计出多普勒信号的参数，结合参考声源，实现了舰船低频线谱噪声源的定位，该方法实施简单，测量精度比通过特性法要高。

主权项

1.一种基于相位模型的舰船线谱噪声源位置识别方法，其特征在于包括下述步骤：1）在舰船上任意位置L_c处布放一个水声同步定位仪作为信标源，舰船以速度ν做匀速直线航行，由远及近接近测量水听器并由近及远离开测量水听器，测量水听器与舰船运动轨迹的正横距离为R₀，在这个过程中测量水听器接收舰船辐射的声信号，并将其转换成电压信号s(t),0＜t≤T，t表示时间，T表示数据记录的时间长度；2）先把采集得到的水听器接收信号s(t)做快速傅立叶变换分析频谱，找到信号中存在的低频线谱，其频率选择为m＝1,2,…,M，M表示低频线谱的个数；通过带通滤波器分离出存在线谱的频带宽度为各个小区域信号，c为水中声速，得到各个低频线谱噪声源多普勒信号s_m(t)，将分离出的线谱噪声源多普勒信号s_m(t)复数化得到多普勒解析信号z_m(t)，其中z_m(t)＝s_m(t)+jH[s_m(t)]，H[s_m(t)]表示信号s_m(t)的希尔伯特变换；3）多普勒信号的表达式为z_m(t)＝A_m(t)exp[jφ_m(t)]，其中，时变幅度$A_m\left(t\right)=\frac{A_{m0}(c^2-v^2)}{c[\sqrt{c^2{v}^2{(t-t_{m0})}^2+R_0^2(c^2-v^2)}-v^2(t-t_{m0})]},$瞬时相位${\phi }_m\left(t\right)=2\pi f_{m0}\frac{c^2}{c^2-v^2}[t-\frac{v^2}{c^2}{t}_{m0}-\frac{1}{c^2}\sqrt{v^2{c}^2{(t-t_{m0})}^2+R_0^2(c^2-v^2)}]+{\phi }_{m0},$A_m0表示舰船上各辐射线谱噪声源信号的幅度，f_m0表示各辐射线谱噪声源信号的频率，t_m0为各线谱噪声源通过正横位置离测量水听器最近时的正横时刻，φ_m0为多普勒信号z_m(t)的初始相位；根据Stone-Weierstrass理论，多普勒信号z_m(t)可以表示为阶数为I的高阶多项式相位信号：$z_m\left(t\right)=A_m\left(t\right)\exp \left[j\underset{i=0}{\overset{I}{\Sigma }}\left(a_{\mathrm{mi}}{t}^i\right)\right],$其中a_mi,i＝0,1,…，I为多普勒信号z_m(t)的多项式相位系数；利用高阶模糊函数方法估计出的多项式相位系数进而得到多普勒信号z_m(t)的瞬时相位估计值将接收到的多普勒信号z_m(t)乘上对乘积的实部进行低通滤波，获得多普勒信号z_m(t)的时变幅度估计值4）水声同步定位仪获得位置L_c信标源通过测量水听器时的正横时刻t_c0、舰船运动轨迹的正横距离R₀，根据步骤(3)中多普勒信号z_m(t)的瞬时相位表达式，利用已获得的瞬时相位估计值和时变幅度估计值通过加权非线性最小二乘估计法得到舰船上各线谱噪声源经过测量水听器时的正横时刻估计值、线谱声源的频率估计值和多普勒信号的初始相位估计值：$\{{\hat{t}}_{m0},{\hat{f}}_{m0},{\hat{\phi }}_{m0}\}=\underset{(t_{m0},f_{m0},{\phi }_{m0})}{\arg \min }\left\{{\int }_0^T{\hat{A}}_m^2{[{\phi }_m\left(t\right)-{\hat{\phi }}_m\left(t\right)]}^2\mathrm{dt}\right\};$5）利用各噪声源和信标源通过测量水听器的正横时刻差值，根据式子确定舰船上纵向分布的各噪声源位置L_m。