基于DASP系统的水下航行器内噪声监测技术研究＊

曲 丰 吴 磊 张 仪

（中国人民解放军91388部队92分队 湛江 524022）

1 引言

随着现代海战模式的发展，水下航行器不仅要对付敌方的反潜水面舰船的攻击，而且需要同时应对来自水下、空中和陆上的威胁。全面提高水下航行器攻防能力的一个关键技术，就是强化其综合隐身性能。在目前的技术条件下，水下航行器隐身技术的重要手段是消声和降噪。噪声干扰不仅会影响到水下航行器的隐身性能，暴露我方目标，其振动也可能会影响舱内各种仪器仪表、设备的正常工作。因此，舱内噪声问题日益引起了水下航行器设计工作者的关注［1］，噪声频率范围和强度已经成为必不可少的战技指标。各国在努力降低水下航行器噪声的同时，相继开发了噪声实时监测系统，通过有效的测量和声场特性的监测，及时、准确掌握水下航行器的舱内噪声，不仅可以为水下航行器在战时调整航行状态、采取有效的规避措施提供依据，同时也可为本艇调整并且实施有效的对敌攻击方案提供决策支持［2］。

2 DASP噪声实时监测系统

基于噪声实时监测技术的DASP（Data Acquisition and Signal Processing）系统是一套小型化的监测系统，可实现环境噪声测量以及测量数据的分析和处理。该系统注重实用、内容丰富、功能先进，在爆破测试和地震信号测量等领域均有广阔的应用前景［3］。

2.1 系统组成

测量系统［4］主要由24位信号采集分析仪、ICP声压传感器、空气压力传感器、声压校准器、声级计、数据记录器、数据分析处理机、高频低噪声电缆线以及仪器专用箱等组成，如图1所示。软件环境主要由DASP－V10工程版平台软件、声学测试软件、三测量技术和虚拟扩展通道采样软件、传递函数分析功能软件、信号发生软件、波形编辑处理软件、工程测试检定系统软件等组成。

图1 监测系统原理框图

2.2 系统工作流程［5］

系统工作流程如图2［6］所示。

系统上电后，运行DASP系统软件开始工作。设置相关参数，初始化系统内核，若不需要采集数据，系统进入待机状态。开始工作时点击软件界面上的采集按钮进入信号采集部分，传感器将采集的信号通过电缆传输至信号调理电路进行滤波、整流、放大处理，模数转换电路将预处理后的模拟信号转换为数字信号进行数据缓存，当缓存到一定容量后将数据传送到硬介质中进行物理存储，便于事后数据的进一步分析。若需要实时数据分析，则打开实时处理软件，进行信号波形的实时显示以及频谱分析。事后数据分析处理时，DASP系统可调用存储数据从时域和频域等方面进行周期、相关性、功率谱的分析。

图2 系统工作流程图

3 主要数据分析处理方法

3.1 时变参量分析［7］

时变参量分析用于分析信号的某个参量随时间变化的特性，例如对于变化的声音信号，可以通过时变参量分析得到各个时刻的声压级，获取声压级随时间变化的曲线。时变参量分析从名义上看是分析信号在各个时刻的参量量值，但本质上是分析各个时刻开始的一个时间段内的参量量值。因此，在DASP的时变参量分析模块中需要设置分析点数，对应分析的时间段，此外还要设置分析偏移，对应两次分析（即两个时间段开始点）的数据间隔。例如被分析数据长度为A个点，设置分析类型为有效值，分析点数为B个点，分析偏移为C点，则DASP将首先从第一点开始取B个点数据计算其有效值得到分析结果的第一个数据点，然后从第C点开始再取B个点计算有效值得到结果的第二点，再后则从第2×C点开始取B个点计算，依次进行，最后可以得到（A－B）／C个点的有效值－时间曲线结果。

3.2 相关分析原理

所谓“相关”是指变量之间的线性关系。对于确定性信号，两个变量之间可以用函数关系来描述，对于两个随机信号之间就不具有这样的确定性关系，但是通过大量统计就可以发现它们之间还是存在具有某种内涵的物理关系。通常相关分析用于研究两个信号之间的相关性，如测定管道损伤位置、判定设备振动和噪声与其部件振动的关系等。相关分析分为自相关分析和互相关分析两种。

1）自相关分析：自相关函数是描述信号x（t）一个时刻的取值与另一个时刻的取值之间的依赖关系，其计算公式为

其中：Rx（τ）为相关函数，x（t）为要分析的信号序列，τ为时间延迟。通常使用相关系数来描述相关性，更具有对比性和方便性。DASP系统提供的就是相关系数函数，定义如下：

其中：μx为均值为方差。

2）互相关分析：互相关函数是对两个信号x（t）和y（t）进行分析的，描述x（t）一个时刻的取值与y（t）另一个时刻的取值之间的依赖关系，其计算公式为

同样，互相关系数的定义如下：

4 实测数据分析

在某海域，水下航行器水下匀速直航，利用DASP系统进行了水下航行器舱室内噪声实时监测测量。测量条件：海况三级以下，外部环境噪声对舱室内干扰可以忽略。截取实时监测中的一段数据进行分析。通过时变参量分析方法可以分析出这段数据中噪声的最大值，如图3所示［8］。

图3 实测数据时变参量分析图

对这段噪声数据进行自相关分析，可以看出自相关系数大于0.5，则表明该信号中含有周期成份，具体情况如图4所示［8］。

图4 实测数据自相关分析图

通过互相关分析研究系统的时间滞后性质，对系统两个采集通道的输出信号进行自相关计算，利用互相延时和能量信息可以对传输通道进行分析识别，如图5所示［8］，互相关系数为0.35，表明噪声中含有确定性信号，可能来自舱室中某一确定设备的振动噪声。进一步分析时，可对水下航行器航速、航深进行调整，结合发射武器时的工况［9］，用DASP系统进行噪声实时监测。并在测量的过程中，改变传感器的位置，将采集的多组数据进行分析对比，就可以初步确定较高能量的噪声具体源于该设备的某部件，为设备下步的结构改进提供一定的参考依据［11］。

图5 实测数据互相关分析图

5 结语

本文在介绍基于噪声实时监测技术的DASP系统组成原理和工作流程基础上，利用海上实测数据，运用数据处理方法进行了验证。结果表明，该系统能对水下航行器内噪声信号实时监测和显示，并对随机信号中的确定性成份进行准确、可靠的识别。其深入研究将为国内更精密水下航行器噪声监测系统的开发提供一定的参考，同时可为水下航行器的降噪提供数据支持，具有明显的军事价值。

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