运动目标噪声源识别方法
严光洪,陈志菲,孙进才
(西北工业大学航海学院,陕西西安 710072)
摘 要:文章提出了利用单线列阵确定运动目标噪声源部位和特性的方法,并提出了基于DOA解算运动目标噪声源的空间位置的方法。介绍了噪声源部位识别时M USIC近场和相关性处理方法。数字仿真计算、消声水池模拟试验和实物试验结果表明,文中所介绍的方法是正确的。当运动目标和测试阵垂直距离小于150m时,噪声源部位测试误差不大于0.1m,可用于工程测试。
关 键 词:噪声源,部位识别,线列阵,M USIC
中图分类号:TN911.7 文献标识码:A 文章编号:1000-2758(2009)03-0378-04
水下航行体、汽车、飞机等运动物体辐射噪声,很多场合下要求降噪,为了有效实现噪声控制,必须确定噪声源位置和特性。对于静态目标的噪声源部位和特性的确定,可利用单个声压传感器、声矢量、多传感器形成的阵列对噪声源进行定向定位和特性分析[1～4]。而对于运动目标的噪声特性的确定,目前一般只利用声压传感器或矢量传感器测试到噪声的时域和频域特性[5,6],对运动目标的噪声源部位,目前还没有很有效的确定方法。在运动目标均速直线运动、测试平台静止条件下,本文提出了利用单线列阵基于MU SIC算法解算DOA(Direction of Arrival)的噪声源部位确定方法。另外,本文也介绍了噪声源部位识别时M USIC近场和相关性处理方法。利用仿真确定了基于单一线列阵的噪声源部位识别的误差。消声水池试验和水库试验结果表明本文所介绍方法的正确性,当运动目标和测试阵垂直距离小于150m时,噪声源部位测试误差不大于0.1m,可用于工程测试。
1 噪声源部位确定的方法
当测试阵与运动目标在同一平面时,测试阵可设计成线列阵,噪声源部位求解为2D坐标系的求解,如图1
所示。
图1 不同时刻运动目标在坐标中的位置
当运动目标作均速直线运动时,若t1、t2、t3时刻(设 t=t3-t2=t2-t1)声源与x轴的夹角 1、 2、 3可求得,则根据图中的几何关系可求出t2时刻声源的位置。由图中几何关系,则有
a sin
R1-a cos
=tg( 3- 2)
2a sin
R1-2a co s
=tg( 3- 1)
(1)
式中,a=v t,为 t时刻运动物体的移动距离。由(1)式可求出和R1
=ctg-1[ctg( 3- 2)-2ctg( 3- 1)]
R1=a cos+a sin ctg( 3- 2)
(2)
2009年6月第27卷第3期
西北工业大学学报
Jo ur nal o f N or thw ester n Po ly technica l U niv ersity
June2009
Vo l.27N o.3
收稿日期:2008-03-04基金项目:国家自然科学基金(60672136)资助作者简介:严光洪(1966-),西北工业大学博士生,主要从事信号处理、噪声控制和固体力学研究。
因为R sin( 3- 2)=a sin,则可求得R
R=
a sin
sin( 3- 2)
(3)
当R已知时,t2时刻声源的坐标(x0,y0)为
x0=x c1-R cos 2
y0=R sin 2
(4)同时,可求得运动物体和阵的夹角!为
!=1800- 3-(5) 由以上分析可知,若在3个时刻的噪声源辐射方位角度已知,则可确定声源相对阵的位置。方位角估计可采用高分辨DOA估计算法[7～9]。计算噪声源不同频率f1和f2单频点或窄带下的某一时刻的方位和位置。当f1和f2噪声源的相对位置可求解时,并已知其中一个频率噪声源在运动目标上的固定位置(可采用在运动物体上某固定位置安装声换能器发射和一般辐射噪声频率不一样的某特定频率的声信号)时,则运动目标的另一频率的噪声源发出的位置可求得。2 DOA求解方法
本文采用MU SIC算法[10]。线列阵的M USIC算法的远场DOA精确求解方法如下:
在∀≥#≥0范围内,分别求解P M USI C(#), P MU SIC(#)最大值对应的角度即为信号到达方位角, P MU SIC(#)值计算公式为
P MU SIC(#)=
1
∑N
i=D+1
‖a(#)H e i‖
(6)式中,‖ ‖为范数值,e i为测试信号的协方差矩阵的特征矢量,∑
N
i=D+1
为所有噪声特征矢量构成的和。
a(#)H为
a(#)H=[e-j kx1cos#,…,e-j kx N cos#](7)式里,k为波数,x1,…,x N为线列阵阵元的坐标位置。
当运动目标和阵的距离不满足远场条件时, DOA求解时需进行M USIC近场修正,MU SIC近场修正时近场协方差矩阵R近修正成R修[11]
R修(r,r+h)=
R近c-
h
2,c+
h
2如果c-
h
2为整数
R近c-
h-1
2
,c+
h+1
2
+R近c-
h+1
2
,c+
h-1
2
2其它
(8)
式中,c为阵列中心,c=(N+1)/2,N为线列阵的阵元总数。
当信号相关时,协方差矩阵R的秩会退化,构造一个T oeplitz矩阵进行去相关处理[12]
R T=r-xx[1]r-*xx[2]…r-*xx[N]
r-xx[2]r-xx[1]…r-*xx[N-1]
…………
r-xx[N]r-x x[N-1]…r-*xx[1]
(9)
式中,T oeplitz矩阵中的元数为
r-[i]=1
N-i+1∑N
n=1
r xx[n,n-i+1]
i=1,2,…,N (10)
3 仿真计算分析
由以上分析可知,噪声源部位求解的准确度和DOA求解的精度有关,而DOA求解的精度和阵元数目有关,数目越大精度越高,理论上,可实现任何精度的噪声源部位识别的线列阵。工程实现时,若噪声源部位识别误差在±0.1m内就基本可行。以下以16元线列阵为例,利用仿真计算分析噪声源部位识别的误差,用于确定工程可行性。仿真计算分析的模型如下:
(1)线列阵为均匀线列阵,阵元之间的间距d ≤∃/2,∃为分析最高频率信号所对应的波长,阵元数为16个。
(2)设第i个阵元采集到的信号x i(t)为
x i(t)=s(t-%i)+n i(t)(11)式中,s(t-%i)为第i个阵元接受到的声信号,s(t) = A cos(&t-kr i+∋0)/r i,&=2∀f,k为波数,∋0为声信号的相位,r i为声源和第i个阵元之间距离。式中n i(t)为空间噪声,假设为高斯白噪声,即均值为0方差为1的均匀分布的随机信号。信噪比S N R =6dB。
(3)设运动物体航行方向和阵连线方向的夹角
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第3期严光洪等:运动目标噪声源识别方法
