CN119197735A - 一种航行器水下辐射噪声实时自测量评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种航行器水下辐射噪声实时自测量评估方法，属于水下航行器噪声监测与评估技术领域，其通过水下航行器在拖曳声呐的状态下采用特定的机动方式使水下航行器在一段时间内与拖线阵保持稳定的相对位置关系，通过阵形估计、聚焦波束形成等方法完成对自身辐射噪声水平和特征的测量，最终使得在水下航行器在航行状态下不受地域和时间限制地了解自身辐射噪声情况，掌握当前声隐身态势，可作为水下航行器在航期间辐射噪声评估的一种补充和参考手段。
Description
技术领域
本发明属于水下航行器噪声监测与评估技术领域，具体涉及一种航行器水下辐射噪声实时自测量评估方法。
背景技术
现有的水下辐射噪声测量方法主要有固定式和移动式。固定式是指在特定海域将水听器（阵）固定在指定位置，进行辐射噪声测量，例如CN116929531A“一种UUV航行辐射噪声测量系统”；而移动式主要借助于辅助测量船，将测噪系统布放到实验海域进行噪声测量，例如CN117647796A“一种深海环境下的拖线阵被动探测数据模拟方法”。这两种测量方式对环境及辅助设施的要求较高，无法实现任意海洋环境下辐射噪声的在线测量和预报。
与传统的试验场和辅助测量船等水下辐射噪声测量手段相比，船舶采用自身拖曳阵进行本体噪声测量，具有使用灵活方便、成本低等诸多优势。对于水下航行器来说，利用拖曳声呐测量本体自噪声可以实现水下航行器在航行过程中快速了解本体辐射噪声水平，掌握自身声隐身态势，为水下航行器行动决策提供参考。
水下航行器若能在拖曳声呐的过程中，通过一定的机动方式使自身在一段时间内与整个或者部分拖线阵保持相对稳定的态势，且处于该部分拖线阵接近正横的方位，水下航行器就可以作为一个目标被拖线阵声呐持续探测，进而实现对自身辐射噪声的测量。
发明内容
针对以上技术问题和应用背景，本发明提供了一种航行器水下辐射噪声实时自测量评估方法，其利用水下航行器拖曳声呐实时测量本体辐射噪声，使水下航行器拖曳声呐能够在航行过程中快速测量辐射噪声，包括以下步骤：
S1、判断当前所处环境是否适合布放拖曳声呐并测量辐射噪声。
S2、根据任务需要确定测量所采取的机动方式。
S3、根据实测海洋环境噪声和声呐流噪声水平确定背景噪声级NL，根据预知的水下航行器辐射噪声水平确定声源级SL。
S4、将步骤S3中背景噪声级NL和声源级SL带入声呐方程，计算合适的水下航行器辐射噪声测量时间T、测量距离R和选用声呐阵元个数N。
S5、根据水下航行器操纵理论及水下航行器的长度d，声呐阵列尺寸h，确定水下航行器机动路线参数和测量时机。
S6、进行阵形估计，计算拖线阵声呐阵元的坐标。
S7、根据步骤S4-S6中确定的参数，通过聚焦波束形成空间扫描的方法确定水下航行器方位和距离。
S8、根据步骤S7的水下航行器方位和距离计算时域波束数据。
S9、对时域波束数据进行功率谱分析得到辐射噪声的功率谱。
S10、将步骤S9测得的功率谱折算为水下航行器辐射噪声声源级。
进一步，步骤S1中所述当前所处环境，需要海深满足水下航行器下潜和拖曳声呐布放的最小深度要求，水下航行器和拖曳声呐的距底高度满足安全指标，周围海域无海底障碍得物，海况不大于3级。
进一步，步骤S2中所述机动方式，包括U形机动方式和圆周机动方式。
进一步，步骤S4中计算方式为，参照被动声呐方程中的能量关系，对于线谱信号，信噪比为
；
对于宽带辐射噪声信号，信噪比为
；
式中DF为傅里叶变换对单频信号的处理增益，DI为空间增益，TL为传播损失，其中：
；
；
；
式中T为测量时间，N为选用声呐阵元个数，R为声源至接收阵的测量距离。
同时，为能够将多段测量结果取平均以减小误差，需增大测量时间；为最大程度地保证阵列接近直线阵，降低阵形估计的难度以及阵形畸变的影响，需选取部分阵列参与计算；缩小水下航行器和拖线阵距离可减小传播损失，但会缩短稳定测量时间；综合考虑上述因素，根据预设的信噪比要求，SNR≥3dB，计算出合理的测量时长、检测时长、测量距离R与阵元个数N，其中，，n为取平均的测量段数。
进一步，步骤S5中水下航行器机动路线参数为，水下航行器转弯半径Γ、拖曳声呐放缆长度L和水下航行器航速V；其中，。
测量时机为测量开始和结束的时间以及位置，使水下航行器位于拖线阵正横方向，有
；
。
进一步，步骤S6中，阵形估计测量时，通过对分布在拖线阵固定位置的航向传感器测得的航向数据进行插值拟合，以分析时长为单元估计得出各个声呐阵元的坐标x 1 ,x 2 ,…,x N 。
进一步，步骤S7中，通过聚焦波束形成空间扫描的方法，参考拖线阵基准阵元，找出噪声能量最大值对应的方位θ和距离D，即水下航行器声中心位置；其中，为扫描位置到各阵元与基准阵元的时延，，c为海水中声速，为各阵元的时域数据，且0≤t≤T。
进一步，步骤S8中以水下航行器声中心位置到各阵元与基准阵元的时延对各阵元的时域数据进行时移得到，相加得到时域波束数据x(t)，i=1,2,…,N-1，计算方法为:
；
；
。
进一步，步骤S9中，重复步骤S6-S8，直至达到检测时长T s ；对得到的时域数据分段进行功率谱分析并取平均，得到辐射噪声的功率谱：
。
进一步，步骤S10中根据传播损失公式，将测得的功率谱折算至水下航行器等效声中心1米处，得到水下航行器辐射噪声声源级，计算公式为：。
有益效果
1.与传统的试验场和辅助测量船等水下辐射噪声测量手段相比，船舶采用自身拖曳阵进行本体噪声测量，具有使用灵活方便、成本低等优势。
2.通过水下航行器在拖曳声呐的状态下采用特定的机动方式使水下航行器在一段时间内与拖线阵保持稳定的相对位置关系，通过阵形估计、聚焦波束形成等方法完成对自身辐射噪声水平和特征的测量，最终使得在水下航行器在航行状态下不受地域和时间限制地了解自身辐射噪声情况，掌握当前声隐身态势，可作为水下航行器在航期间辐射噪声快速评估的一种补充和参考手段，为水下航行器行动决策提供参考。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明中水下航行器辐射噪声实时自测量评估方法流程示意图；
图2是本发明中机动测量态势示意图；
图3是本发明中水听器阵列信号处理流程示意图；
图4是本发明中水下航行器U形机动示意图；
图5是本发明中水下航行器圆周机动示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明方法，并不用于限定本发明的方法。
本发明提供了一种航行器水下辐射噪声实时自测量评估方法，其利用水下航行器拖曳声呐实时测量本体辐射噪声，使水下航行器拖曳声呐能够在航行过程中快速测量辐射噪声，例如水下潜艇拖曳声呐测量辐射噪声流程示意图如图1，具体包括以下步骤：
S1、判断当前所处环境是否适合布放拖曳声呐并测量辐射噪声。
S2、根据任务需要确定测量所采取的机动方式。
S3、根据实测海洋环境噪声和声呐流噪声水平确定背景噪声级NL，根据预知的水下航行器辐射噪声水平确定声源级SL。
S4、将步骤S3中背景噪声级NL和声源级SL带入声呐方程，计算合适的水下航行器辐射噪声测量时间T、测量距离R和选用声呐阵元个数N。
S5、根据水下航行器操纵理论及水下航行器的长度d，声呐阵列尺寸h，确定水下航行器机动路线参数和测量时机。
S6、进行阵形估计，计算拖线阵声呐阵元的坐标。
S7、根据步骤S4-S6中确定的参数，通过聚焦波束形成空间扫描的方法确定水下航行器方位和距离。
S8、根据步骤S7的水下航行器方位和距离计算时域波束数据。
S9、对步骤S8中时域波束数据进行功率谱分析得到辐射噪声的功率谱。
S10、将步骤S9测得的功率谱折算为水下航行器辐射噪声声源级。
进一步，步骤S1中所述当前所处环境，需要海深满足水下航行器下潜和拖曳声呐布放的最小深度要求，水下航行器和拖曳声呐的距底高度满足安全指标，周围海域无海底障碍得物，海况不大于3级。
进一步，步骤S2中所述机动方式，包括U形机动方式和圆周机动方式。
进一步，步骤S4中计算方式为，参照被动声呐方程中的能量关系，对于线谱信号，信噪比为
；
对于宽带辐射噪声信号，信噪比为
；
式中DF为傅里叶变换对单频信号的处理增益，DI为空间增益，TL为传播损失，其中：
；
；
；
式中T为测量时间，N为选用声呐阵元个数，R为声源至接收阵的测量距离。
同时，为能够将多段测量结果取平均以减小误差，需增大测量时间；为最大程度地保证阵列接近直线阵，降低阵形估计的难度以及阵形畸变的影响，需选取部分阵列参与计算；缩小水下航行器和拖线阵距离可减小传播损失，但会缩短稳定测量时间；综合考虑上述因素，根据预设的信噪比要求，SNR≥3dB，计算出合理的测量时长、检测时长、测量距离R与阵元个数N，其中，，n为取平均的测量段数。
进一步，步骤S5中水下航行器机动路线参数为，水下航行器转弯半径Γ、拖曳声呐放缆长度L和水下航行器航速V；其中，。
测量时机为测量开始和结束的时间以及位置，使水下航行器位于拖线阵正横方向，有
；
。
对测量时长、检测时长、测量距离R与阵元个数N，以及水下航行器转弯半径Γ、拖曳声呐放缆长度L和水下航行器航速V的合理计算，是通过不断调整得出符合步骤S4中所述原则和步骤S5中所述限制条件的取值组合，最后根据实际操纵难易程度对取值组合进行取舍得到。
进一步，步骤S6中，阵形估计测量时，通过对分布在拖线阵固定位置的航向传感器测得的航向数据进行插值拟合，以分析时长为单元估计得出各个声呐阵元的坐标x 1 ,x 2 ,…,x N 。
进一步，步骤S7中，通过聚焦波束形成空间扫描的方法，参考拖线阵基准阵元，找出噪声能量最大值对应的方位θ和距离D，如图2，即水下航行器声中心位置；其中，为扫描位置到各阵元与基准阵元的时延，，c为海水中声速，（0≤t≤T）为各阵元的时域数据。
进一步，步骤S8中以水下航行器声中心位置到各阵元与基准阵元的时延对各阵元的时域数据进行时移得到，相加得到时域波束数据x(t)，i=1,2,…,N-1，计算方法为：
；
；
；
进一步，步骤S9中，重复步骤S6-S8，直至达到检测时长T s ；如图3所示水听器阵列信号处理流程，对得到的时域数据分段进行功率谱分析并取平均，得到辐射噪声的功率谱：
。
进一步，步骤S10中根据传播损失公式，将测得的功率谱折算至水下航行器等效声中心1米处，得到水下航行器辐射噪声声源级，计算公式为：
。
进一步，在步骤S6中，阵形估计的方法包括但不限于姿态传感器差值拟合、基于流体力学计算等方法。
进一步，在步骤S7中，聚焦波束形成搜索声中心过程亦可使用频域波束形成方法。
进一步，在步骤S8-S9中，亦可使用频域波束形成方法直接得到功率谱结果。
进一步，在步骤S7-S9中，进行频域波束形成时波束形成器包括但不限于常规波束形成，可根据需要采用其他波束形成器。
下面根据步骤S2中所述不同机动方式，对水下航行器辐射噪声测量的操控实施例进行介绍。
实施例一，机动方式按如图4所示的U形机动方式中，可按照如下步骤具体操作：
（1）水下航行器直航，布放拖线阵至一定长度，其中声阵段和零浮力缆全部布放，重力缆根据条件决定布放长度，观察拖线阵姿态传感器数据，等待声阵段大致呈直线状态，声阵前后深度差较稳定；
（2）水下航行器保持航速，尽快改变舵角，进行回旋机动，开始转向时刻计为T0，初始航向为γ；
（3）等待航向为γ+180°后，保持航向γ+180°不变，观察拖线阵姿态传感器数据，等待声阵段呈直线状态，拖线阵航向与水下航行器航向相差约180°；
（4）观察拖线阵声纳综合显控台的A显和历程界面，选择500-1000Hz处理波段（#2和#3阵段），在小舷角方向上是否存在本体能量轨迹且舷角一直变大，对该目标进行角度跟踪；
（5）观察本项目测量算法界面，解算水下航行器与拖线阵的相对态势；
（6）当水下航行器位于拖线阵的舷角90°附近，此时满足测量条件。
实施例二，机动方式按如图5所示的圆周形机动方式中，可按照如下步骤具体操作：
（1）水下航行器直航，布放拖线阵至一定长度，其中声阵段全部布放，零浮力缆根据条件决定布放长度，观察拖线阵姿态传感器数据，等待声阵段大致呈直线状态，声阵前后深度差较稳定；
（2）水下航行器保持航速，逐渐改变舵角至β，之后以舵角β进行圆周机动，舵角由转向半径决定，开始转向时刻计为T0，初始航向为γ；
（3）等待航向为γ+180°后，观察拖线阵姿态传感器数据，等待声阵前后深度差较稳定，声阵段呈较稳定弧形；
（4）观察拖线阵声纳综合显控台的A显和历程界面，选择500-1000Hz处理波段，在舷角约90°方向上是否存在本体能量轨迹且保持稳定；如条件允许，对该目标进行角度跟踪；
（5）观察本项目测量算法界面，水下航行器与拖线阵的距离是否保持稳定且相对舷角在约90°方向；
（6）如果水下航行器与拖线阵距离保持稳定，且相对舷角约为90°，此时满足测量条件。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种航行器水下辐射噪声实时自测量评估方法，其特征在于，利用水下航行器自身拖曳声呐实时测量本体水下辐射噪声，依次执行下列步骤：
S1、判断当前所处环境是否适合布放拖曳声呐并测量辐射噪声；
S2、根据任务需要确定测量所采取的机动方式；
S3、根据实测海洋环境噪声和声呐流噪声水平确定背景噪声级NL，根据预知的水下航行器辐射噪声水平确定声源级SL；
S4、将步骤S3中背景噪声级NL和声源级SL带入声呐方程，计算合适的水下航行器辐射噪声测量时间T、测量距离R和选用声呐阵元个数N；
S5、根据水下航行器操纵理论及水下航行器的长度d，声呐阵列尺寸h，确定水下航行器机动路线参数和测量时机；
S6、进行阵形估计，计算拖线阵声呐阵元的坐标；
S7、根据步骤S4-S6中确定的参数，通过聚焦波束形成空间扫描的方法确定水下航行器方位和距离；
S8、根据步骤S7的水下航行器方位和距离计算时域波束数据；
S9、对时域波束数据进行功率谱分析得到辐射噪声的功率谱；
S10、将步骤S9测得的功率谱折算为水下航行器辐射噪声声源级。
2.如权利要求1所述方法，其特征在于，步骤S1中所述当前所处环境，需要海深满足水下航行器下潜和拖曳声呐布放的最小深度要求，水下航行器和拖曳声呐的距底高度满足安全指标，周围海域无海底障碍得物，海况不大于3级。
3.如权利要求2所述方法，其特征在于，步骤S2中所述机动方式，包括U形机动方式和圆周机动方式。
4.如权利要求3所述方法，其特征在于，步骤S4中计算方式为，参照被动声呐方程中的能量关系，对于线谱信号，信噪比为
；
对于宽带辐射噪声信号，信噪比为
；
式中DF为傅里叶变换对单频信号的处理增益，DI为空间增益，TL为传播损失，其中：
；
；
；
式中T为测量时间，N为选用声呐阵元个数，R为声源至接收阵的测量距离；
同时，为能够将多段测量结果取平均以减小误差，需增大测量时间；为最大程度地保证阵列接近直线阵，降低阵形估计的难度以及阵形畸变的影响，需选取部分阵列参与计算；缩小水下航行器和拖线阵距离可减小传播损失，但会缩短稳定测量时间；综合考虑上述因素，根据预设的信噪比要求，SNR≥3dB，计算出合理的测量时长、检测时长、测量距离R与阵元个数N，其中，，n为取平均的测量段数。
5.如权利要求4所述方法，其特征在于，步骤S5中水下航行器机动路线参数为，水下航行器转弯半径Γ、拖曳声呐放缆长度L和水下航行器航速V；其中，；
测量时机为测量开始和结束的时间以及位置，使水下航行器位于拖线阵正横方向，有
；
。
6.如权利要求5所述方法，其特征在于，步骤S6中，阵形估计测量时，通过对分布在拖线阵固定位置的航向传感器测得的航向数据进行插值拟合，以分析时长为单元估计得出各个声呐阵元的坐标x 1 , x 2 , …, x N 。
7.如权利要求6所述方法，其特征在于，步骤S7中，通过聚焦波束形成空间扫描的方法，参考拖线阵基准阵元，找出噪声能量最大值对应的方位θ和距离D，即水下航行器声中心位置；其中，为扫描位置到各阵元与基准阵元的时延，，c为海水中声速，为各阵元的时域数据，且0≤t≤T。
8.如权利要求7所述方法，其特征在于，步骤S8中以水下航行器声中心位置到各阵元与基准阵元的时延对各阵元的时域数据进行时移得到，相加得到时域波束数据x(t)，i=1,2,…,N-1，计算方法为：
；
；
。
9.如权利要求8所述方法，其特征在于，步骤S9中，重复步骤S6-S8，直至达到检测时长T s ；对得到的时域数据分段进行功率谱分析并取平均，得到辐射噪声的功率谱：
。
10.如权利要求9所述方法，其特征在于，步骤S10中根据传播损失公式，将测得的功率谱折算至水下航行器等效声中心1米处，得到水下航行器辐射噪声声源级，计算公式为：
。
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| Title |
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| 刘清宇 等: "一种被动拖曳声纳阵列信号模拟器设计", 声学技术, vol. 28, no. 04, 15 August 2009 (2009-08-15), pages 463 - 466 * |
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