基于MVDR聚焦波束形成的辐射噪声源近场定位方法_时洁_图文(精)

第 34卷第 3期大连海事大学学报 Vol. 34 No. 3 2008年 8月 Journal of Dalian Maritime U niversity Aug. , 2008
文章编号 :100627736(2008 0320055204
基于 MVDR 聚焦波束形成的辐射噪声源近场定位方法Ξ
时洁 , 杨德森 , 刘伯胜 , 宋海岩
(哈尔滨工程大学 ,
摘要 :为全面刻画噪声源的空间分布 ,
( DR , 方位估计方法与聚焦波束形成相融合 ,
低的旁瓣级 , 并能减小“混叠” 效应的影响 . 仿真和实验均证明了该方法的正确性和有效性 .
关键词 :辐射噪声源 ; 近场定位 ; 最小方差信号无畸变响应 (MVDR ; 聚焦波束形成
中图分类号 :TB556文献标志码 :A
R adiated noise sources near 2f ield location based on MV D R focused beamforming
SHI Jie , Y AN G De 2sen , L IU Bo 2sheng , SON G Hai 2yan
(College of U nderw ater Acoustic Engi neeri ng ,
Harbin Engineering University , Harbin 150001, China Abstract :Both broadband signal and narrowband signal can fully describe the spatial distribution of the radiated noise sources. The near 2field focused beamforming method based on minimum variance distortionless response (MVDR was proposed , which may be used in underwater
radiated noise source locating , mean 2 time , the MVDR 2based bearing estimation was fused with fo 2 cused beamforming. Compared with conventional methods , the proposed method has higher resolution and lower side 2lobe level , while the impact of the aliasing was reduced. Both simulations and experiments verify the validity and efficiency of the proposed method.
K ey w ords :radiated noise sources ; near 2field location ; mini 2 mum variance distortionless response (MVDR ; fo 2 cused beamforming 0
近场聚焦波束形成中 , 根据信源到达各个阵元曲率半径的不同 , 补偿球面波规律下的时延差和幅度系数 , 根据基阵与目标的位置重建测量平面 , 并在该平面上对各个扫描点进行扫描 , 波束输出峰值对应的位置即为信源位置 [1]. 该方法因为优良的宽容性和易操作性得到国内外专家学者的广泛研究与应用 . 波束形成方法应用于飞机、汽车等噪声源定位的研究较多 [2-4], 但是应用于水下辐射噪声源定位方面的研究则鲜有报道 . 究其原因 , 舰船辐射噪声多集中于中低频段 , 水下基阵布放受到界面限制很难做大 , 加上复杂的声场环境 , 系统很难获得较高的定位性能 . 舰船辐射噪声的频谱特性有两种 [5]:一种是连续谱的宽带噪声 , 另一种是非连续谱的单频线谱噪声 . 受到信号带宽的影响 , 传统的噪声源定位方法往往利用辐射噪声中的宽带信号 , 对低频线谱信号的噪声源定位方法讨论得较少 , 而低频线谱往往和噪声源的机械运动状态有关 , 且具有信噪比高、稳定性较强的特点 . 对低频线谱及宽带噪声联合绘制聚焦声图 , 可以更全面地刻画目标辐射噪声源的空间分布 , 具有很高的工程应用价值 .
本文将基于最小方差信号无畸变响应法 (MV 2 DR 的高分辨方位估计方法 [6]引入聚焦波束形成中 , 对窄带线谱信号和宽带信号进行处理 , 获得较常规聚焦波束形成更高的分辨率和更低的背景级 , 且可以有效改善窄带线谱信号出现的“混叠” 现象 , 使得基阵和信号参数的选取更为宽容 . 在仿真基础上 , 对外场实验数据进行处理 , 实验结果与理论模型吻合较好 .
Ξ收稿日期 :2008201223.
基金项目 :国家科学技术研究重点项目 (51310080202 .
作者简介 :时洁 (1982- , 女 , 江苏扬州人 , 博士研究生 ,E 2mail :shijie-dongxin @163. com ; 刘伯胜 (1942- , 男 , 江苏无锡人 , 教授 , 博士生导师 .
1辐射噪声源近场定位原理
图 1为基于聚焦波束形成的辐射噪声源近场定位模型 . 根据信源到各个阵元曲率半径的不同 , 补偿球面波规律下的时延差和幅度系数 , 且时延差值为信源方位角和距离的二维函数 . 通过在测量平面对不同聚焦点的扫描 , 聚焦波束形成可获得平面区域的声强图 , 当目标出现在扫描区域时 , 其对应的扫描点的聚焦波束输出会出现峰值 . 因此聚焦波束形成一步引入高分辨算法 ,
.
图 1水平线列阵近场定位模型
2 MVDR 高分辨算法
2. 1 MVDR 方位估计
设有 M 元均匀线列阵 , d 为阵元间距 , c 为声
速 , f 为信号频率 , s m (t 为第 i 个基元的接收信号 , w m (m =1, 2, … , M 为对应的加权值 , 则波束形成器的输出可表示为 Y CBF (t =W H S (t . 其中 :W = [w 1, w 2, … , w M ]
T
为加权矢量 ; S (t =[s 1(t ,
s 2(t , … , s M (t ]为基阵输入信号矢量 . 设 R =E{S (t S (t H
}为基阵输入信号协方差矩阵 ,
MVDR 方法实际上是以下约束最小化问题的解 [7]:
min W H RW subject to W H a (θ
=1远场条件下 , MVDR 方位估计的空间谱 [7-8]为
P MVDR =a (θ
H
R -1a (θ 其中:a (θ =[1e -j2πf d sin θ/c … e -j (M -1 2πf d sin θ
/c ]为方
位向量 . 理想情况下 , MVDR 的空间谱近似为δ函
数 , 在信噪比不是很低的情况下 , MVDR 波束形成器
可以明显降低波束图的旁瓣级 , 减小目标方位估计的模糊区域 .
2. 2宽带 MVDR 方位估计
当线列阵接收到宽带信号时 , 需要利用 FF T 将
宽带信号分解为多个子带 , 分别对各个窄带估计频域互谱矩阵 , 利用互谱矩阵得到 MVDR 权向量和输
出谱 . 多个窄带的 MVDR 空间谱聚集后得到宽带空间谱 , 根据谱峰位置即可确定目标方位 [6].
设空间有 N 个宽带信源 , 接收信号序列长度为 T 0, 将其分为 U 段 , 每一段序列长度为ΔT , 对每一段接收信号经 FF T 变换后 , 在信号频带 f l ~f h 内可划分 K 个互不重叠的子带 , 即频点数为 K , 同时在每个频点上有 U 个频域快拍 . X (f k =A f +N (f k . 其中 :
A (f k , a (f k , k , , , a (f k , θN ]
[1k , s 2(f k , … , s N (f k ]
T
:为信号波到达方向的集合; a (f k , θi 为阵列在θi (i =1, 2, … , N 方向 f k 频段的方向矢量 ;
S (f k 为 f k 频段的信号源矢量 ; N (f k 为 f k 频段的
噪声矢量 . 第 k 个子带的互谱密度矩阵为
R (f k =E{X (f k X H
(f k }
=A (f k , Θ R s (f k A H (f k , Θ +σ2
I
利用非相干宽带处理方法 , 在不同的扫描角度
θ上对各个窄带分别计算 MVDR 空间谱 .
P k (θ
=a (f k , θ
H
R
-1
(f k a (f k , θ
经过平均后得到宽带非相干 MVDR 空间谱
P IMVDR
(θ =
K ∑ K k =1
P
k
(θ
利用相干宽带处理方法 , 在不同的扫描角度θ上对 R (f k 进行聚焦变换得到聚焦协方差矩阵为
R (f 0, θ
=K
∑ K
k =1
T H (f k
, θ
R (f k T (f k , θ 其中:T (f k , θ
为聚焦变换矩阵 ; f 0为聚焦参考频率点 . 宽带相干 MVDR 空间谱
P CMVDR (θ
=a (f 0, θ
H
R
-1
(f 0, θ a (f 0, θ
宽带 MVDR 算法可综合利用辐射噪声各频段的能量 , 抑制其他方向的信号 , 具有更高的空间方位分辨力 .
3 MVDR 近场聚焦波束形成
3. 1 MVDR 近场聚焦波束形成算法
远场条件下的方向矢量如式 (3 所示 , 仅为方向角的函数 . 近场条件下 , 采用聚焦波束的思想 , 将方向矢量表示为扫描点到参考阵元的距离和方向角的联合二维函数 , 即
a (r , θ =[1e j2πf τ2(r , θ … e j2πf τM (r , θ
]
其中:τm (r , θ (m =1, 2, … , M 为信源到各个阵元的声传播时延矢量 .
6
5大连海事大学学报
第 34卷
近场条件下的 MVDR 加权矢量
W (r , θ =
-1
a (r , θ H R -1a (r , θ
MVDR 近场聚焦波束形成的空间谱为空间扫描矢量(r , θ 的函数 , 即
P MVDR (r , θ =
a (r , θ H R -1a (r , θ
聚焦波束形成方法的分辨率受到信号频率、基阵尺度以及测量距离的影响 , 信号频率越高 , 基阵尺度越大 , 测量距离越近 , .
用中为获得较高分辨率 , ,
, ,
“混
叠” 现象 , , 无法辨别真实目标 .
MVDR 近场聚焦波束形成在提高分辨率的同时 , 减
小了“混叠” 影响 , 具有更为平滑的背景和更低的旁瓣级 .
3. 2宽带 MVDR 近场聚焦波束形成算法
在式 (4 建立的远场宽带阵列信号的频域模型
基础上 , 修改宽带 MVDR 方向矢量的表达式 , 得到宽带 MVDR 近场阵列信号模型
X
∧
(f k =A
∧
(f k , Θ, R S (f k +N (f k (15
其中 :A
∧
(f k , Θ, R =[a (f k , θ1, r 1 , a (f k , θ2, r 2 ,
… , a (f k , θN , r N ]为 f k 频段上的方向矢量阵; Θ= [θ1, θ2, … , θN ]为 M ×N 维信号波达方向矢量; θi =[θi 1, θi 2, … , θiM ]T (i =1, 2, … , N 为第 i 号信源至各个阵元的方位角; R =[r 1, r 2, … , r N ]为近场M ×N 聚焦距离矢量; r i =[r i 1, r i 2, … , r iM ]T (i =
1, 2, … , N 为第 i 号信源至各个阵元的距离 ; a (f k , θ
i
, r i 为第 i 号目标 f k 频段的空间位置矢量 ; S (f k =[s 1(f k , s 2(f k , … , s N (f k ]T 为 f k 频段的信源矢量 ; N (f k 为 f k 频段的噪声矢量 .
第 k 个子带的互谱密度矩阵为
R (f k =E{X
∧
(f k X
∧
H (f
k
(f k }
=A
∧
(f k , Θ, R R s (f k A
∧
H (f
k
, Θ, R +σ2I
在重建平面上对各个扫描点进行方位和距离的二维扫描 . 设扫描点为(θ
∧
, r
∧
, θ
∧
为接收基阵至扫描
点的方向矢量 ; r
∧
为接收基阵至扫描点的距离矢量 .
第 k 个子带的空间扫描矢量写作a (f k , θ
∧
, r
∧
, 在各
个扫描点上计算所有窄带的 MVDR 空间谱 , 经过平
均后得到扫描平面上的宽带 MVDR 空间谱 . P
∧
k
(θ
∧
, r
∧
=
a (f k , θ
∧
, r
∧
H R
∧
-1(f
k
a (f k , θ∧
, r ∧ P
∧
IMVDR
(θ
∧
, r
∧
=
K
∑ K
k =1
P
∧
k
(θ
∧
, r
∧
4仿真及实验研究4. 1宽带信号对比
:, 阵元间距 4. 2 , 0dB , 背景干 . 预设双声源位置为 (-10,20 和 (10,20 , 扫描区域为横坐标 -20~20m , 纵坐标为 0~40m 的 40m ×40m 平面 . 图 2为采用常规方法与
本文研究的宽带 MVDR 聚焦波束形成方法的效果对比图
.
图 2宽带信号聚焦波束形成效果对比
由图 2可知 , 采用宽带 MVDR 聚焦波束形成与采用常规方法得到的声源位置均与预设位置吻合 . 相比之下 , 宽带 MVDR 聚焦波束形成的聚焦峰更加尖锐 , 背
景更为平滑 , 旁瓣级更低 .
4. 2窄带线谱信号对比研究
仿真条件 :分别处理信号频率为 2kHz 和 500 Hz 的单频线谱信号 . 预设单声源位置均为 (0,50 , 扫描区域为横坐标 -50~50m , 纵坐标 0~100m 的 100m ×100m 平面 ,
其他仿真条件不变 . 图 3为窄带线谱信号采用常规方法与本文研究的 MVDR 聚焦波束形成方法进行处理后的效果对比图 .
为得到较高的空间分辨率 , 应选择较大的基阵尺度和处理频率较高的信号 . 实际应用中采用大基 75第 3期时洁 , 等 :基于 MVDR 聚焦波束形成的辐射噪声源近场定位方法
图 3阵并使用较少的阵元数目 , 阵元间距扩大 , 可处理的最高频率上限下降 , 混叠” 现象 , , 理效果并不理想 . 图 3(a 中 ,2kHz 信号超过了系统频率上限 , 产生了“混叠” 现象 , 难以辨别真实目标 ; 图 3(b 中采用 MVDR 聚焦波束形成方法 , 有效抑制了“ 混叠” 效应 , 提高了空间分辨率 ; 图 3(c 中处理的 500Hz 信号 , 空间分辨率
差 , 且有较大的背景起伏 ; 图 3(d 中采用 MVDR 聚焦波束形成方法 , 有效提高了空间分辨率 , 且具有较低的旁瓣级 . 4. 3实验结果分析
对外场实验数据进行处理 , 对某水下低速运动
目标进行噪声源定位 , 基阵为 11元水平线列阵 , 阵元间距为 4m , 以中间基元为坐标原点 , 信号频带为 2~5kHz , 采样率为 100kHz. 图 4为常规聚焦波束形成效果图 . 图 5为宽带 MVDR
近场聚焦波束形成
图 4
常规聚焦波束形成实验结果
图 5宽带 MVDR 聚焦波束形成实验结果
、 5, , 宽带 MVDR
. (References :
[1]惠娟 , 胡丹 , 惠俊英 , 等 . 聚焦波束形成声图测量原
理研究 [J].声学学报 ,2007, 32(4 :3572361.
HU I J uan , HU Dan , HU I J un 2ying , et al. Research on the measurement of distribution image of radiated noise using focused beamforming [J ].Acta Acoustica , 2007, 32(4 :3572361. (in Chinese
[2]BARSIKOWB , KIN G III W F , MAIER E P. Wheel/rail
noise generated by a high 2speed train investigated with a line array of microphones[J].Journal of S ound and Vibration , 1987,118(1 :992122.
[3]KOO K H , MOEBS G B , DAV IES P , et al. An efficient
procedure for visualizing the sound field radiated by vehicles during standardized passby tests[J].Journal of S ound and Vibration ,2000,233(1 :1372156.
[4]雷凌 , 单颖春 , 刘献栋 . 行驶车辆噪声辐射研究进展
及展望 [J].噪声与振动控制 , 2006(8 :125.
L EI Ling , SHAN Y ing 2chun , L IU Xian 2dong. Review and prospect in research of sound field from moving vehicl [J].Noise and Vibration Control ,2006(8 :125. (in Chinese [5]刘伯胜 , 雷家煜 . 水声学原理 [M ].哈尔滨 :哈尔滨工程
大学出版社 ,1992.
[6]蒋飚 , 朱
, 孙长瑜 , 等 . 一种宽带高分辨 MVDR 有
效算法研究 [J].系统工程与电子技术 , 2005, 27(7 :
118621188. J IAN G Biao , ZHU Y e , SUN Chang 2yu , et al. Research on an efficient wideband high resolution MVDR
algorithm[J].Systems Engineering and Electronics ,2005, 27(7 :118621188. (in Chinese
[7]MANK M , Y AN G I S , CHUN S Y ,et al. Passive range estimation using dual focused beamformers[J].IEEE Jour 2nal of Oceanic Engineering , 2002,27(3 :6382641. [8]薛山花 , 叶青华 , 黄海宁 , 等 . 利用近场 MVDR 双聚焦
波束形成方法实现被动测距 [J].应用声学 , 2005, 24
(3 :1772180. XU E Shan 2hua , YE Qing 2hua , HUAN G Hai 2ning , et al. Passive 2range estimation using near 2field
MVDR dual focused beanforers [J ].Applied Acoustics , 2005,24(3 :1722180. (in Chinese
8
5大连海事大学学报
第 34卷。