运动目标噪声源识别方法󰀁

严光洪,陈志菲,孙进才

(西北工业大学航海学院,陕西西安　710072)

摘　要:文章提出了利用单线列阵确定运动目标噪声源部位和特性的方法,并提出了基于DOA解

算运动目标噪声源的空间位置的方法。介绍了噪声源部位识别时MUSIC近场和相关性处理方法。

数字仿真计算、消声水池模拟试验和实物试验结果表明,文中所介绍的方法是正确的。当运动目标

和测试阵垂直距离小于150m时,噪声源部位测试误差不大于0.1m,可用于工程测试。

关　键　词:噪声源,部位识别,线列阵,MUSIC

中图分类号:TN911.7 文献标识码:A 文章编号:1000-2758(2009)03-0378-04

水下航行体、汽车、飞机等运动物体辐射噪声,

很多场合下要求降噪,为了有效实现噪声控制,必须

确定噪声源位置和特性。对于静态目标的噪声源部

位和特性的确定,可利用单个声压传感器、声矢量、

多传感器形成的阵列对噪声源进行定向定位和特性

分析[1～4]。而对于运动目标的噪声特性的确定,目前

一般只利用声压传感器或矢量传感器测试到噪声的

时域和频域特性[5,6],对运动目标的噪声源部位,目

前还没有很有效的确定方法。在运动目标均速直线

运动、测试平台静止条件下,本文提出了利用单线列

阵基于MUSIC算法解算DOA(Directionof

Arrival)的噪声源部位确定方法。另外,本文也介绍

了噪声源部位识别时MUSIC近场和相关性处理方

法。利用仿真确定了基于单一线列阵的噪声源部位

识别的误差。消声水池试验和水库试验结果表明本

文所介绍方法的正确性,当运动目标和测试阵垂直

距离小于150m时,噪声源部位测试误差不大于

0.1m,可用于工程测试。

1　噪声源部位确定的方法

当测试阵与运动目标在同一平面时,测试阵可

设计成线列阵,噪声源部位求解为2D坐标系的求

解,如图1

所示。图1　不同时刻运动目标在坐标中的位置

当运动目标作均速直线运动时,若t1、t2、t3时刻

(设󰀁t=t3-t2=t2-t1)声源与x轴的夹角󰀂1、󰀂2、

󰀂3可求得,则根据图中的几何关系可求出t2时刻声源的位置。由图中几何关系,则有

asin R1-acos =tg(󰀂3-󰀂2)

2asin R1-2acos =tg(󰀂3-󰀂1)(1)

式中,a=v󰀁t,为󰀁t时刻运动物体的移动距离。由

(1)式可求出 和R1 =ctg-1[ctg(󰀂3-󰀂2)-2ctg(󰀂3-󰀂1)]

R1=acos +asin 󰀁ctg(󰀂3-󰀂2)

(2)2009年6月第27卷第3期西北工业大学学报JournalofNorthwesternPolytechnicalUniversityJune2009Vol.27No.3

󰀁收稿日期:2008-03-04基金项目:国家自然科学基金(60672136)资助作者简介:严光洪(1966-),西北工业大学博士生,主要从事信号处理、噪声控制和固体力学研究。因为Rsin(󰀂3-󰀂2)=asin ,则可求得R

R=asin sin(󰀂3-󰀂2)(3)

当R已知时,t2时刻声源的坐标(x0,y0)为

x0=xc1-Rcos󰀂2y0=Rsin󰀂2(4)

同时,可求得运动物体和阵的夹角!为

!=1800-󰀂3- (5)

由以上分析可知,若在3个时刻的噪声源辐射

方位角度已知,则可确定声源相对阵的位置。方位角

估计可采用高分辨DOA估计算法[7～9]。计算噪声源

不同频率f1和f2单频点或窄带下的某一时刻的方

位和位置。当f1和f2噪声源的相对位置可求解时,

并已知其中一个频率噪声源在运动目标上的固定位

置(可采用在运动物体上某固定位置安装声换能器

发射和一般辐射噪声频率不一样的某特定频率的声

信号)时,则运动目标的另一频率的噪声源发出的位

置可求得。2　DOA求解方法

本文采用MUSIC算法[10]。线列阵的MUSIC算

法的远场DOA精确求解方法如下:

在∀≥#≥0范围内,分别求解PMUSIC(#),

PMUSIC(#)最大值对应的角度即为信号到达方位角,

PMUSIC(#)值计算公式为

PMUSIC(#)=1

∑N

i=D+1‖a(#)Hei‖(6)

式中,‖󰀁‖为范数值,ei为测试信号的协方差矩阵

的特征矢量,∑N

i=D+1为所有噪声特征矢量构成的和。

a(#)H为

a(#)H=[e-jkx1cos#,…,e-jkxNcos#](7)

式里,k为波数,x1,…,xN为线列阵阵元的坐标位

置。

当运动目标和阵的距离不满足远场条件时,

DOA求解时需进行MUSIC近场修正,MUSIC近

场修正时近场协方差矩阵R近修正成R修[11]

R修(

r,r+h)=R近c-h2,c+h2如果c-h2为整数

R近c-h-12,c+h+12+R近c-h+12,c+h-122其它(8)

式中,c为阵列中心,c=(N+1)/2,N为线列阵的

阵元总数。

当信号相关时,协方差矩阵R的秩会退化,构造

一个Toeplitz矩阵进行去相关处理[12]

RT

=r-xx[1]r-*xx[2]…r-*xx[N]

r-xx[2]r-xx[1]…r-*xx[N-1]

…………

r-xx[N]r-xx[N-1]…r-*xx[1]

(9)

式中,Toeplitz矩阵中的元数为

r-[i]=1N-i+1∑N

n=1rxx[n,n-i+1]

i=1,2,…,N (10)

3　仿真计算分析

由以上分析可知,噪声源部位求解的准确度和DOA求解的精度有关,而DOA求解的精度和阵元数目有关,数目越大精度越高,理论上,可实现任何

精度的噪声源部位识别的线列阵。工程实现时,若噪

声源部位识别误差在±0.1m内就基本可行。以下

以16元线列阵为例,利用仿真计算分析噪声源部位

识别的误差,用于确定工程可行性。仿真计算分析的

模型如下:

(1)线列阵为均匀线列阵,阵元之间的间距d

≤∃/2,∃为分析最高频率信号所对应的波长,阵元

数为16个。

(2)设第i个阵元采集到的信号xi(t)为

xi(t)=s(t-%i)+ni(t)(11)

式中,s(t-%i)为第i个阵元接受到的声信号,s(t)

=󰀂A󰀂cos(&t-kri+∋0)/ri,&=2∀f,k为波数,∋0为声信号的相位,ri为声源和第i个阵元之间距离。

式中ni(t)为空间噪声,假设为高斯白噪声,即均值

为0方差为1的均匀分布的随机信号。信噪比SNR

=6dB。

(3)设运动物体航行方向和阵连线方向的夹角・379・第3期严光洪等:运动目标噪声源识别方法!不大于30°。

(4)t1、t2、t33个时刻的取值和运行速度有关,要

求a=v󰀁t和R取值基本相当,计算结果取3个时刻

的平均值。

图2为仿真计算结果,横坐标为运动目标和阵

之间的垂直距离,纵坐标误差定义为两声源间距的

仿真计算值(5次随机数下的计算结果均值)和预设

值之间的差值。当垂直间距小于150m时,误差小于

0.1m,满足工程要求。

图2　仿真结果图

4　水池和外场试验

水池试验为静态模拟试验,试验系统组成见图

3、图4,共有3组换能器,每组换能器可分别发出f1、

f2频率的水声信号。3组中发出f1、f2的换能器等间

距布置,模拟运动物体3个时刻的间距,每组发出

f1、f2声信号的换能器模拟运动物体2个噪声源。第

2组换能器约在O点(水听器8/9中间)正上方。接收阵和仿真计算时所用的阵相同。

图3　静态试验示意图

水池长20m,宽8m,深7m,水池周围布有消声尖

劈。分别进行了声源到水听器阵的垂直距离R=4.2

m、5.0m、6.3m、7.3m、8.1m的声源定位试验。试

验结果见表1,试验结果和仿真结果基本吻合。

表1　水池试验结果

垂直距离/m4.25.06.37.38.1

偏差/m0.0040.029-0.0180.0080.010

外场试验在水库中央抛锚的方驳船上进行。方

驳船处水深30m,离最近岸约30m。测试阵入水15

m。测试系统与水池试验所用的系统相同。由于声反图4　试验使用的线列阵和发射换能器

射,水库试验时的水声场为弱混响场。试验结果见表

2,试验结果和仿真结果基本吻合。

表2　外场试验结果

垂直距离/m8.020.0

偏差/m0.038-0.023

5　结　论

当航行速度已知的运动目标作均匀直线航行

时,利用线列阵可确定运动目标的声源位置。仿真计

算结果表明利用单一16元阵可测试距离小于150m

的运动目标噪声源,识别距离误差在±0.1m范围

内。消声水池模拟试验和实物试验结果表明进一步

验证了本文所介绍方法的正确性和可达到的精度,

本文提出的方法可应用于工程实际,具有重要的工

程应用价值。・380・西北工业大学学报第27卷参考文献:

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AMethodforLocalizingNoiseSourceofConstant-SpeedTarget

YanGuanghong,ChenZhifei,SunJincai

(CollegeofMarineEngineering,NorthwesternPolytechnicalUniversity,Xi′an710072,China)

Abstract:Undertheconditionsthatthemovingobjectmoveslinearlywithconstantspeedandthatthe

measurementplatformisstationary,wepresentinsection1ofthefullpaperthemethodfornoisesource

localizationusingDOA(directionofarrival)estimationalgorithmforalineararray;section1deriveseqs.

(1)through(5)andexplainshowtomakeuseofthem.Section2,explainingtheuseofDOAestimation

algorithm,utilizesthenear-fieldMUSICcorrectionalgorithmandthesignalde-correlationmethod.The

resultsofsimulationcalculationoftheerrorsofnoisesourcelocalizationwitha16-elementlineararray,

presentedinFig.2ofthefullpaper,showpreliminarilythat,iftheverticaldistancebetweenamoving

objectandthemeasurementarrayislessthan150m,thenthemeasurementerrorofnoisesource

localizationislessthan0.1m.Thetestresultsinanechoicchamber,giveninTable1,andlaketest

results,giveninTable2,showthatourmethodisaccurateandpractical.Keywords:arrays,signalprocessing,noisesource,localization,lineararray・381・第3期严光洪等:运动目标噪声源识别方法