NEMS矢量水听器的海上实验研究

刘 宏，刘慧敏，张国军，葛晓洋，薛 南

(1.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西 太原 030051;2.北京航天控制仪器研究所，北京 100854)

0 引言

对于主要在水下活动的潜艇，隐蔽性是其战斗力和安全性的基本保证。因此，暴露性器材的使用受到严格控制，目标识别主要依靠舰船辐射噪声特征信息的提取来进行［1］，舰船辐射噪声的功率谱是一种典型的连续谱和线谱的叠加，它们从2个方面反映了舰船的特征，可根据线谱特征对目标进行识别分类，其中线谱主要集中在1000 Hz以下。

线谱是水中目标辐射噪声谱中的重要成分，它们往往携带着重要的特征信息。利用线谱一方面可以发现低噪声目标，大幅度提高声呐的探测距离;另一方面可根据线谱特征对目标进行识别。因此，研究低频段线谱无论是对目标自身隐蔽性还是远距离探测目标都具有重要意义，同时也可能给舰船的减振降噪带来突破性的进展［2］。

NEMS矢量水声传感器具有很好的低频探测性能、高灵敏度和一致性好等优点，其结构及工作原理，张文栋等在相关文献中已详尽阐述［3－5］。本文首先介绍NEMS矢量水听器的定向原理，给出一种CZT变换提取线谱的方法。为验证NEMS矢量水听器在海洋环境中的实用性，进行海上实验，利用采集到的某运动船只的辐射噪声数据，提取该商船的特征线谱后进行航迹跟踪。

1 NEMS矢量水听器的定向原理

在各向同性的均匀流体介质中，有一个位于u方向的声源，u为其单位矢量，NEMS矢量水听器是二维的，能同时测量声场中质点振速v(t)的2个正交分量vx(t)和vy(t)，因此u=［cosαosinαo］T，αo∈［0，2π)。声源发出的声波S(t)入射到位于坐标原点的水声矢量传感器上。需利用矢量水听器的测量信息估计声波的到达方向αo。可以认为，NEMS矢量水听器由处在同一空间位置上的1个声压传感器和2个分别测量质点振速的X向和Y向分量的振速传感器构成，除接收声场的标量参数声压P外，同时接收声场的矢量参数——质点振速v=［vxvy］。

简谐平面波声压可表示为

式中:k为波矢量，k=ku，k为波数。在均匀介质中声场的运动方程为

式中ρo为介质密度。将式(1)代入式(2)可得:

式中ρoc为平面波阻抗，c为声传播速度。在远场，波阻抗为实数，式(3)表明，声压p与振速vx和vy有完全相同的波形，是完全相关的。

忽略反映NEMS矢量传感器声压振速灵敏度差和波阻抗等的常系数，由式(3)可得矢量传感器的2路振速输出分别为:

由式(4)可以得出声源在方位角，因此测得质点的振速vx和vy就可以确定声源的方位角，这就是NEMS矢量水听器的定向原理。

2 线谱提取方法

以舰船辐射噪声作为源信号，海洋环境噪声作为干扰信号，利用平滑平均周期图法的功率谱估计［6］，分析上述2种噪声的功率谱密度特性，通过对比判断舰船辐射噪声的大致频段，再利用CZT变换［7］细化这个特征频段，提取特征线谱。

分析信号频谱时，所做实验设信号采样频率为10 kHz，频谱分辨率是0.1 Hz，从Δf=fs/N可以得出，因为需要对100000个点作FFT，所以这需要有很强的运算能力和储存能力。然而，舰船辐射的噪声中，只对某根线谱进行不断跟踪，所以只要求知道该线谱附近局部范围内的精细谱结构。频谱的采样集中在这一频带内，使得局部频段内的分辨能力提高，即进行细化谱分析。本文采用CZT变换，是为了达到频谱细化的目的。只要是在单频率成分或者谱线之间相距较远时，CZT可任意提高分辨率，能够更好地对舰船辐射的线谱进行分析。

通过计算机仿真对FFT和CZT进行对比。仿真的信号为3个正弦信号的叠加，频率分别为25.68 Hz，26 Hz，26.78 Hz。采样率设为256，采样点数n为512。当进行CZT变换时，可以直接选择20～30 Hz的频段进行细化，这中间间隔的点数为256。采用FFT和CZT实现信号谱分析的Matlab仿真如图1所示。从直接利用FFT变换后的功率谱图可以看出，这3个频率已经分辨不清。而利用CZT变换后的功率谱图，这3个频率可以分辨得很清楚，其分辨力可达0.32 Hz。由此可见，通过CZT可以使频谱细化，提高分辨力。

图1 FFT谱分析与CZT的谱分析Fig.1 CZT spectral analysis and FFT spectral analysis

3 海试数据分析

实验选在浅海环境下，实验目标为某运动的船只。该船只大约距离水听器26 m，以2.6 kn的速度航行。用单NEMS矢量水听器通过使用NI数据采集卡采集船的辐射噪声，采样率设为10 kHz。

实验数据分析主要有2点:1)利用CZT方法提取线谱;2)利用NEMS矢量水听器在海洋环境中跟踪船只的航迹。图2所示为实验所用的新型NEMS矢量水听器。

图2 NEMS矢量水听器Fig.2 NEMS vector hydrophone

3.1 船只的线谱提取

首先，通过观察海洋环境噪声频谱与背景干扰下船只辐射噪声频谱进行对比分析。

图3 谱对比Fig.3 Spectral comparison

从图3可看到，该船只的辐射噪声频率主要集中在几十至1000 Hz左右这个范围内，之后用CZT对这段频率谱进行分析，缩小频率范围，图4为细化后的频谱图形，从图中可看到，有2根频率为112.47 Hz和215.98 Hz的线谱十分明显。

图中还显示该船辐射的噪声能量主要在窄带为几十至380 Hz范围内，这有可能是船只主机、辅机等各种动力设备机械振动产生的噪声［2，8］。

3.2 船只的航迹跟踪

图4 细化后的频谱Fig.4 Spectrum after detailed

首先安装好水听器与电磁罗经，船只在距水听器50 m处从水听器的X路(0°)方向开始做圆周运动航行，时间为0～20 s。运用波束形成法来确定该船的运动轨迹［9］。图5(a)为水听器采集到的原始数据进行的方位历程估计;图5(b)为进行滤波后的数据，得到线谱。对比图5(a)和图5(b)可以看出，前文中确定的线谱是正确的，且得出NEMS矢量水听器能够在海洋环境中跟踪运动船只的航迹。

图5 方位历程图Fig.5 Bearing time

4 结语

本文以NEMS矢量水听器为前提，提出一种提取线谱的方法，通过计算机仿真，结果表明:CZT方法在频率的分辨力上要优于FFT变换，其分辨力可达0.32 Hz。通过分析海上航行船只采集到的实验数据，单NEMS矢量水听器就能够实现在真实的海洋环境中对运动的船只进行航迹跟踪，CZT方法能够应用于船只线谱的提取且提高频谱的分辨能力，对今后的研究奠定了一定的基础。

［1］李训诰，周利辉.舰船噪声小波谱提取方法研究［J］.应用声学，2009，28(5):367 －371.

［2］刘晓亮，陈立纲，石勇，等.一种估计水中目标辐射噪声线谱的方法［J］.舰船科学技术，2007，29(6):70 －72.

［3］ZHANG W D，XUE CH Y，XIONG J J，XIE B.Piezoresistive effects of resonant tunneling structure for application in micro－sensors［J］.Indian Journal of Pure ＆Applied Physics，2007，45:294 －298.

［4］XUE CH Y，TONG ZH M，ZHANG B Z，ZHANG W D.A novel vector hydrophone based on the piezoresistive effects of resonant tunneling diode［J］.IEEE Sensors Journal，2008，8(4):401 －402.

［5］谢斌，薛晨阳，张文栋，等.硅微仿生矢量水声传感器研制［J］.传感技术学报，2006，19(5):2300 －2303.

［6］王凤瑛，张丽丽.功率谱估计及其MATLAB仿真［J］.微计算机信息，2006，22(3):287 －289.

［7］程佩青.数字信号处理教程［M］.北京:清华大学出版社，2007.176 －182.

［8］R.J.尤立克.水声原理［M］.哈尔滨:哈尔滨船舶工程学院出版社，1985.

［9］关凌纲，张国军，薛晨阳.基于纳机电矢量水听器的水下目标估计［J］.海洋技术，2009，28(2):43 －46.