矢量水听器自适应线谱增强应用研究

何希盈 ，李成新 ，张 磊 ，曾永钢，岳德俊

（1.中国人民解放军91004部队，辽宁 大连 116031；2.海军指挥学院信息系，江苏 南京 211800；3.北海舰队司令部，山东 青岛266001）

矢量水听器自适应线谱增强应用研究

何希盈1,2，李成新1，张 磊3，曾永钢1，岳德俊1

（1.中国人民解放军91004部队，辽宁 大连 116031；2.海军指挥学院信息系，江苏 南京 211800；3.北海舰队司令部，山东 青岛266001）

矢量水听器可以同步、共点测量声场的声压与振速信息。为了有效利用声压和振速的相关性，设计了双输入端自适应线谱增强器，并利用自适应线谱增强对实测的噪声数据进行了处理。结果表明，线谱增强器在双输入端分别输入声压与振速信号时比在单输入端输入声压时，对背景噪声有更好的抑制作用，输出的线谱亦更加明显。

矢量水听器；舰船辐射噪声；自适应线谱增强

矢量水听器由传统的无指向性声压传感器和偶极子指向性质点振速传感器构成，它可以同步、共点、直接测量声场空间一点处的声压和质点振速的若干正交分量，这些信息都有助于改善水声系统的性能，为解决一些水声问题提供了新的思路和方法。针对矢量水听器，文献[1]提出了自适应频域相干干扰合成能量流抑制方法，文献[2]指出声能流检测器是最大似然检测器和最大似然方位估计器。文献[3]利用自适应谱线增强技术对舰船辐射噪声线谱进行了研究。

对有限尺度的声源辐射的声场，声压和振速是完全相关的；而对于各向同性噪声场的声压与振速是不相关的。在远场，舰船辐射噪声的声压和振速可以认为是相关的，而环境噪声场可近似认为成各向同性噪声场，这是声压与振速联合信号处理抗干扰的基础。利用实测的船舶噪声，本文对自适应线谱增强器在单输入端为声压信号、双输入端为声压和振速信号时的性能进行了分析研究。

1 自适应谱线增强原理

自适应谱线增强器 （简称ALE）最早是Widrow等人提出。目前，基于自适应线性组合器的自适应谱线增强器已广泛应用于频谱估算、谱线估计以及窄带检测等领域。在窄带信号加上宽带信号的情况下，用自适应谱线增强方法无需独立的参考信号就能将信号分离出来。ALE的主要功能是从宽带噪声中分离出窄带信号，它实际上是自适应抵消器的典型应用，其原理框图如图1。

图1 自适应线谱增强器原理框图

如图1所示，ALE的核心部分是一个自适应噪声抵消器。设输入 x（k）是由单频正弦信号 s（k）和噪声 n（k）组成，将输入x（k）延时△后作为抵消器的参考输入。只要适当地选取延时Δ，使处理器上下两个通道的噪声去相关，而单频信号由于其周期性仍具有很好的相关性。自适应滤波器通过形成一个中心频率为单频正弦频率的窄带滤波器，使得延时通道输入中的噪声分量被抑制，而正弦信号分量被增强，即所谓的“自适应线谱增强”；从而在求差过程中使直接输入通道与y（k）中的信号分量相抵消，输出的残差噪声功率最小。

实际中一般采用LMS运算的横向滤波器作为自适应滤波器，自适应线谱增强器的基本计算公式为：

式中：μ为自适应迭代步长。

2 实船辐射噪声线谱检测

2.1 实船噪声的采集

在汉江的太平码头附近，利用压差式的矢量水听器，通过自制的矢量声信号采集系统对过往的船只进行了实测。测量时，实验船锚泊在该段河流的中间，将矢量水听器固定于船尾的一侧，入水下约1 m。实验地点如图2所示。

矢量声信号采集系统由模拟处理板、数字处理板、磁罗经、电源组成，原理框图如图3所示。实验时，数据的采样频率为9.92 k，并被记录在CF卡上。

图2 实验地点示意图

图3 矢量声信号采集系统原理框图

2.2 实船噪声线谱的检测

压差式矢量水听器输出信号包括：声压信号p、水平方向上两个正交的振速信号vx和vy。在后续处理的过程中发现，振速信号vx由于前放的原因，实船噪声采集的不成功，故没有用这路信号。被测船经过矢量水听器正横时前后共计100 s的噪声数据，如图4、图5所示。取实船噪声信号p和vy中第60 s的数据为样本，该样本数据有9 920个点。用Welch法对这组数据的声压及振速信号样本进行FFT变换。在数据处理时，选取Hamming窗的长度为1 024点，并且将512个样本数据重叠。得出0～4.96 kHz的功率谱分布，如图6、图7所示，由图上可以发现在225 Hz有明显的线谱存在。

运用自适应线谱增强器对这组声压信号进行数据处理，以便从辐射噪声中提取线谱，所得结果的频谱如图8所示。从图中可看出，实船辐射噪声经过自适应线谱增强的数字处理后，能够压制背景噪声，使225 Hz的线谱突出明显，因此，能较容易提取出有用的特征线谱。

图4 实船的声压信号

图5 实船的振速信号

图6 声压信号样本的功率谱

图7 振速信号样本的功率谱

图8 单端输入线谱增强后的功率谱

将自适应线谱增强器改进为双输入端自适应线谱增强器，原理框图如图9所示。令声压信号样本为x1（t），振速信号样本为x2（t），所得结果的频谱如图10所示。从图中可看出，实船辐射噪声经过双输入端自适应线谱增强的处理后，相比单输入端增强器能更大程度地压制背景噪声，频率为225 Hz的线谱更加突出。因此，线谱增强的效果后者要比前者强。

图9 双输入端自适应线谱增强器原理图

图10 双输入端线谱增强后的功率谱

3 结论

矢量水听器可以同时测量辐射噪声源的声压和振速。声压与振速是相关的，而噪声近似是不相关的，将声压与振速分别输入自适应线谱增强器上下两个通道，就可以将噪声去相关，从而提高了输出信号的信噪比。所以，双输入端自适应线谱增强器要比单输入端的效果要好。

[1]惠俊英,李春旭,梁国龙,等.声压和振速联合信号处理抗相干干扰[J].声学学报，2000，25（5）:389-394.

[2]孙贵青.矢量水听器检测技术研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学,2001.

[3]惠俊英,刘宏,余华兵,等.声压振速联合信息处理及其物理基础初探[J].声学学报，2000，25（4）:303-307.

[4]杨西林,周金,土炳和,等.自适应谱线增强在舰船辐射噪声线谱检测中的应用[J].舰船科技技术，2009，31（3）：93-95.

[5]胡广书.数字信号处理－理论、算法与实现[M]（第2版）.北京:清华大学出版社，2003.

[6]何振亚.自适应信号处理[M].北京:科学出版社,2002：198-203.

Application of Adaptive Line Enhancement in Vector Hydrophone

HE Xi-ying1，2,LI Cheng-xin1,ZHANG Lei3,ZENG Yong-gang1,YUE De-jun1
(1.Unit 91004 of PLA,Dalian Liaoning 116031,China;2.Department of Information,Naval Command College,Nanjing Jiangsu 211800,China;3.North Sea Fleet Command Headquarter,Qingdao Shandong 266001,China)

A vector hydrophone can measure the pressure and particle velocity information of the same point in acoustic field simultaneously.In order to make use of the correlation between pressure and particle velocity,a double-input adaptive line enhancement(ALE)is designed.The ship radiated noise data are processed by the enhancement apparatus.The results indicate that the performance of double-input ALE is superior to single-input ALE’s and therefore the line-spectrum can be extracted handily.

vector hydrophone;ship radiated noise;adaptive line enhancement

TN911

A

1003-2029（2011）03-0068-04

2010-12-20

国家部委基金资助项目（4010709010201）

何希盈（1978-），男，博士，工程师，主要研究方向为军用目标特性。