利用全方位数据提取舰船辐射噪声本音特征

刘鹏

（第七一五研究所，杭州，310012）

利用全方位数据提取舰船辐射噪声本音特征

刘鹏

（第七一五研究所，杭州，310012）

利用本音和底音空间来源的不同，提出利用全方位数据提取舰船辐射噪声本音特征，分析方法包括多波束LOFAR分析和多波束DEMON分析。

本音特征；旁瓣能量泄漏；多波束LOFAR分析；多波束DEMON分析

声呐听音判型是在声呐目标跟踪波束音频数据的基础上，利用舰船噪声提供的目标信息，综合分析噪声特点，对目标的性质作出判断。听音员听到的舰船噪声，既包括目标舰船固有的噪声（本音），又包括本舰自噪声、其他舰船目标的辐射噪声、海洋环境噪声、声呐设备本身带来的录音噪声等(底音)[1]。听音员在本舰声呐听测时，只有事先对本艇状况了解，对底音的特点熟悉，才能区分出本音特点，对听音目标作出正确判断。目前，水声目标自动识别系统的研究往往也是在目标跟踪波束数据的基础上展开的，在此基础上提取的舰船噪声特征往往既包括目标特征，又包括本舰以及其他目标舰船的特征，而且难以判断哪些是本音特征。通过某型声呐实际海上实录数据的分析发现，这种现象具有普遍性。底音特征无疑会影响对于目标性质的判断，因此，我们提出利用全方位数据提取舰船辐射噪声本音特征，有利于更加准确的把握目标本音特征，对目标性质作出判断。LOFAR和DEMON分析是当前目标特征提取的主要工具，在全方位数据的基础上，我们采用多波束LOFAR分析和多波束DEMON分析提取舰船辐射噪声本音特征。

1 底音来源分析

本文以拖曳线列阵声呐接收的舰船辐射噪声为例分析。拖曳线列阵声呐为远程探测声呐，其特点是孔径大、频率低、作用距离远、探测噪声源多。另外，安装平台（指拖线阵的安装舰船）辐射噪声也在声呐的探测范围之内（一般在端射波束）。

首先，从波束形成理论上看，声呐基阵的指向性函数并非delta函数，而是在目标方向具有一定宽度主瓣，同时在其他方向存在能量泄漏(即波束旁瓣)，因此，多目标情况下，旁瓣能量泄露是底音的来源之一。其次，海洋声信道的多途效应，可能探测到目标的直达波、反射波甚至折射波形成的“假目标”。在多目标情况下，这些都是底音的来源。

1.1 基阵波束形成的旁瓣能量泄漏

基阵的指向性函数体现了基阵具有增强某一方向信号同时抑制其它方向信号的能力，它是声呐系统的最基本特征之一。本文以均匀线阵为例，用指向性函数说明基阵波束形成的旁瓣能量泄漏情况。当基阵采用均匀加权时，定向于θ0方向的均匀线阵的指向性函数为[2]：

图1 定向于θ0=0º线阵指向性图

基阵指向性旁瓣高度反映了0º方向的该信号成分（λ=3d）的能量泄漏情况：波束形成理论处理增益为G=10lgN=16.8 dB，若基阵输入信号的信噪比为0 dB，则理论上0º方向上波束输出信噪比为0 dB+16.8 dB =16.8 dB；25º方向旁瓣下降约−6 dB，其波束输出信噪比约为16.8 dB−6 dB=10.8 dB；60º方向旁瓣下降约−14 dB，其波束输出信噪比约为16.8 dB−14 dB=2.8 dB；120º方向旁瓣下降约−17 dB，其波束输出信噪比为16.8 dB−17 dB=−0.2 dB。

从以上分析我们得出结论：基阵波束形成具有旁瓣能量泄漏，导致目标波束输出存在其他噪声源旁瓣波束的信号成分。

1.2 海洋声信道的多途效应

海洋声信道是典型的多途信道。多途效应的存在，使得声波每一传播途径有不同的传播时间和波达方向，如图2所示。多途效应导致目标波束输出存在其他噪声源多途传播的信号成分。

图2 典型的浅海多途传播

2 多波束LOFAR和DEMON分析

由于基阵波束形成的旁瓣能量泄漏现象和海洋声信道的多途效应，导致信号的角度扩展，目标波束输出可能存在其他方位噪声源辐射噪声的信号成分，这些信号成分就是底音。我们在提取舰船辐射噪声特征时，得到的不仅是该目标本身的信号特征，这些底音特征无疑会影响对于目标性质的判断。为了得到舰船辐射噪声的本音特征，我们必须依赖基阵全方位数据分析。

我们提出基于全方位波束输出数据的舰船辐射噪声信号分析方法，包括多波束LOFAR分析和多波束DEMON分析：多波束LOFAR分析即传统的窄带分析，它是对全方位多波束数据输出作LOFAR分析，得到所有方位波束输出数据的频谱；多波束DEMON分析则是对全方位多波束数据输出作DEMON分析，得到所有方位波束输出数据的DEMON谱。其计算过程如图3、4所示。

图3 多波束LOFAR分析过程

图4 多波束DEMON分析过程

3 提取舰船辐射噪声本音特征

因为基阵波束形成的旁瓣能量泄露和海洋声通道的多途效应，其他噪声源辐射噪声可能形成目标辐射噪声的底音。一般来说，其他噪声源辐射噪声在其被探测波束能量是最大的，这是我们利用全方位数据提取本音特征的依据。以某拖曳线列阵声呐的海上实录数据为例，采取多波束LOFAR分析和多波束DEMON分析的方法，来说明利用提取舰船辐射噪声本音特征。

提取舰船辐射噪声的本音LOFAR线谱特征，我们采用多波束LOFAR分析的方法。第一步，我们将每一个波束进行线谱特征提取，将线谱位置标示为1，其他位置标示为0，得到一个多波束LOFAR线谱信息矩阵，如表1示意。第二步，对于每一个频点，如果在所有波束为0，则该频点不是线谱特征；如果在某一波束为1，则作为该波束目标辐射噪声的本音线谱特征，如频点p是波束i的本音线谱特征；如果在多个波束为1，则作为该频点处能量最大的波束的本音线谱特征，例如频点q是波束i和j中能量较大波束的本音线谱特征。

表1 多波束LOFAR线谱信息矩阵

图5是某声呐的多波束LOFAR图。可以明显看到f12、f13等线谱成份扩展到多波束上。图6 是目标辐射噪声和本船辐射噪声LOFAR图比较：对于110°波束目标辐射噪声谱，其本音LOFAR线谱特征不包括f11、f12、f13、f14等谱线，因为这几根线谱属于6°波束的本船辐射噪声LOFAR谱特征，他们在6º波束中的能量最大。

图5 某海上试验数据多波束LOFAR分析

图6 6º方位波束与110°方位波束LOFAR比较

提取舰船辐射噪声的本音DEMON线谱特征，我们采用多波束DEMON分析的方法，提取方法与多波束LOFAR本音线谱特征类似。图7是某声呐的多波束DEMON图，f1、f2、f3……一族线谱成份扩展到多波束上。图8是目标辐射噪声和其他噪声源辐射噪声的DEMON谱图比较：对于45°波束目标辐射噪声，其本音DEMON线谱特征不包括该族线谱，因为该族线谱属于65°波束噪声源辐射噪声DEMON线谱特征，他们在该波束中的能量最大。

图7 某海上试验数据多波束DEMON分析

图8 65º方位波束与45º方位波束DEMON比较

4 结论

由于基阵波束形成的旁瓣能量泄漏和多途效应，导致信号空间扩展。为了祛除干扰特征、提取舰船辐射噪声的本音特征，我们必须利用基阵全方位数据分析。使用多波束LOFAR分析和多波束DEMON分析的方法，我们可以得到目标本音的LOAFR线谱和DEMON线谱。利用全方位数据提取舰船辐射噪声本音特征是对目标性质作出正确判断的必要条件。

[1 ]刘载芳, 王大训, 张友奎. 声呐听音判型[M]. 北京: 海军出版社, 1999: 93-94.

[2] 田坦, 刘国枝, 孙大军. 声呐技术[M]. 哈尔滨: 哈尔滨工程大学出版社, 2000:73-74.