第36卷第5期电子与信息学报 Vol.36 No.5 2014年5月 Journal of Electronics & Information Technology May 2014
水下运动目标线谱噪声源识别方法研究
徐灵基杨益新*
(西北工业大学航海学院西安 710072)
摘要：根据运动声源的多普勒频移特性，该文提出单水听器识别低频线谱噪声源位置的3种方法。首先，利用加窗互Wigner-Ville分布(cross Wigner-Ville Distribution, XWVD)精确提取微弱多普勒频移曲线后，分别使用频率交点和最小二乘来估计噪声源通过水听器的正横时刻从而识别噪声源位置，这两种方法称为频率交点法和最小二乘法。进一步地，利用直接对多普勒信号做WVD后自交叉项的能量发散特性，得到一种计算量相对较小的噪声源识别方法。水池试验和海上试验分析结果表明，基于多普勒效应的3种方法都对噪声源进行了有效定位，性能明显优于现有的通过特性法，其中最小二乘法定位精度略优于基于交叉项特性的方法，频率交点法定位误差略大。
关键词：水声信号处理；噪声源识别；水下运动目标；多普勒频移；加窗互Wigner-Ville分布；最小二乘估计
中图分类号：TB566 文献标识码：A 文章编号：1009-5896(2014)05-1119-07 DOI: 10.3724/SP.J.1146.2013.01102
Identification of Tone Noise Sources of Underwater Moving Target
Xu Ling-ji Yang Yi-xin
(School of Marine Science and Technology, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072, China)
Abstract: According to the Doppler shift of moving acoustic source, three methods are presented for identification of noise sources of underwater moving target with single hydrophone. Firstly, the weak Doppler shift curves are obtained accurately by windowed cross Wigner-Ville Distribution (XWVD). Then the abeam moments are estimated by frequency intersection or least square algorithm. Locations of noise sources are obtained by referring to beacon source at last.These two methods are respectively called frequency intersection method and least square method. Furthermore, based on the effect of energy dispersion caused by inner artifacts, another identification method is proposed by applying WVD to Doppler signal directly, and this cross-term method needs less computation. The water tank and sea experiment results show that performances of these proposed methods are better than the existing passing property method. Among the three methods, the least square method is the best one, next is the cross-term method, and frequency intersection method is the worst in comparison.
Key words: Acoustic signal processing; Identification of noise sources; Underwater moving target; Doppler shift;
Cross Wigner-Ville Distribution (XWVD); Least square estimate
1引言
舰船辐射噪声主要来源于舰船的主机推进系统、螺旋桨、辅机机械系统和航行时产生的水动力效应，其中由辅机机械的往复运动引起的线谱噪声具有频率低、功率高和稳定性强等特点，携带着舰船重要的特征信息，可被远距离探测，是水声设备发现目标的关键。降低舰船噪声不仅可以有效地防止被敌方水声设备探测和被水中兵器攻击，同时也有利于提高装备在舰船上的各种水声设备的性能。因此，舰船降噪成为舰船声学设计的迫切任务，而
2013-07-25收到，2013-12-02改回
国家自然科学基金(11274253)资助课题
*通信作者：杨益新 yxyang@https://www.doczj.com/doc/8c1490758.html, 精确识别舰船上主要噪声源的位置可以为舰船的声学设计提供参考和依据。
舰船辐射噪声测量过程中，被测船由远及近并由近及远通过测量水听器，舰船是运动的。运动目标的噪声源识别方法主要有近场声全息法[1,2]和聚焦波束形成法[3,4]。近场声全息法具有较高的识别精度，但测量面上测量数据需要传声器测点较多，且要求测量面与被测目标距离小于声波长，较难应用于实际的水下运动目标测试中，现有的较理想结果是在水池试验条件下取得的[5,6]。文献[7,8]利用阵列高分辨测向技术识别水下运动目标噪声源位置，然而对于低频声源，这类方法和聚焦波束形成法一样，需要使用较大孔径的阵列。目前实际噪声测量中主要还是利用舰船的通过特性法来识别噪声源位置[9]，但