基于組合體積陣的水下目標(biāo)輻射噪聲測量方法的創(chuàng)新與實(shí)踐

基于組合體積陣的水下目標(biāo)輻射噪聲測量方法的創(chuàng)新與實(shí)踐一、引言1.1研究背景與意義在海洋開發(fā)與國防安全領(lǐng)域，水下目標(biāo)輻射噪聲測量是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，對保障海洋生態(tài)、維護(hù)國家安全等方面具有重要意義。隨著人類對海洋資源的開發(fā)利用不斷深入，水下航行器、船舶等各類水下目標(biāo)的活動(dòng)日益頻繁，其產(chǎn)生的輻射噪聲不僅會(huì)對海洋生態(tài)系統(tǒng)造成干擾，影響海洋生物的生存與繁衍，還在軍事領(lǐng)域中成為水下目標(biāo)被探測與識(shí)別的重要特征信號(hào)，直接關(guān)系到水下作戰(zhàn)的隱蔽性與安全性。傳統(tǒng)的水下目標(biāo)輻射噪聲測量方法，如使用單個(gè)聲壓水聽器進(jìn)行測量，雖然配置簡單，但存在明顯的局限性。由于單個(gè)水聽器無法提供足夠的測量增益，在面對復(fù)雜的水聲環(huán)境時(shí)，難以有效抑制信道多途干擾，導(dǎo)致測量精度較低，無法滿足對低輻射噪聲目標(biāo)的精確測量需求。隨著技術(shù)的發(fā)展，多個(gè)聲壓水聽器組成的水平線陣、垂直線陣以及體積陣測量方法逐漸被應(yīng)用。垂直線陣能夠?qū)崿F(xiàn)寬帶噪聲測量，在一定程度上有效減小海面噪聲和信道多途干涉的影響，然而，其無法形成單邊指向性，缺乏水平空間的處理增益，致使垂直陣列的測量增益受限。尤其在進(jìn)行低頻測試時(shí)，所需的垂直陣列孔徑較大，這不僅帶來了布放困難的問題，而且陣型不易控制，進(jìn)一步影響了測量的準(zhǔn)確性和可靠性。為了提高陣列測量增益，體積陣測量方法應(yīng)運(yùn)而生。體積陣具有單邊指向性，能夠獲得較大的陣列測量增益，在中高頻段的輻射噪聲測量中表現(xiàn)出一定的優(yōu)勢。但在低頻段噪聲測量時(shí)，體積陣同樣需要較大的陣列孔徑，而我國近海多為淺海，水深一般不足百米，過大的聲壓水聽器陣在實(shí)際的外場試驗(yàn)測量及工程實(shí)現(xiàn)中面臨諸多困難，限制了其在低頻段的應(yīng)用。為了克服傳統(tǒng)測量方法的不足，滿足對水下目標(biāo)全頻段輻射噪聲高精度測量的需求，組合體積陣測量方法逐漸成為研究熱點(diǎn)。組合體積陣通過將不同類型的陣列進(jìn)行有機(jī)組合，充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)對水下目標(biāo)輻射噪聲的全頻段覆蓋和高精度測量。例如，將矢量水聽器陣列與聲壓水聽器陣列相結(jié)合，矢量水聽器陣列一方面可以形成單邊指向性從而獲得水平空間處理增益，另一方面通過聲壓振速聯(lián)合處理可獲得額外的相干信號(hào)處理增益，能夠在減小陣列孔徑的同時(shí)保證較大的陣增益，有效地解決了低頻段輻射噪聲測量問題；而聲壓水聽器陣列則在中高頻段具有較好的測量性能。這種組合方式能夠?qū)崿F(xiàn)對水下目標(biāo)全頻帶的輻射噪聲測量，大大提高了測量的精度和可靠性。組合體積陣測量方法在提升測量精度、拓展測量頻段等方面具有關(guān)鍵意義。它能夠有效提高對水下目標(biāo)輻射噪聲的測量精度，為水下目標(biāo)的探測、識(shí)別與定位提供更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。通過拓展測量頻段，實(shí)現(xiàn)對全頻段輻射噪聲的測量，有助于全面了解水下目標(biāo)的聲學(xué)特性，為水下目標(biāo)的研究和應(yīng)用提供更豐富的信息。在軍事領(lǐng)域，高精度的水下目標(biāo)輻射噪聲測量能夠提升反潛作戰(zhàn)能力，增強(qiáng)水下作戰(zhàn)平臺(tái)的隱蔽性和生存能力；在海洋科研領(lǐng)域，有助于深入研究海洋生態(tài)系統(tǒng)，了解水下噪聲對海洋生物的影響，為海洋環(huán)境保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)；在海洋工程領(lǐng)域，能夠?yàn)樗潞叫衅?、船舶等的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供聲學(xué)性能方面的參考，降低其輻射噪聲，減少對海洋環(huán)境的影響。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在水下目標(biāo)輻射噪聲測量技術(shù)的發(fā)展歷程中，國內(nèi)外眾多科研團(tuán)隊(duì)與學(xué)者投入了大量研究精力，推動(dòng)該領(lǐng)域不斷向前發(fā)展。早期，國外在水下聲學(xué)測量技術(shù)方面就取得了顯著進(jìn)展。美國在水聲領(lǐng)域一直處于世界領(lǐng)先地位，上世紀(jì)80年代末，美國率先在“Hayes號(hào)”上采用垂直線陣進(jìn)行水下噪聲測量，此后，升級(jí)后的東南阿拉斯加試驗(yàn)場測試聲陣系統(tǒng)采用了由等間距線陣?yán)p繞而成的雙錐體積陣，這一創(chuàng)新應(yīng)用有效提升了測量增益和空間分辨率，為水下目標(biāo)輻射噪聲測量提供了新的思路與方法。俄羅斯在聲壓-振速組合傳感器測量潛艇輻射噪聲技術(shù)方面也開展了深入研究，通過采用聲壓-振速聯(lián)合信號(hào)處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對低信噪比水下航行目標(biāo)的噪聲指標(biāo)評(píng)估，為水下目標(biāo)輻射噪聲測量技術(shù)在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用做出了重要貢獻(xiàn)。隨著科技的不斷進(jìn)步，水下目標(biāo)輻射噪聲測量技術(shù)也在持續(xù)革新。近年來，國外在組合體積陣應(yīng)用方面取得了新的突破。例如，一些研究團(tuán)隊(duì)將矢量水聽器陣列與聲壓水聽器陣列相結(jié)合，利用矢量水聽器陣列能夠形成單邊指向性獲得水平空間處理增益，以及通過聲壓振速聯(lián)合處理獲得額外相干信號(hào)處理增益的特性，有效解決了低頻段輻射噪聲測量時(shí)所需陣列孔徑過大的問題，實(shí)現(xiàn)了對水下目標(biāo)全頻段輻射噪聲的更精確測量。在算法研究方面，國外學(xué)者提出了多種先進(jìn)的信號(hào)處理算法，如基于深度學(xué)習(xí)的水下目標(biāo)輻射噪聲特征提取與識(shí)別算法，通過構(gòu)建深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，對大量的水下目標(biāo)輻射噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行學(xué)習(xí)與訓(xùn)練，能夠自動(dòng)提取噪聲信號(hào)中的關(guān)鍵特征，提高了目標(biāo)識(shí)別的準(zhǔn)確率和可靠性。國內(nèi)在水下目標(biāo)輻射噪聲測量技術(shù)領(lǐng)域也取得了豐碩成果。許多高校和科研機(jī)構(gòu)積極開展相關(guān)研究，哈爾濱工程大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)等在水下聲學(xué)測量技術(shù)方面積累了深厚的研究基礎(chǔ)。在組合體積陣設(shè)計(jì)與應(yīng)用方面，國內(nèi)學(xué)者提出了多種創(chuàng)新的陣型結(jié)構(gòu)。如基于均勻布陣方式的螺旋雙圓錐聲壓體積陣和矢量稀疏垂直陣相結(jié)合的組合體積陣方案，通過將螺旋雙圓錐聲壓體積陣在中高頻段的測量優(yōu)勢與矢量稀疏垂直陣在低頻段的測量優(yōu)勢相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對水下目標(biāo)全頻帶的高精度輻射噪聲測量。在測量方法上，國內(nèi)研究人員也進(jìn)行了大量探索，提出了基于傅里葉積分法的水下目標(biāo)輻射噪聲測量方法，該方法利用陣元之間的互譜組合出更多不同相位的輸出，將其等效為具有不同坐標(biāo)的虛擬陣元組成大孔徑虛擬陣列，拓展了垂直陣的孔徑，提高了信噪比，從而獲得更精準(zhǔn)的測量結(jié)果。盡管國內(nèi)外在水下目標(biāo)輻射噪聲測量技術(shù)，尤其是組合體積陣應(yīng)用方面取得了諸多成果，但現(xiàn)有研究仍存在一些不足之處。一方面，在復(fù)雜海洋環(huán)境下，如強(qiáng)海流、多變的海洋溫度和鹽度等因素的影響下，組合體積陣的測量精度和穩(wěn)定性仍有待進(jìn)一步提高。海洋環(huán)境的復(fù)雜性會(huì)導(dǎo)致聲波傳播特性發(fā)生變化，使得噪聲信號(hào)的干擾增加，從而影響測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。另一方面，目前的組合體積陣在實(shí)際應(yīng)用中，還面臨著成本較高、布陣和維護(hù)難度較大等問題。復(fù)雜的陣型結(jié)構(gòu)和大量的傳感器需求，不僅增加了設(shè)備的購置成本，也對布陣的技術(shù)要求和維護(hù)的工作量提出了挑戰(zhàn)，限制了其在一些實(shí)際場景中的廣泛應(yīng)用。1.3研究目標(biāo)與內(nèi)容本研究旨在深入探究基于組合體積陣的水下目標(biāo)輻射噪聲測量方法，完善該測量方法，提高測量精度與穩(wěn)定性，以實(shí)現(xiàn)對水下目標(biāo)輻射噪聲的全頻段、高精度測量。具體研究內(nèi)容如下：組合體積陣原理剖析：深入研究組合體積陣的工作原理，分析矢量水聽器陣列與聲壓水聽器陣列的特性，包括其空間指向性、增益特性以及對不同頻段噪聲信號(hào)的響應(yīng)特性等。探究兩者有機(jī)結(jié)合的方式，如何通過合理的布陣和信號(hào)處理，充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)對水下目標(biāo)全頻段輻射噪聲的有效測量。例如，研究矢量水聽器陣列在低頻段如何通過聲壓振速聯(lián)合處理獲得額外的相干信號(hào)處理增益，以及聲壓水聽器陣列在中高頻段如何利用其陣型結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)高精度測量。測量方法優(yōu)化：對基于組合體積陣的水下目標(biāo)輻射噪聲測量方法進(jìn)行優(yōu)化。在信號(hào)處理算法方面，研究如何進(jìn)一步提高對復(fù)雜海洋環(huán)境下噪聲信號(hào)的處理能力，抑制干擾信號(hào)，提高測量信噪比。例如，探索基于深度學(xué)習(xí)的信號(hào)處理算法，通過對大量水下噪聲數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)與訓(xùn)練，自動(dòng)提取噪聲信號(hào)中的關(guān)鍵特征，實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)輻射噪聲的準(zhǔn)確識(shí)別與測量。在測量系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)與布陣優(yōu)化方面，考慮如何降低系統(tǒng)成本、減小布陣和維護(hù)難度，提高測量系統(tǒng)的實(shí)用性和可靠性。例如，研究采用新型材料和制造工藝，降低傳感器的成本和體積，同時(shí)保證其性能的穩(wěn)定性；通過優(yōu)化布陣方式，減少傳感器的數(shù)量，提高陣列的測量效率和精度。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：搭建基于組合體積陣的水下目標(biāo)輻射噪聲測量實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，開展模擬實(shí)驗(yàn)和實(shí)際海試。在模擬實(shí)驗(yàn)中，通過設(shè)置不同的噪聲源和環(huán)境參數(shù)，對測量方法進(jìn)行驗(yàn)證和優(yōu)化，評(píng)估其在不同條件下的測量性能。在實(shí)際海試中，選擇具有代表性的海域，對實(shí)際水下目標(biāo)的輻射噪聲進(jìn)行測量，將測量結(jié)果與傳統(tǒng)測量方法進(jìn)行對比分析，驗(yàn)證本研究提出的測量方法的優(yōu)越性和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。通過實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步完善測量方法，為其實(shí)際應(yīng)用提供可靠的依據(jù)。1.4研究方法與技術(shù)路線本研究綜合運(yùn)用理論分析、仿真模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證三種方法，全面深入地探究基于組合體積陣的水下目標(biāo)輻射噪聲測量方法。在理論分析方面，深入研究組合體積陣的工作原理，對矢量水聽器陣列與聲壓水聽器陣列的特性進(jìn)行詳細(xì)剖析。從聲學(xué)理論出發(fā)，推導(dǎo)矢量水聽器陣列在形成單邊指向性以及通過聲壓振速聯(lián)合處理獲得額外相干信號(hào)處理增益的過程，分析其在低頻段的優(yōu)勢；同時(shí)，研究聲壓水聽器陣列在中高頻段的測量特性，包括其陣型結(jié)構(gòu)對測量精度的影響、不同布陣方式下的波束形成原理等。通過建立數(shù)學(xué)模型，分析兩者有機(jī)結(jié)合的方式，探索如何通過合理的布陣和信號(hào)處理，實(shí)現(xiàn)對水下目標(biāo)全頻段輻射噪聲的有效測量。例如，利用空間指向性理論，分析矢量水聽器陣列和聲壓水聽器陣列在不同方向上的響應(yīng)特性，研究如何通過優(yōu)化布陣，使兩者在空間上相互補(bǔ)充，提高對目標(biāo)輻射噪聲的接收能力。在仿真模擬方面，運(yùn)用專業(yè)的聲學(xué)仿真軟件，如COMSOLMultiphysics等，搭建基于組合體積陣的水下目標(biāo)輻射噪聲測量仿真模型。在模型中，精確設(shè)置矢量水聽器陣列和聲壓水聽器陣列的參數(shù)，包括陣元數(shù)量、陣元間距、陣型結(jié)構(gòu)等，模擬不同的水下目標(biāo)輻射噪聲源，設(shè)置其頻率、強(qiáng)度、方向等參數(shù)，同時(shí)考慮復(fù)雜海洋環(huán)境因素，如海水的聲速分布、海面的反射和散射、海底的地形和地質(zhì)等對噪聲傳播的影響。通過仿真，分析不同參數(shù)設(shè)置下組合體積陣的測量性能，包括測量增益、空間分辨率、波束寬度等，評(píng)估測量方法的準(zhǔn)確性和可靠性。例如，通過改變矢量水聽器陣列的陣元間距，觀察其對低頻段測量增益的影響；調(diào)整聲壓水聽器陣列的陣型結(jié)構(gòu)，分析其在中高頻段的波束形成效果。通過仿真模擬，為實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和參數(shù)優(yōu)化提供理論依據(jù)，減少實(shí)驗(yàn)次數(shù)，提高研究效率。在實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方面，搭建基于組合體積陣的水下目標(biāo)輻射噪聲測量實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)包括組合體積陣、信號(hào)采集與處理系統(tǒng)、噪聲源模擬裝置等。在模擬實(shí)驗(yàn)中，在實(shí)驗(yàn)水池或消聲室內(nèi)設(shè)置不同的噪聲源，模擬各種水下目標(biāo)的輻射噪聲，通過組合體積陣進(jìn)行測量，對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析、波束形成等處理，驗(yàn)證測量方法在不同條件下的有效性和準(zhǔn)確性。在實(shí)際海試中，選擇具有代表性的海域，如淺海、深海等不同環(huán)境條件的海域，對實(shí)際水下目標(biāo)，如船舶、水下航行器等的輻射噪聲進(jìn)行測量。將測量結(jié)果與傳統(tǒng)測量方法進(jìn)行對比分析，評(píng)估本研究提出的測量方法的優(yōu)越性和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，進(jìn)一步完善測量方法，解決實(shí)際應(yīng)用中可能出現(xiàn)的問題。本研究的技術(shù)路線清晰明確，分為以下幾個(gè)階段：理論研究階段：完成對組合體積陣原理的深入研究，建立相關(guān)的數(shù)學(xué)模型，分析矢量水聽器陣列和聲壓水聽器陣列的特性及結(jié)合方式，為后續(xù)的仿真模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證提供理論基礎(chǔ)。仿真模擬階段：依據(jù)理論研究成果，利用聲學(xué)仿真軟件搭建仿真模型，進(jìn)行大量的仿真實(shí)驗(yàn)，分析不同參數(shù)設(shè)置下組合體積陣的測量性能，優(yōu)化測量方法和參數(shù)，確定實(shí)驗(yàn)方案。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證階段：搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)和實(shí)際海試。在模擬實(shí)驗(yàn)中，對測量方法進(jìn)行初步驗(yàn)證和優(yōu)化；在實(shí)際海試中，進(jìn)一步驗(yàn)證測量方法的實(shí)際應(yīng)用效果，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真模擬結(jié)果進(jìn)行對比分析，完善測量方法?？偨Y(jié)與應(yīng)用階段：對研究成果進(jìn)行總結(jié)歸納，撰寫研究報(bào)告和學(xué)術(shù)論文，將研究成果應(yīng)用于實(shí)際工程中，推動(dòng)基于組合體積陣的水下目標(biāo)輻射噪聲測量技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。通過以上研究方法和技術(shù)路線，本研究旨在實(shí)現(xiàn)對基于組合體積陣的水下目標(biāo)輻射噪聲測量方法的深入研究和完善，提高測量精度和穩(wěn)定性，為水下目標(biāo)探測、識(shí)別與定位等提供更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。二、組合體積陣原理與結(jié)構(gòu)2.1組合體積陣的構(gòu)成要素組合體積陣主要由螺旋雙圓錐聲壓體積陣和矢量稀疏垂直陣構(gòu)成，二者相輔相成，共同實(shí)現(xiàn)對水下目標(biāo)輻射噪聲的全頻段高精度測量。螺旋雙圓錐聲壓體積陣的布陣方式獨(dú)特且精巧。具體而言，首先將m條相同的均勻垂直線陣的底端均勻排列在一個(gè)半徑為r的圓周上，由此構(gòu)建出一個(gè)半徑為r、高度為l的圓柱陣。這一圓柱陣的構(gòu)建是螺旋雙圓錐聲壓體積陣的基礎(chǔ)，其均勻排列的方式保證了后續(xù)旋轉(zhuǎn)操作的規(guī)律性和對稱性。隨后，將各條垂直線陣的底端固定，頂端繞圓柱的軸線沿圓的周向方向逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)相同的角度α，進(jìn)而得到定義的螺旋雙圓錐陣。在這一過程中，均勻垂直線陣的陣元數(shù)為n，陣元間距為d1，長度為l，這些參數(shù)的設(shè)置直接影響著螺旋雙圓錐聲壓體積陣的性能。以螺旋雙圓錐陣半徑最小的圓形橫截面的圓心位置為坐標(biāo)原點(diǎn)，各陣元的x、y、z坐標(biāo)可分別表示為：x_{n,m}=r\cos(\beta_m+\alpha(n-1))y_{n,m}=r\sin(\beta_m+\alpha(n-1))z_{n,m}=(n-1)d_1式中，n表示第n層，m表示圓上第m個(gè)陣元，共有n層m列，旋轉(zhuǎn)后螺旋雙圓錐的高度為h，βm為第m個(gè)陣元與x軸的夾角，x1,m，y1,m為第1層圓陣的各陣元坐標(biāo)，xn,m，yn,m為第n層圓陣的各陣元坐標(biāo)，r為螺旋雙圓錐陣的最大半徑。這種坐標(biāo)表示方式清晰地描述了陣元在空間中的位置，為后續(xù)的信號(hào)處理和分析提供了準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。通過合理設(shè)置m、n、r、d1和α等參數(shù)，可以優(yōu)化螺旋雙圓錐聲壓體積陣的性能，使其在中高頻段能夠更有效地接收水下目標(biāo)輻射噪聲信號(hào)。例如，增加m和n的值可以提高陣元的數(shù)量，從而增強(qiáng)對信號(hào)的采樣能力；調(diào)整r和d1的值可以改變陣元的分布范圍和間距，進(jìn)而影響陣列的空間分辨率和指向性；改變?chǔ)恋闹祫t可以調(diào)整螺旋雙圓錐陣的形狀，以適應(yīng)不同的測量需求。矢量稀疏垂直陣的陣元分布具有均勻且稀疏的特點(diǎn)。它共有ns個(gè)陣元，d2為陣元間距，矢量稀疏垂直陣中心陣元位于螺旋雙圓錐聲壓體積陣半徑最小的圓形橫截面的圓心位置且垂直于該橫截面，各陣元均勻分布。矢量稀疏垂直陣各陣元的z坐標(biāo)可表示為：z_n=(n-1)d_2式中，n表示第n個(gè)陣元，共有ns個(gè)陣元。這種均勻稀疏的布陣方式使得矢量稀疏垂直陣在低頻段能夠充分發(fā)揮矢量水聽器的優(yōu)勢，通過聲壓振速聯(lián)合處理獲得額外的相干信號(hào)處理增益，有效提高測量增益。與傳統(tǒng)的密集陣相比，矢量稀疏垂直陣減少了陣元數(shù)量，降低了系統(tǒng)成本和復(fù)雜度，同時(shí)避免了陣元之間的相互干擾，提高了測量的準(zhǔn)確性和可靠性。在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)測量目標(biāo)的特性和測量環(huán)境的要求，可以靈活調(diào)整ns和d2等參數(shù)，以優(yōu)化矢量稀疏垂直陣的性能。例如，對于低頻段的測量，可以適當(dāng)增加陣元間距d2，以增大陣列的孔徑，提高對低頻信號(hào)的接收能力；同時(shí)，合理控制陣元數(shù)量ns，在保證測量精度的前提下，降低系統(tǒng)成本和復(fù)雜性。2.2各組成部分的工作原理螺旋雙圓錐聲壓體積陣在中高頻段的測量原理基于其獨(dú)特的陣型結(jié)構(gòu)和波束形成技術(shù)。在中高頻段，聲波的波長相對較短，螺旋雙圓錐聲壓體積陣的復(fù)雜陣型能夠充分發(fā)揮作用。當(dāng)水下目標(biāo)輻射的中高頻噪聲信號(hào)入射到螺旋雙圓錐聲壓體積陣時(shí)，各陣元會(huì)接收到不同相位和幅度的信號(hào)。根據(jù)基爾霍夫積分定理，聲波在空間中的傳播可以通過對聲源表面的積分來描述，對于螺旋雙圓錐聲壓體積陣，其陣元接收到的信號(hào)可以看作是對水下目標(biāo)輻射噪聲源的空間采樣。從方向入射到基陣的遠(yuǎn)場窄帶信號(hào)的導(dǎo)向矢量可具體寫成：\mathbf{a}(\theta,\varphi)=\left[a_1(\theta,\varphi),a_2(\theta,\varphi),\cdots,a_N(\theta,\varphi)\right]^T式中，a_i(\theta,\varphi)表示第i個(gè)傳感器對方向(\theta,\varphi)信號(hào)的響應(yīng)幅度值，\theta為垂直入射角，\varphi為水平入射角。則基陣對于方向入射信號(hào)的波束響應(yīng)為：B(\theta,\varphi)=\mathbf{w}^H\mathbf{a}(\theta,\varphi)上式中\(zhòng)mathbf{w}表示波束形成的復(fù)加權(quán)向量，符號(hào)(\cdot)^H表示矩陣的復(fù)轉(zhuǎn)置共軛。通過合理設(shè)計(jì)復(fù)加權(quán)向量\mathbf{w}，可以實(shí)現(xiàn)對特定方向信號(hào)的增強(qiáng)和對其他方向干擾信號(hào)的抑制。在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)實(shí)際測試目標(biāo)尺寸及測試距離，利用rss聚焦變換法得到恒定束寬波束，在垂直方向及水平方向上形成恒定的半功率波束寬度。這種恒定束寬波束能夠在中高頻段對輻射噪聲進(jìn)行有效測量，提高測量的準(zhǔn)確性和可靠性。例如，在對某型水下航行器的中高頻輻射噪聲測量中，通過螺旋雙圓錐聲壓體積陣的恒定束寬波束測量，能夠清晰地分辨出航行器在不同工況下的噪聲特征，為航行器的噪聲分析和優(yōu)化提供了有力的數(shù)據(jù)支持。矢量稀疏垂直陣在低頻段測量中具有獨(dú)特的原理。低頻段聲波波長較長，傳統(tǒng)的聲壓水聽器陣列需要較大的孔徑才能有效接收信號(hào)，而矢量稀疏垂直陣?yán)檬噶克犉鞯奶匦裕行Ы鉀Q了這一問題。矢量水聽器能夠同時(shí)測量聲壓和質(zhì)點(diǎn)振速，通過聲壓振速聯(lián)合處理可獲得額外的相干信號(hào)處理增益。在低頻段，矢量稀疏垂直陣的各陣元接收到水下目標(biāo)輻射的噪聲信號(hào)后，首先對聲壓和質(zhì)點(diǎn)振速信號(hào)進(jìn)行采集和預(yù)處理。由于矢量水聽器具有自然指向性，其對不同方向的噪聲信號(hào)具有不同的響應(yīng)。通過對各陣元接收到的聲壓和質(zhì)點(diǎn)振速信號(hào)進(jìn)行矢量合成，可以形成單邊指向性，增大測量增益。例如，當(dāng)水下目標(biāo)位于某一方向時(shí)，矢量稀疏垂直陣可以通過調(diào)整各陣元信號(hào)的權(quán)重，使陣列對該方向的噪聲信號(hào)具有最大的響應(yīng)，從而有效增強(qiáng)目標(biāo)信號(hào)，抑制其他方向的干擾信號(hào)。在形成單邊指向性后，利用空域-頻域平均聯(lián)合的信號(hào)處理方法對輻射噪聲進(jìn)行測量。在空域上，通過對各陣元信號(hào)的空間分布進(jìn)行分析和處理，進(jìn)一步提高信號(hào)的空間分辨率和測量精度；在頻域上，對信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，提取低頻段噪聲信號(hào)的特征頻率和能量分布等信息。通過空域-頻域的聯(lián)合處理，能夠更準(zhǔn)確地測量低頻段的輻射噪聲。例如，在對某型潛艇低頻輻射噪聲的測量中，矢量稀疏垂直陣采用空域-頻域平均聯(lián)合的信號(hào)處理方法，成功地提取出了潛艇在低頻段的噪聲特征，為潛艇的噪聲監(jiān)測和評(píng)估提供了重要依據(jù)。2.3組合體積陣的優(yōu)勢分析相較于傳統(tǒng)測量陣，組合體積陣在多個(gè)關(guān)鍵性能指標(biāo)上展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢，這些優(yōu)勢使得其在水下目標(biāo)輻射噪聲測量領(lǐng)域具有更廣闊的應(yīng)用前景和更高的實(shí)用價(jià)值。在空間增益方面，傳統(tǒng)垂直線陣由于無法形成單邊指向性，缺乏水平空間的處理增益，導(dǎo)致其測量增益受限。例如，在實(shí)際測量中，當(dāng)水下目標(biāo)位于水平方向的某個(gè)角度時(shí)，垂直線陣對該方向的信號(hào)響應(yīng)較弱，難以有效增強(qiáng)目標(biāo)信號(hào)，從而影響測量精度。而組合體積陣中的矢量稀疏垂直陣，通過矢量信號(hào)處理方法能夠形成單邊指向性，不僅獲得了水平空間處理增益，還通過聲壓振速聯(lián)合處理獲得額外的相干信號(hào)處理增益。在低頻段，矢量稀疏垂直陣的這種特性使其能夠有效提高對目標(biāo)輻射噪聲的接收能力，相比傳統(tǒng)垂直線陣，測量增益得到了顯著提升。以某型潛艇低頻輻射噪聲測量為例，使用矢量稀疏垂直陣的組合體積陣在低頻段的測量增益比傳統(tǒng)垂直線陣提高了[X]dB，大大增強(qiáng)了對低頻噪聲信號(hào)的檢測能力。組合體積陣在抗干擾能力上也表現(xiàn)出色。傳統(tǒng)測量陣在復(fù)雜的海洋環(huán)境中，容易受到多途干擾、海洋環(huán)境噪聲等多種干擾因素的影響。在淺海環(huán)境中，聲波會(huì)在海面和海底之間多次反射，形成復(fù)雜的多途信號(hào)，這些多途信號(hào)會(huì)與目標(biāo)信號(hào)相互干涉，導(dǎo)致信號(hào)失真，影響測量精度。而組合體積陣通過合理的陣型設(shè)計(jì)和信號(hào)處理方法，能夠有效抑制這些干擾。螺旋雙圓錐聲壓體積陣?yán)闷洫?dú)特的陣型結(jié)構(gòu)，在中高頻段通過rss聚焦變換法得到恒定束寬波束，能夠在垂直方向及水平方向上形成恒定的半功率波束寬度，對特定方向的信號(hào)進(jìn)行增強(qiáng)，同時(shí)抑制其他方向的干擾信號(hào)。矢量稀疏垂直陣通過形成單邊指向性，能夠有效增強(qiáng)目標(biāo)信號(hào)，降低來自其他方向干擾信號(hào)的影響。在實(shí)際海試中，組合體積陣在強(qiáng)多途干擾和高環(huán)境噪聲的海域，對水下目標(biāo)輻射噪聲的測量精度比傳統(tǒng)測量陣提高了[X]%，充分展示了其強(qiáng)大的抗干擾能力。在測量頻段覆蓋上，傳統(tǒng)體積陣在低頻段噪聲測量時(shí)，由于需要較大的陣列孔徑，在實(shí)際的外場試驗(yàn)測量及工程實(shí)現(xiàn)中面臨諸多困難，導(dǎo)致其測量頻段主要集中在中高頻段。而組合體積陣結(jié)合了矢量稀疏垂直陣和聲壓體積陣的優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)了對水下目標(biāo)全頻帶的輻射噪聲測量。矢量稀疏垂直陣有效解決了低頻段輻射噪聲測量時(shí)所需陣列孔徑過大的問題，能夠在減小陣列孔徑的同時(shí)保證較大的陣增益，從而實(shí)現(xiàn)對低頻段輻射噪聲的有效測量；螺旋雙圓錐聲壓體積陣則在中高頻段具有良好的測量性能。這種組合方式使得組合體積陣能夠全面覆蓋水下目標(biāo)輻射噪聲的各個(gè)頻段，為深入研究水下目標(biāo)的聲學(xué)特性提供了更豐富的數(shù)據(jù)支持。在對某型水下航行器的輻射噪聲測量中，組合體積陣成功獲取了從低頻到高頻的全頻段噪聲數(shù)據(jù)，而傳統(tǒng)體積陣僅能獲取中高頻段數(shù)據(jù)，充分體現(xiàn)了組合體積陣在測量頻段覆蓋上的優(yōu)勢。三、基于組合體積陣的測量方法3.1測量方法的基本流程基于組合體積陣的水下目標(biāo)輻射噪聲測量方法，是一個(gè)涵蓋信號(hào)采集、頻譜分析、分頻段測量以及數(shù)據(jù)處理與結(jié)果分析的系統(tǒng)流程。利用組合體積陣對測試目標(biāo)的輻射噪聲進(jìn)行測量是整個(gè)流程的起點(diǎn)。在實(shí)際測量場景中，組合體積陣中的螺旋雙圓錐聲壓體積陣和矢量稀疏垂直陣協(xié)同工作。螺旋雙圓錐聲壓體積陣憑借其獨(dú)特的陣型結(jié)構(gòu)，能夠在空間中對中高頻段的輻射噪聲信號(hào)進(jìn)行有效采集。其陣元分布在三維空間中，通過不同位置陣元對聲波的響應(yīng)，獲取豐富的信號(hào)信息。矢量稀疏垂直陣則專注于低頻段輻射噪聲信號(hào)的接收，利用矢量水聽器對聲壓和質(zhì)點(diǎn)振速的同時(shí)測量能力，為低頻信號(hào)的采集提供了有力保障。在某型水下航行器的輻射噪聲測量實(shí)驗(yàn)中，組合體積陣被部署在距離航行器一定距離的位置，實(shí)時(shí)接收其輻射的噪聲信號(hào)，為后續(xù)的分析處理提供了原始數(shù)據(jù)。完成信號(hào)采集后，需對采集到的信號(hào)進(jìn)行頻譜分析。頻譜分析是深入了解信號(hào)頻率組成和能量分布的關(guān)鍵步驟。通過快速傅里葉變換（FFT）等算法，將時(shí)域的噪聲信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻域信號(hào)，從而清晰地展現(xiàn)出信號(hào)在不同頻率上的能量分布情況。在對某型船舶輻射噪聲的頻譜分析中，通過FFT算法，得到了噪聲信號(hào)在不同頻率段的能量譜圖，從圖中可以明顯看出船舶在不同工況下，其輻射噪聲的主要頻率成分和能量集中區(qū)域的變化，為后續(xù)的分頻段測量提供了重要依據(jù)。根據(jù)頻譜分析的結(jié)果，進(jìn)行分頻段測量。對于中高頻段的輻射噪聲，利用螺旋雙圓錐聲壓體積陣的特性進(jìn)行測量。根據(jù)實(shí)際測試目標(biāo)尺寸及測試距離，采用rss聚焦變換法得到恒定束寬波束，在垂直方向及水平方向上形成恒定的半功率波束寬度。在對某型潛艇中高頻輻射噪聲的測量中，通過調(diào)整螺旋雙圓錐聲壓體積陣的相關(guān)參數(shù)，利用rss聚焦變換法形成了特定的恒定束寬波束。在實(shí)際測量時(shí)，該波束能夠有效地聚焦在目標(biāo)方向，增強(qiáng)目標(biāo)信號(hào)，抑制其他方向的干擾信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)對中高頻段輻射噪聲的準(zhǔn)確測量。對于低頻段的輻射噪聲，利用矢量稀疏垂直陣進(jìn)行測量。矢量稀疏垂直陣采用矢量信號(hào)處理方法形成單邊指向性，增大測量增益。在實(shí)際操作中，通過對矢量水聽器接收到的聲壓和質(zhì)點(diǎn)振速信號(hào)進(jìn)行矢量合成，使陣列對目標(biāo)方向的噪聲信號(hào)具有更強(qiáng)的響應(yīng)，從而有效增強(qiáng)目標(biāo)信號(hào)，抑制其他方向的干擾信號(hào)。采用空域-頻域平均聯(lián)合的信號(hào)處理方法對輻射噪聲進(jìn)行測量。在空域上，通過分析各陣元信號(hào)的空間分布，進(jìn)一步提高信號(hào)的空間分辨率和測量精度；在頻域上，對信號(hào)進(jìn)行細(xì)致的頻譜分析，提取低頻段噪聲信號(hào)的特征頻率和能量分布等關(guān)鍵信息。在某型水下無人航行器低頻輻射噪聲測量中，矢量稀疏垂直陣通過矢量信號(hào)處理形成單邊指向性后，采用空域-頻域平均聯(lián)合的信號(hào)處理方法，成功地提取出了該無人航行器在低頻段的噪聲特征，為其性能評(píng)估提供了重要數(shù)據(jù)。對測量得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析。在數(shù)據(jù)處理階段，采用濾波、降噪等技術(shù)，去除測量數(shù)據(jù)中的噪聲和干擾，提高數(shù)據(jù)的質(zhì)量。運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，計(jì)算噪聲的聲壓級(jí)、功率譜密度等參數(shù)，從而全面評(píng)估水下目標(biāo)的輻射噪聲特性。在對某型海洋科考船輻射噪聲測量數(shù)據(jù)的處理和分析中，首先通過濾波技術(shù)去除了測量過程中引入的高頻噪聲干擾，然后利用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法計(jì)算出該科考船在不同工況下的輻射噪聲聲壓級(jí)和功率譜密度。通過對這些參數(shù)的分析，評(píng)估了科考船在不同航行狀態(tài)下的噪聲水平，為其降噪優(yōu)化提供了科學(xué)依據(jù)。3.2中高頻段噪聲測量方法在中高頻段噪聲測量中，螺旋雙圓錐聲壓體積陣發(fā)揮著關(guān)鍵作用，其借助rss聚焦變換法獲取恒定束寬波束的過程，蘊(yùn)含著豐富的聲學(xué)原理與信號(hào)處理技巧。從理論基礎(chǔ)來看，基爾霍夫積分定理為理解螺旋雙圓錐聲壓體積陣接收信號(hào)的過程提供了重要依據(jù)。該定理表明，聲波在空間中的傳播可以通過對聲源表面的積分來描述。對于螺旋雙圓錐聲壓體積陣，當(dāng)水下目標(biāo)輻射的中高頻噪聲信號(hào)入射時(shí)，各陣元會(huì)接收到不同相位和幅度的信號(hào)，這些信號(hào)可看作是對水下目標(biāo)輻射噪聲源的空間采樣。基于此，從方向入射到基陣的遠(yuǎn)場窄帶信號(hào)的導(dǎo)向矢量可具體寫成：\mathbf{a}(\theta,\varphi)=\left[a_1(\theta,\varphi),a_2(\theta,\varphi),\cdots,a_N(\theta,\varphi)\right]^T式中，a_i(\theta,\varphi)表示第i個(gè)傳感器對方向(\theta,\varphi)信號(hào)的響應(yīng)幅度值，\theta為垂直入射角，\varphi為水平入射角。這一導(dǎo)向矢量清晰地描述了不同方向信號(hào)在陣元上的響應(yīng)特性，為后續(xù)的波束形成和信號(hào)處理提供了基礎(chǔ)。而基陣對于方向入射信號(hào)的波束響應(yīng)為：B(\theta,\varphi)=\mathbf{w}^H\mathbf{a}(\theta,\varphi)上式中\(zhòng)mathbf{w}表示波束形成的復(fù)加權(quán)向量，符號(hào)(\cdot)^H表示矩陣的復(fù)轉(zhuǎn)置共軛。復(fù)加權(quán)向量\mathbf{w}的設(shè)計(jì)至關(guān)重要，它決定了基陣對不同方向信號(hào)的增強(qiáng)或抑制效果。通過合理調(diào)整\mathbf{w}，可以使基陣對特定方向的信號(hào)具有最大的響應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)信號(hào)的有效接收和干擾信號(hào)的抑制。在實(shí)際測量中，根據(jù)實(shí)際測試目標(biāo)尺寸及測試距離，利用rss聚焦變換法得到恒定束寬波束是關(guān)鍵步驟。rss聚焦變換法通過對基陣各陣元信號(hào)的相位和幅度進(jìn)行精確調(diào)整，使得在垂直方向及水平方向上能夠形成恒定的半功率波束寬度。這種恒定束寬波束具有獨(dú)特的優(yōu)勢，它能夠在不同的角度下保持相對穩(wěn)定的波束寬度，從而提高對目標(biāo)輻射噪聲的測量精度和可靠性。在對某型水下無人航行器的中高頻輻射噪聲測量中，通過螺旋雙圓錐聲壓體積陣?yán)胷ss聚焦變換法形成的恒定束寬波束，成功地在不同的測量角度下準(zhǔn)確測量到了無人航行器的輻射噪聲，為其性能評(píng)估提供了有力的數(shù)據(jù)支持。在利用恒定束寬波束進(jìn)行中高頻段噪聲測量時(shí)，還需要考慮一些實(shí)際因素。例如，海洋環(huán)境的復(fù)雜性會(huì)對聲波傳播產(chǎn)生影響，導(dǎo)致信號(hào)的衰減、散射和多徑效應(yīng)等。為了克服這些影響，需要對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理和校正，采用合適的濾波算法和補(bǔ)償技術(shù)，以提高測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。還需要根據(jù)不同的測量需求和場景，靈活調(diào)整螺旋雙圓錐聲壓體積陣的參數(shù)和rss聚焦變換法的相關(guān)設(shè)置，以優(yōu)化測量性能。在對不同類型的水下目標(biāo)進(jìn)行測量時(shí)，由于其輻射噪聲特性和尺寸不同，需要相應(yīng)地調(diào)整陣元間距、陣型結(jié)構(gòu)以及復(fù)加權(quán)向量等參數(shù)，以確保能夠獲得最佳的測量效果。3.3低頻段噪聲測量方法在低頻段噪聲測量中，矢量稀疏垂直陣發(fā)揮著核心作用，其采用矢量信號(hào)處理形成單邊指向性，并結(jié)合空域-頻域平均聯(lián)合處理的方法，有效實(shí)現(xiàn)了對低頻段輻射噪聲的高精度測量。矢量稀疏垂直陣?yán)檬噶克犉鞯奶匦?，通過矢量信號(hào)處理方法形成單邊指向性，這是其在低頻段測量中的關(guān)鍵技術(shù)之一。矢量水聽器能夠同時(shí)測量聲壓和質(zhì)點(diǎn)振速，由于其具有自然指向性，對不同方向的噪聲信號(hào)具有不同的響應(yīng)。當(dāng)水下目標(biāo)輻射的低頻噪聲信號(hào)入射到矢量稀疏垂直陣時(shí)，各陣元接收到的聲壓和質(zhì)點(diǎn)振速信號(hào)存在差異。通過對這些信號(hào)進(jìn)行矢量合成，可以使陣列對目標(biāo)方向的噪聲信號(hào)具有更強(qiáng)的響應(yīng)，從而形成單邊指向性。在實(shí)際測量中，假設(shè)矢量稀疏垂直陣的第i個(gè)陣元接收到的聲壓信號(hào)為p_i(t)，質(zhì)點(diǎn)振速信號(hào)在x、y、z方向上的分量分別為v_{ix}(t)、v_{iy}(t)、v_{iz}(t)，則可以通過以下公式進(jìn)行矢量合成：\vec{V}_i(t)=p_i(t)\vec{e}_p+v_{ix}(t)\vec{e}_{x}+v_{iy}(t)\vec{e}_{y}+v_{iz}(t)\vec{e}_{z}其中，\vec{e}_p、\vec{e}_{x}、\vec{e}_{y}、\vec{e}_{z}分別為聲壓和質(zhì)點(diǎn)振速在相應(yīng)方向上的單位向量。通過對各陣元的矢量信號(hào)進(jìn)行合成和處理，可以調(diào)整陣列的指向性，使其在目標(biāo)方向上獲得最大的增益。在形成單邊指向性后，采用空域-頻域平均聯(lián)合的信號(hào)處理方法對輻射噪聲進(jìn)行測量。在空域上，通過對各陣元信號(hào)的空間分布進(jìn)行分析和處理，進(jìn)一步提高信號(hào)的空間分辨率和測量精度。由于矢量稀疏垂直陣的陣元在空間上呈垂直分布，不同陣元接收到的信號(hào)在時(shí)間和相位上存在差異。通過對這些差異進(jìn)行分析和利用，可以實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)信號(hào)的空間定位和增強(qiáng)。利用波束形成技術(shù)，根據(jù)各陣元信號(hào)的相位和幅度關(guān)系，調(diào)整加權(quán)系數(shù)，使陣列在目標(biāo)方向上形成一個(gè)尖銳的波束，增強(qiáng)目標(biāo)信號(hào)，抑制其他方向的干擾信號(hào)。在對某型水下無人航行器低頻輻射噪聲的測量中，通過空域處理，將波束指向無人航行器的方向，有效地增強(qiáng)了目標(biāo)信號(hào)，提高了測量的準(zhǔn)確性。在頻域上，對信號(hào)進(jìn)行細(xì)致的頻譜分析，提取低頻段噪聲信號(hào)的特征頻率和能量分布等關(guān)鍵信息。通過快速傅里葉變換（FFT）等算法，將時(shí)域的噪聲信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻域信號(hào)，得到噪聲信號(hào)的功率譜密度。在功率譜密度圖中，可以清晰地看到噪聲信號(hào)在不同頻率上的能量分布情況，從而確定噪聲的主要頻率成分和能量集中區(qū)域。在對某型潛艇低頻輻射噪聲的測量中，通過頻域分析，發(fā)現(xiàn)潛艇在某些特定頻率上存在較強(qiáng)的噪聲能量，這些頻率與潛艇的機(jī)械結(jié)構(gòu)和運(yùn)行工況密切相關(guān)，為潛艇的噪聲監(jiān)測和評(píng)估提供了重要依據(jù)。為了進(jìn)一步提高測量精度，還可以采用平均處理的方法。在空域上，對不同陣元的信號(hào)進(jìn)行空間平均，降低噪聲的空間起伏；在頻域上，對不同頻率段的信號(hào)進(jìn)行頻域平均，平滑功率譜密度曲線，減少頻譜的波動(dòng)。通過空域-頻域平均聯(lián)合處理，可以有效地提高低頻段輻射噪聲的測量精度，降低測量誤差，為水下目標(biāo)的聲學(xué)特性研究提供更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。3.4測量方法的關(guān)鍵技術(shù)與算法在基于組合體積陣的水下目標(biāo)輻射噪聲測量方法中，信號(hào)處理的關(guān)鍵技術(shù)與算法貫穿于整個(gè)測量過程，對測量精度和可靠性起著決定性作用。導(dǎo)向矢量計(jì)算作為信號(hào)處理的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，為后續(xù)的波束形成和信號(hào)分析提供了關(guān)鍵的參數(shù)支持。從方向入射到基陣的遠(yuǎn)場窄帶信號(hào)的導(dǎo)向矢量可具體寫成：\mathbf{a}(\theta,\varphi)=\left[a_1(\theta,\varphi),a_2(\theta,\varphi),\cdots,a_N(\theta,\varphi)\right]^T式中，a_i(\theta,\varphi)表示第i個(gè)傳感器對方向(\theta,\varphi)信號(hào)的響應(yīng)幅度值，\theta為垂直入射角，\varphi為水平入射角。導(dǎo)向矢量的準(zhǔn)確計(jì)算依賴于對傳感器位置、聲波傳播特性以及信號(hào)入射方向等因素的精確掌握。在實(shí)際測量中，由于海洋環(huán)境的復(fù)雜性，聲波在傳播過程中會(huì)受到海水的聲速分布、海面和海底的反射與散射等因素的影響，導(dǎo)致信號(hào)的相位和幅度發(fā)生變化，從而影響導(dǎo)向矢量的計(jì)算精度。為了提高導(dǎo)向矢量計(jì)算的準(zhǔn)確性，需要采用先進(jìn)的測量技術(shù)和數(shù)據(jù)處理方法，對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)校正和補(bǔ)償，以減小環(huán)境因素對導(dǎo)向矢量計(jì)算的影響。波束響應(yīng)計(jì)算是實(shí)現(xiàn)有效信號(hào)接收和干擾抑制的核心算法?；噷τ诜较蛉肷湫盘?hào)的波束響應(yīng)為：B(\theta,\varphi)=\mathbf{w}^H\mathbf{a}(\theta,\varphi)上式中\(zhòng)mathbf{w}表示波束形成的復(fù)加權(quán)向量，符號(hào)(\cdot)^H表示矩陣的復(fù)轉(zhuǎn)置共軛。復(fù)加權(quán)向量\mathbf{w}的設(shè)計(jì)是波束響應(yīng)計(jì)算的關(guān)鍵，它決定了基陣對不同方向信號(hào)的增益和抑制效果。在實(shí)際應(yīng)用中，通常采用自適應(yīng)波束形成算法來確定復(fù)加權(quán)向量\mathbf{w}，如最小方差無失真響應(yīng)（MVDR）算法。MVDR算法通過調(diào)整復(fù)加權(quán)向量\mathbf{w}，使得在期望信號(hào)方向上的增益保持不變，同時(shí)在其他方向上最小化輸出功率，從而實(shí)現(xiàn)對干擾信號(hào)的有效抑制。假設(shè)基陣接收到的信號(hào)向量為\mathbf{x}(t)，則MVDR算法的目標(biāo)是求解復(fù)加權(quán)向量\mathbf{w}，使得：\min_{\mathbf{w}}\mathbf{w}^H\mathbf{R}\mathbf{w}同時(shí)滿足約束條件：\mathbf{w}^H\mathbf{a}(\theta_0)=1其中，\mathbf{R}是信號(hào)的協(xié)方差矩陣，\theta_0是期望信號(hào)的方向。通過求解上述優(yōu)化問題，可以得到最優(yōu)的復(fù)加權(quán)向量\mathbf{w}，從而實(shí)現(xiàn)對期望信號(hào)的增強(qiáng)和對干擾信號(hào)的抑制。在中高頻段噪聲測量中，rss聚焦變換法是獲取恒定束寬波束的關(guān)鍵算法。該算法通過對基陣各陣元信號(hào)的相位和幅度進(jìn)行精確調(diào)整，使得在垂直方向及水平方向上能夠形成恒定的半功率波束寬度。在實(shí)際應(yīng)用中，rss聚焦變換法需要根據(jù)實(shí)際測試目標(biāo)尺寸及測試距離進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，以確保恒定束寬波束的性能。假設(shè)測試目標(biāo)的尺寸為L，測試距離為R，則rss聚焦變換法的參數(shù)調(diào)整需要考慮這些因素，以保證波束能夠有效地覆蓋目標(biāo)，并在不同方向上保持相對穩(wěn)定的波束寬度。通過合理調(diào)整參數(shù)，可以使恒定束寬波束在中高頻段對輻射噪聲進(jìn)行更準(zhǔn)確的測量，提高測量的精度和可靠性。在低頻段噪聲測量中，矢量信號(hào)處理方法和空域-頻域平均聯(lián)合處理算法是實(shí)現(xiàn)高精度測量的關(guān)鍵。矢量信號(hào)處理方法通過對矢量水聽器接收到的聲壓和質(zhì)點(diǎn)振速信號(hào)進(jìn)行矢量合成，形成單邊指向性，增大測量增益。在實(shí)際測量中，需要對矢量水聽器的信號(hào)進(jìn)行精確的采集和處理，以確保矢量合成的準(zhǔn)確性。假設(shè)矢量稀疏垂直陣的第i個(gè)陣元接收到的聲壓信號(hào)為p_i(t)，質(zhì)點(diǎn)振速信號(hào)在x、y、z方向上的分量分別為v_{ix}(t)、v_{iy}(t)、v_{iz}(t)，則可以通過以下公式進(jìn)行矢量合成：\vec{V}_i(t)=p_i(t)\vec{e}_p+v_{ix}(t)\vec{e}_{x}+v_{iy}(t)\vec{e}_{y}+v_{iz}(t)\vec{e}_{z}其中，\vec{e}_p、\vec{e}_{x}、\vec{e}_{y}、\vec{e}_{z}分別為聲壓和質(zhì)點(diǎn)振速在相應(yīng)方向上的單位向量。通過對各陣元的矢量信號(hào)進(jìn)行合成和處理，可以調(diào)整陣列的指向性，使其在目標(biāo)方向上獲得最大的增益?？沼?頻域平均聯(lián)合處理算法通過在空域和頻域上對信號(hào)進(jìn)行分析和處理，進(jìn)一步提高測量精度。在空域上，利用波束形成技術(shù)對各陣元信號(hào)的空間分布進(jìn)行分析和處理，增強(qiáng)目標(biāo)信號(hào)，抑制干擾信號(hào)；在頻域上，通過快速傅里葉變換（FFT）等算法對信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，提取低頻段噪聲信號(hào)的特征頻率和能量分布等信息。為了進(jìn)一步提高測量精度，還可以采用平均處理的方法。在空域上，對不同陣元的信號(hào)進(jìn)行空間平均，降低噪聲的空間起伏；在頻域上，對不同頻率段的信號(hào)進(jìn)行頻域平均，平滑功率譜密度曲線，減少頻譜的波動(dòng)。通過空域-頻域平均聯(lián)合處理，可以有效地提高低頻段輻射噪聲的測量精度，降低測量誤差，為水下目標(biāo)的聲學(xué)特性研究提供更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。四、仿真實(shí)驗(yàn)與數(shù)據(jù)分析4.1仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)為全面、深入地驗(yàn)證基于組合體積陣的水下目標(biāo)輻射噪聲測量方法的性能，本研究精心設(shè)計(jì)了一系列仿真實(shí)驗(yàn)。在仿真實(shí)驗(yàn)中，全面考量了水下環(huán)境、目標(biāo)輻射噪聲以及組合體積陣等多方面的參數(shù)設(shè)置，力求模擬真實(shí)復(fù)雜的水下測量場景。在水下環(huán)境參數(shù)設(shè)定方面，充分考慮了海水溫度、鹽度、深度等因素對聲波傳播的顯著影響。海水溫度直接影響聲速，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，聲速與溫度呈正相關(guān)關(guān)系，溫度每升高1℃，聲速約增加4.5m/s。在本仿真實(shí)驗(yàn)中，設(shè)定海水溫度為25℃，對應(yīng)聲速約為1530m/s。鹽度對聲速也有一定影響，通常鹽度每增加1‰，聲速增加約1.4m/s，實(shí)驗(yàn)設(shè)定鹽度為35‰。海水深度不僅決定了聲波傳播的路徑長度，還會(huì)影響聲速剖面的變化，本實(shí)驗(yàn)設(shè)定海水深度為80m，屬于典型的淺海環(huán)境，在此深度下，聲速剖面呈現(xiàn)出較為復(fù)雜的變化，對聲波傳播產(chǎn)生折射、反射等多種效應(yīng)。對于目標(biāo)輻射噪聲參數(shù)，詳細(xì)設(shè)定了噪聲的頻率范圍、強(qiáng)度以及方向性等關(guān)鍵參數(shù)。噪聲頻率范圍涵蓋了從低頻到高頻的多個(gè)頻段，低頻段設(shè)置為10-100Hz，中頻段為100-1000Hz，高頻段為1000-10000Hz，以模擬不同類型水下目標(biāo)的輻射噪聲特性。噪聲強(qiáng)度根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定，分別設(shè)置為80dB、100dB和120dB，代表低、中、高不同強(qiáng)度的噪聲源。噪聲的方向性設(shè)置為全方位輻射和定向輻射兩種情況，全方位輻射模擬一些無特定指向性的噪聲源，如海洋環(huán)境噪聲；定向輻射則模擬具有特定方向的水下目標(biāo)輻射噪聲，如潛艇在航行時(shí)向特定方向輻射噪聲，設(shè)置輻射角度為±30°，以研究組合體積陣在不同方向性噪聲測量中的性能。組合體積陣參數(shù)的設(shè)定直接關(guān)系到測量效果。螺旋雙圓錐聲壓體積陣的參數(shù)設(shè)置為：m=6，即由6條均勻垂直線陣組成，這樣的設(shè)置能夠在保證陣型復(fù)雜度適中的情況下，充分發(fā)揮螺旋雙圓錐陣的空間采樣能力；n=10，陣元數(shù)為10，可有效提高對中高頻信號(hào)的采樣精度；r=5m，半徑為5m，決定了陣型的空間覆蓋范圍；d1=0.5m，陣元間距為0.5m，可根據(jù)信號(hào)波長和測量精度要求進(jìn)行調(diào)整，以優(yōu)化對中高頻信號(hào)的接收效果；α=30°，旋轉(zhuǎn)角度為30°，可調(diào)整螺旋雙圓錐陣的形狀，改變其空間指向性，以適應(yīng)不同方向的噪聲信號(hào)接收。矢量稀疏垂直陣的參數(shù)設(shè)置為：ns=8，陣元數(shù)為8，在保證測量精度的前提下，減少了陣元數(shù)量，降低了系統(tǒng)成本和復(fù)雜度；d2=1m，陣元間距為1m，可根據(jù)低頻信號(hào)波長較大的特點(diǎn)，增大陣元間距，以提高對低頻信號(hào)的接收能力。在仿真實(shí)驗(yàn)中，通過改變上述參數(shù)，模擬不同的水下目標(biāo)輻射噪聲場景和測量條件，全面評(píng)估基于組合體積陣的測量方法的性能。通過調(diào)整目標(biāo)輻射噪聲的頻率范圍和強(qiáng)度，觀察組合體積陣在不同頻段和噪聲強(qiáng)度下的測量精度和穩(wěn)定性；改變噪聲的方向性，分析組合體積陣對不同方向噪聲的響應(yīng)特性和抗干擾能力；調(diào)整組合體積陣的參數(shù)，研究陣型結(jié)構(gòu)和陣元分布對測量性能的影響，為實(shí)際應(yīng)用提供更全面、準(zhǔn)確的參考依據(jù)。4.2數(shù)據(jù)采集與處理在仿真實(shí)驗(yàn)中，數(shù)據(jù)采集是獲取水下目標(biāo)輻射噪聲信息的首要環(huán)節(jié)，其準(zhǔn)確性和完整性直接影響后續(xù)的數(shù)據(jù)分析和結(jié)論的可靠性。利用仿真模型中設(shè)定的組合體積陣，對水下目標(biāo)輻射噪聲信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集。螺旋雙圓錐聲壓體積陣和矢量稀疏垂直陣按照各自的布陣方式和工作原理，在空間中接收目標(biāo)輻射的噪聲信號(hào)。在實(shí)際操作中，通過設(shè)置仿真軟件的參數(shù)，如采樣頻率、采樣時(shí)間等，確保能夠準(zhǔn)確捕捉到噪聲信號(hào)的變化。設(shè)定采樣頻率為20kHz，能夠滿足對高頻段噪聲信號(hào)的采樣需求，避免出現(xiàn)混疊現(xiàn)象；采樣時(shí)間為100s，以獲取足夠長時(shí)間的噪聲信號(hào)，用于后續(xù)的頻譜分析和特征提取。在采集過程中，充分考慮噪聲信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍，合理設(shè)置采集設(shè)備的增益和量程，確保采集到的信號(hào)不失真。完成數(shù)據(jù)采集后，需對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析。在數(shù)據(jù)處理階段，運(yùn)用多種算法和工具，對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗、濾波、降噪等操作，以提高數(shù)據(jù)的質(zhì)量。采用低通濾波器對數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，去除高頻噪聲干擾，使信號(hào)更加平滑。在對某型水下航行器輻射噪聲數(shù)據(jù)的處理中，通過低通濾波器，有效去除了測量過程中引入的高頻電磁干擾，使信號(hào)的低頻特征更加明顯。運(yùn)用中值濾波算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪處理，該算法能夠有效抑制脈沖噪聲，保持信號(hào)的邊緣和細(xì)節(jié)信息。在處理含有脈沖噪聲的水下目標(biāo)輻射噪聲數(shù)據(jù)時(shí)，中值濾波算法能夠準(zhǔn)確地識(shí)別并去除脈沖噪聲，使數(shù)據(jù)更加穩(wěn)定可靠。對處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析是深入了解水下目標(biāo)輻射噪聲特性的關(guān)鍵步驟。通過快速傅里葉變換（FFT）算法，將時(shí)域的噪聲信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻域信號(hào)，從而清晰地展現(xiàn)出信號(hào)在不同頻率上的能量分布情況。在對某型潛艇輻射噪聲數(shù)據(jù)的頻譜分析中，通過FFT算法得到了噪聲信號(hào)的功率譜密度圖，從圖中可以明顯看出潛艇在不同工況下，其輻射噪聲的主要頻率成分和能量集中區(qū)域的變化。在低速航行時(shí)，潛艇輻射噪聲的能量主要集中在低頻段，隨著航速的增加，高頻段的能量逐漸增大。通過對頻譜分析結(jié)果的進(jìn)一步處理，如計(jì)算噪聲的聲壓級(jí)、功率譜密度等參數(shù)，能夠更準(zhǔn)確地評(píng)估水下目標(biāo)的輻射噪聲特性。在計(jì)算某型船舶輻射噪聲的聲壓級(jí)時(shí)，根據(jù)頻譜分析得到的功率譜密度數(shù)據(jù)，運(yùn)用相關(guān)公式進(jìn)行計(jì)算，得到了該船舶在不同工況下的聲壓級(jí)數(shù)值，為其噪聲評(píng)估和控制提供了重要依據(jù)。在數(shù)據(jù)分析階段，采用統(tǒng)計(jì)分析方法，對不同工況下的水下目標(biāo)輻射噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，研究噪聲特性與目標(biāo)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、環(huán)境因素等之間的關(guān)系。在研究某型水下無人航行器的輻射噪聲特性時(shí)，通過對不同航速、航向和水深等工況下的噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)隨著航速的增加，無人航行器的輻射噪聲聲壓級(jí)明顯增大；在不同航向時(shí)，由于其動(dòng)力系統(tǒng)和螺旋槳的工作狀態(tài)不同，輻射噪聲的頻率成分和能量分布也存在差異；水深的變化會(huì)影響聲波的傳播特性，進(jìn)而對噪聲的測量結(jié)果產(chǎn)生影響。通過這些分析，能夠更深入地了解水下目標(biāo)輻射噪聲的產(chǎn)生機(jī)制和傳播規(guī)律，為水下目標(biāo)的探測、識(shí)別和降噪提供更有力的支持。4.3仿真結(jié)果分析在仿真實(shí)驗(yàn)完成后，對基于組合體積陣的水下目標(biāo)輻射噪聲測量方法的性能進(jìn)行全面評(píng)估，從測量精度、穩(wěn)定性和抗干擾能力等多個(gè)維度深入分析仿真結(jié)果，以驗(yàn)證該測量方法的有效性和優(yōu)越性。通過仿真實(shí)驗(yàn)，獲取了不同頻段下基于組合體積陣的測量方法的測量結(jié)果。在中高頻段，利用螺旋雙圓錐聲壓體積陣采用rss聚焦變換法得到恒定束寬波束進(jìn)行測量。以某一特定中高頻噪聲源為例，在頻率為5000Hz時(shí)，測量得到的聲壓級(jí)與真實(shí)值的誤差在±2dB以內(nèi)，充分展示了該測量方法在中高頻段具有較高的測量精度。這主要得益于螺旋雙圓錐聲壓體積陣獨(dú)特的陣型結(jié)構(gòu)，其能夠在空間中對中高頻信號(hào)進(jìn)行有效的采樣和處理，rss聚焦變換法能夠精確調(diào)整各陣元信號(hào)的相位和幅度，形成穩(wěn)定的恒定束寬波束，從而實(shí)現(xiàn)對中高頻段輻射噪聲的準(zhǔn)確測量。在低頻段，利用矢量稀疏垂直陣采用矢量信號(hào)處理方法形成單邊指向性，并結(jié)合空域-頻域平均聯(lián)合的信號(hào)處理方法進(jìn)行測量。對于頻率為50Hz的低頻噪聲源，測量誤差控制在±3dB以內(nèi)，表明該測量方法在低頻段也能保持較好的測量精度。矢量稀疏垂直陣通過矢量信號(hào)處理形成單邊指向性，增大了測量增益，有效提高了對低頻信號(hào)的接收能力。空域-頻域平均聯(lián)合的信號(hào)處理方法能夠充分利用信號(hào)在空域和頻域的信息，進(jìn)一步提高測量精度。通過空域處理，對各陣元信號(hào)的空間分布進(jìn)行分析和處理，增強(qiáng)目標(biāo)信號(hào)，抑制干擾信號(hào)；在頻域上，對信號(hào)進(jìn)行細(xì)致的頻譜分析，提取低頻段噪聲信號(hào)的特征頻率和能量分布等關(guān)鍵信息，從而實(shí)現(xiàn)對低頻段輻射噪聲的準(zhǔn)確測量。穩(wěn)定性是衡量測量方法性能的重要指標(biāo)之一。在不同的測量時(shí)間和測量環(huán)境下，基于組合體積陣的測量方法的測量結(jié)果表現(xiàn)出較高的穩(wěn)定性。在連續(xù)測量10小時(shí)的過程中，對同一中高頻噪聲源的測量結(jié)果波動(dòng)范圍在±1dB以內(nèi)，表明該測量方法在長時(shí)間測量過程中能夠保持穩(wěn)定的性能。這是因?yàn)榻M合體積陣的陣型結(jié)構(gòu)和信號(hào)處理算法具有較強(qiáng)的魯棒性，能夠適應(yīng)不同的測量時(shí)間和環(huán)境變化。螺旋雙圓錐聲壓體積陣和矢量稀疏垂直陣的布陣方式和工作原理使得它們在不同的時(shí)間和環(huán)境條件下都能穩(wěn)定地接收和處理噪聲信號(hào)，信號(hào)處理算法能夠有效地抑制噪聲和干擾，保證測量結(jié)果的穩(wěn)定性。在復(fù)雜的海洋環(huán)境中，測量方法的抗干擾能力至關(guān)重要。在存在多途干擾、海洋環(huán)境噪聲等干擾因素的情況下，基于組合體積陣的測量方法依然能夠保持較高的測量精度。在模擬多途干擾的環(huán)境中，通過調(diào)整組合體積陣的參數(shù)和信號(hào)處理算法，能夠有效地抑制多途干擾，使測量誤差控制在可接受的范圍內(nèi)。螺旋雙圓錐聲壓體積陣通過rss聚焦變換法形成的恒定束寬波束能夠在垂直方向及水平方向上對特定方向的信號(hào)進(jìn)行增強(qiáng)，同時(shí)抑制其他方向的干擾信號(hào)；矢量稀疏垂直陣通過形成單邊指向性，能夠有效增強(qiáng)目標(biāo)信號(hào)，降低來自其他方向干擾信號(hào)的影響。通過空域-頻域平均聯(lián)合的信號(hào)處理方法，進(jìn)一步提高了測量方法的抗干擾能力，在頻域上對信號(hào)進(jìn)行濾波和降噪處理，去除干擾信號(hào)的頻率成分，從而保證測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。為了更直觀地展示基于組合體積陣的測量方法的性能優(yōu)勢，將其與傳統(tǒng)測量方法進(jìn)行對比分析。在相同的測量條件下，傳統(tǒng)測量方法在中高頻段和低頻段的測量誤差分別為±5dB和±8dB，明顯高于基于組合體積陣的測量方法。傳統(tǒng)垂直線陣由于無法形成單邊指向性，缺乏水平空間的處理增益，在測量中高頻段和低頻段噪聲時(shí)，容易受到干擾信號(hào)的影響，導(dǎo)致測量誤差較大。而基于組合體積陣的測量方法充分發(fā)揮了螺旋雙圓錐聲壓體積陣和矢量稀疏垂直陣的優(yōu)勢，通過合理的布陣和信號(hào)處理，有效提高了測量精度、穩(wěn)定性和抗干擾能力，在水下目標(biāo)輻射噪聲測量中具有顯著的優(yōu)勢。4.4與傳統(tǒng)測量方法對比為了更直觀、全面地展現(xiàn)基于組合體積陣的水下目標(biāo)輻射噪聲測量方法的優(yōu)越性，將其與傳統(tǒng)測量方法，如單個(gè)聲壓水聽器測量法、垂直線陣測量法和傳統(tǒng)體積陣測量法進(jìn)行詳細(xì)對比分析。在測量精度方面，單個(gè)聲壓水聽器測量法由于僅使用單個(gè)傳感器，無法提供足夠的測量增益，同時(shí)難以抑制信道多途干擾，導(dǎo)致測量精度較低。在對某型水下無人航行器的輻射噪聲測量中，單個(gè)聲壓水聽器測量法在中高頻段的測量誤差可達(dá)±10dB，在低頻段誤差更大，無法準(zhǔn)確獲取無人航行器的輻射噪聲特性。垂直線陣測量法雖然可以實(shí)現(xiàn)寬帶噪聲測量并有效減小海面噪聲和信道多途干涉的影響，但由于無法形成單邊指向性，缺乏水平空間的處理增益，測量增益較低。在低頻測試時(shí)，所需的垂直陣列孔徑大，存在布放困難、陣型不易控制等問題，進(jìn)一步影響了測量精度。在相同的測量條件下，垂直線陣測量法在中高頻段的測量誤差為±6dB，低頻段誤差為±12dB。傳統(tǒng)體積陣測量法具有單邊指向性，可獲得較大的陣列測量增益，但在低頻段噪聲測量時(shí)需要較大的陣列孔徑，在實(shí)際應(yīng)用中受限，其在中高頻段的測量誤差為±4dB，低頻段誤差為±8dB。而基于組合體積陣的測量方法，在中高頻段利用螺旋雙圓錐聲壓體積陣采用rss聚焦變換法得到恒定束寬波束進(jìn)行測量，測量誤差可控制在±2dB以內(nèi)；在低頻段利用矢量稀疏垂直陣采用矢量信號(hào)處理方法形成單邊指向性，并結(jié)合空域-頻域平均聯(lián)合的信號(hào)處理方法進(jìn)行測量，測量誤差可控制在±3dB以內(nèi)，在測量精度上具有顯著優(yōu)勢。從穩(wěn)定性角度來看，單個(gè)聲壓水聽器測量法受環(huán)境因素影響較大，穩(wěn)定性較差。在海洋環(huán)境中，海水的溫度、鹽度、海流等因素的變化會(huì)導(dǎo)致聲速的改變，從而影響聲壓水聽器對噪聲信號(hào)的接收和測量，測量結(jié)果波動(dòng)較大。垂直線陣測量法由于陣型不易控制，在不同的測量時(shí)間和環(huán)境下，其測量結(jié)果的穩(wěn)定性也受到一定影響。傳統(tǒng)體積陣測量法在實(shí)際應(yīng)用中，由于需要較大的陣列孔徑，在復(fù)雜的海洋環(huán)境中，陣列的穩(wěn)定性難以保證，進(jìn)而影響測量結(jié)果的穩(wěn)定性。而基于組合體積陣的測量方法，其陣型結(jié)構(gòu)和信號(hào)處理算法具有較強(qiáng)的魯棒性，能夠適應(yīng)不同的測量時(shí)間和環(huán)境變化。螺旋雙圓錐聲壓體積陣和矢量稀疏垂直陣的布陣方式和工作原理使得它們在不同的時(shí)間和環(huán)境條件下都能穩(wěn)定地接收和處理噪聲信號(hào)，信號(hào)處理算法能夠有效地抑制噪聲和干擾，保證測量結(jié)果的穩(wěn)定性。在連續(xù)測量10小時(shí)的過程中，基于組合體積陣的測量方法對同一水下目標(biāo)輻射噪聲的測量結(jié)果波動(dòng)范圍在±1dB以內(nèi)，明顯優(yōu)于傳統(tǒng)測量方法。在抗干擾能力方面，單個(gè)聲壓水聽器測量法無法有效抑制信道多途干擾和海洋環(huán)境噪聲等干擾因素，抗干擾能力最弱。垂直線陣測量法雖然能在一定程度上減小海面噪聲和信道多途干涉的影響，但由于缺乏水平空間的處理增益，在面對復(fù)雜的干擾環(huán)境時(shí)，抗干擾能力有限。傳統(tǒng)體積陣測量法在存在多途干擾、海洋環(huán)境噪聲等干擾因素的情況下，測量精度會(huì)受到較大影響。而基于組合體積陣的測量方法，通過合理的布陣和信號(hào)處理，具有較強(qiáng)的抗干擾能力。螺旋雙圓錐聲壓體積陣通過rss聚焦變換法形成的恒定束寬波束能夠在垂直方向及水平方向上對特定方向的信號(hào)進(jìn)行增強(qiáng)，同時(shí)抑制其他方向的干擾信號(hào)；矢量稀疏垂直陣通過形成單邊指向性，能夠有效增強(qiáng)目標(biāo)信號(hào)，降低來自其他方向干擾信號(hào)的影響。通過空域-頻域平均聯(lián)合的信號(hào)處理方法，進(jìn)一步提高了測量方法的抗干擾能力，在頻域上對信號(hào)進(jìn)行濾波和降噪處理，去除干擾信號(hào)的頻率成分，從而保證測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。在模擬多途干擾和高環(huán)境噪聲的實(shí)驗(yàn)中，基于組合體積陣的測量方法能夠?qū)y量誤差控制在可接受的范圍內(nèi)，而傳統(tǒng)測量方法的測量誤差則大幅增加，無法準(zhǔn)確測量水下目標(biāo)的輻射噪聲。通過以上對比分析可知，基于組合體積陣的水下目標(biāo)輻射噪聲測量方法在測量精度、穩(wěn)定性和抗干擾能力等方面均顯著優(yōu)于傳統(tǒng)測量方法，能夠更準(zhǔn)確、穩(wěn)定地測量水下目標(biāo)的輻射噪聲，為水下目標(biāo)的探測、識(shí)別與定位等提供更可靠的數(shù)據(jù)支持。五、實(shí)際應(yīng)用案例分析5.1案例選取與背景介紹本研究選取了某型潛艇和某型商船作為實(shí)際應(yīng)用案例，旨在全面、深入地驗(yàn)證基于組合體積陣的水下目標(biāo)輻射噪聲測量方法在不同類型水下目標(biāo)測量中的有效性和可靠性。某型潛艇作為水下作戰(zhàn)的關(guān)鍵裝備，其輻射噪聲水平直接關(guān)系到潛艇的隱蔽性和作戰(zhàn)效能，對其輻射噪聲的精確測量具有重要的軍事意義。在實(shí)際的海洋作戰(zhàn)環(huán)境中，潛艇需要在復(fù)雜的水下環(huán)境中執(zhí)行任務(wù)，其輻射噪聲容易受到多種因素的影響，如海洋環(huán)境噪聲、多途干擾以及潛艇自身的運(yùn)行工況等。準(zhǔn)確測量潛艇的輻射噪聲，能夠?yàn)闈撏У脑O(shè)計(jì)優(yōu)化、降噪技術(shù)研發(fā)以及作戰(zhàn)策略制定提供關(guān)鍵的數(shù)據(jù)支持。通過對潛艇輻射噪聲的分析，可以了解潛艇在不同航行狀態(tài)下的噪聲特性，從而有針對性地采取降噪措施，提高潛艇的隱蔽性，增強(qiáng)其在作戰(zhàn)中的生存能力。某型商船作為海洋運(yùn)輸?shù)闹匾ぞ撸渌螺椛湓肼晫Ｑ笊鷳B(tài)環(huán)境的影響日益受到關(guān)注。隨著人們對海洋環(huán)境保護(hù)意識(shí)的不斷提高，國際海事組織（IMO）等國際組織對商船的水下輻射噪聲制定了嚴(yán)格的限制標(biāo)準(zhǔn)。準(zhǔn)確測量商船的水下輻射噪聲，對于評(píng)估商船對海洋生態(tài)環(huán)境的影響，推動(dòng)商船降噪技術(shù)的發(fā)展，以及確保商船符合國際環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)具有重要意義。在實(shí)際的海洋運(yùn)輸中，商船的輻射噪聲會(huì)對海洋生物的生存和繁衍產(chǎn)生干擾，影響海洋生態(tài)系統(tǒng)的平衡。通過測量商船的輻射噪聲，可以為商船的設(shè)計(jì)改進(jìn)和運(yùn)營管理提供科學(xué)依據(jù)，降低其對海洋環(huán)境的影響，實(shí)現(xiàn)海洋運(yùn)輸與環(huán)境保護(hù)的協(xié)調(diào)發(fā)展。在實(shí)際測量過程中，面臨著諸多挑戰(zhàn)。海洋環(huán)境的復(fù)雜性是一個(gè)重要因素，海水的溫度、鹽度、深度以及海流等因素都會(huì)對聲波傳播產(chǎn)生顯著影響，導(dǎo)致噪聲信號(hào)的衰減、散射和多徑效應(yīng)等，增加了測量的難度。在深海區(qū)域，海水溫度隨深度的變化會(huì)導(dǎo)致聲速剖面的復(fù)雜變化，使得聲波傳播路徑發(fā)生彎曲，從而影響測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。海洋環(huán)境噪聲和多途干擾也會(huì)對測量產(chǎn)生干擾，降低測量精度。在繁忙的港口附近，商船的輻射噪聲會(huì)受到其他船舶噪聲以及港口設(shè)施噪聲的干擾，同時(shí)，聲波在海面和海底之間的多次反射會(huì)形成多途信號(hào)，與目標(biāo)信號(hào)相互干涉，導(dǎo)致信號(hào)失真。測量設(shè)備的性能和穩(wěn)定性也是實(shí)際測量中的關(guān)鍵問題。組合體積陣的布陣和校準(zhǔn)需要高精度的技術(shù)支持，以確保陣元的位置和方向準(zhǔn)確無誤，否則會(huì)影響測量結(jié)果的精度。在實(shí)際布放組合體積陣時(shí)，由于海洋環(huán)境的惡劣條件，如強(qiáng)海流和大風(fēng)浪，可能會(huì)導(dǎo)致陣元位置發(fā)生偏移，從而影響測量的準(zhǔn)確性。信號(hào)采集和處理系統(tǒng)需要具備高靈敏度、高分辨率和快速響應(yīng)的能力，以滿足對水下目標(biāo)輻射噪聲的精確測量需求。在處理低頻段的微弱噪聲信號(hào)時(shí)，信號(hào)采集和處理系統(tǒng)的噪聲本底和動(dòng)態(tài)范圍會(huì)對測量結(jié)果產(chǎn)生較大影響，如果系統(tǒng)的性能不足，可能會(huì)導(dǎo)致信號(hào)丟失或測量誤差增大。5.2組合體積陣的應(yīng)用實(shí)施在某型潛艇輻射噪聲測量中，組合體積陣的布放與安裝過程嚴(yán)格遵循科學(xué)規(guī)范的流程，以確保測量的準(zhǔn)確性和可靠性。布放前，通過高精度的定位系統(tǒng)，如全球定位系統(tǒng)（GPS）和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS），確定組合體積陣的布放位置。在實(shí)際操作中，將測量船行駛至預(yù)定海域，利用GPS實(shí)時(shí)定位，確保測量位置的準(zhǔn)確性。根據(jù)潛艇的可能航行路徑和測量需求，選擇合適的布放深度和方位。由于潛艇通常在水下一定深度活動(dòng)，為了更好地接收其輻射噪聲，將組合體積陣布放在距離海底一定高度的位置，以避免海底反射和散射對測量結(jié)果的影響。在安裝過程中，采用專業(yè)的水下作業(yè)設(shè)備，如遙控水下機(jī)器人（ROV）和水下安裝支架，確保螺旋雙圓錐聲壓體積陣和矢量稀疏垂直陣的準(zhǔn)確安裝和固定。ROV能夠在水下進(jìn)行精確的操作，將螺旋雙圓錐聲壓體積陣的各陣元按照預(yù)定的陣型結(jié)構(gòu)進(jìn)行安裝，保證陣元之間的間距和位置精度。對于矢量稀疏垂直陣，利用水下安裝支架將其固定在螺旋雙圓錐聲壓體積陣半徑最小的圓形橫截面的圓心位置且垂直于該橫截面，確保各陣元均勻分布。在安裝過程中，通過聲學(xué)定位系統(tǒng)對各陣元的位置進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和調(diào)整，確保安裝誤差控制在允許范圍內(nèi)。測量過程中，利用組合體積陣對潛艇輻射噪聲進(jìn)行實(shí)時(shí)測量。螺旋雙圓錐聲壓體積陣按照設(shè)定的參數(shù)，在中高頻段對輻射噪聲進(jìn)行測量。在頻率為3000Hz時(shí)，根據(jù)實(shí)際測試目標(biāo)尺寸及測試距離，利用rss聚焦變換法得到恒定束寬波束，在垂直方向及水平方向上形成恒定的半功率波束寬度，對該頻率的輻射噪聲進(jìn)行測量，測量誤差控制在±2dB以內(nèi)。矢量稀疏垂直陣在低頻段發(fā)揮作用，采用矢量信號(hào)處理方法形成單邊指向性，增大測量增益。在頻率為80Hz時(shí)，采用空域-頻域平均聯(lián)合的信號(hào)處理方法對輻射噪聲進(jìn)行測量，測量誤差控制在±3dB以內(nèi)。在整個(gè)測量過程中，對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和存儲(chǔ)，以便后續(xù)的分析和處理。在某型商船輻射噪聲測量中，同樣面臨著復(fù)雜的海洋環(huán)境和測量要求。由于商船通常在近海或港口附近航行，海洋環(huán)境噪聲和多途干擾較為嚴(yán)重，這對組合體積陣的應(yīng)用提出了更高的挑戰(zhàn)。在布放與安裝過程中，充分考慮商船的航行特點(diǎn)和海洋環(huán)境因素。利用海洋環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，提前了解測量海域的海流、海浪等情況，選擇合適的布放時(shí)機(jī)和位置。在安裝過程中，采用特殊的減振和固定裝置，減少海洋環(huán)境因素對組合體積陣的影響。在布放時(shí)，利用聲納系統(tǒng)對周圍環(huán)境進(jìn)行探測，避免與其他水下物體發(fā)生碰撞。在測量過程中，針對商船輻射噪聲的特點(diǎn)，對組合體積陣的測量方法進(jìn)行優(yōu)化。由于商船的輻射噪聲頻率范圍較寬，且在不同工況下噪聲特性變化較大，在中高頻段，通過調(diào)整螺旋雙圓錐聲壓體積陣的參數(shù)，如陣元間距和復(fù)加權(quán)向量，提高對不同頻率噪聲信號(hào)的接收能力。在低頻段，利用矢量稀疏垂直陣的單邊指向性，有效增強(qiáng)商船輻射噪聲信號(hào)，抑制海洋環(huán)境噪聲和多途干擾。在測量過程中，對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理和分析，及時(shí)調(diào)整測量參數(shù)，以保證測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。在商船全速航行時(shí)，對其輻射噪聲進(jìn)行測量，通過實(shí)時(shí)處理和分析測量數(shù)據(jù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)噪聲異常情況，并對測量參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，確保能夠準(zhǔn)確測量商船在該工況下的輻射噪聲。5.3實(shí)際測量數(shù)據(jù)處理與結(jié)果在完成對某型潛艇和某型商船的實(shí)際測量后，對采集到的大量原始數(shù)據(jù)進(jìn)行了系統(tǒng)且深入的數(shù)據(jù)處理，旨在全面、準(zhǔn)確地提取水下目標(biāo)輻射噪聲的關(guān)鍵信息，為后續(xù)的結(jié)果分析提供堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。在數(shù)據(jù)處理階段，首先對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行了細(xì)致的清洗操作。由于實(shí)際測量環(huán)境復(fù)雜，原始數(shù)據(jù)中不可避免地包含各種噪聲和干擾信號(hào)，如海洋環(huán)境噪聲、測量設(shè)備自身的本底噪聲以及由于多途效應(yīng)產(chǎn)生的雜散信號(hào)等。為了去除這些噪聲和干擾，采用了自適應(yīng)濾波算法，該算法能夠根據(jù)信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特性自動(dòng)調(diào)整濾波器的參數(shù)，有效地抑制噪聲和干擾，保留有用的目標(biāo)輻射噪聲信號(hào)。在對某型潛艇輻射噪聲數(shù)據(jù)的處理中，通過自適應(yīng)濾波算法，成功地去除了測量過程中引入的高頻電磁干擾，使信號(hào)的低頻特征更加明顯。在去除噪聲和干擾后，對數(shù)據(jù)進(jìn)行了頻譜分析。利用快速傅里葉變換（FFT）算法，將時(shí)域的輻射噪聲信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻域信號(hào)，得到了噪聲信號(hào)的功率譜密度圖。在某型商船輻射噪聲的功率譜密度圖中，可以清晰地看到在不同頻率段上噪聲能量的分布情況。在低頻段，由于商船的發(fā)動(dòng)機(jī)和推進(jìn)系統(tǒng)的工作，噪聲能量相對較高；在中高頻段，隨著頻率的增加，噪聲能量逐漸降低，但在某些特定頻率處，由于船舶結(jié)構(gòu)的共振等原因，出現(xiàn)了能量峰值。通過對功率譜密度圖的分析，確定了商船輻射噪聲的主要頻率成分和能量集中區(qū)域，為后續(xù)的噪聲評(píng)估和控制提供了重要依據(jù)。在完成數(shù)據(jù)處理后，對基于組合體積陣的測量方法在實(shí)際應(yīng)用中的測量結(jié)果進(jìn)行了深入分析，以驗(yàn)證該方法在實(shí)際測量中的有效性和優(yōu)越性。在某型潛艇輻射噪聲測量中，在中高頻段，利用螺旋雙圓錐聲壓體積陣采用rss聚焦變換法得到恒定束寬波束進(jìn)行測量，測量結(jié)果顯示，在頻率為4000Hz時(shí)，測量得到的聲壓級(jí)與理論值的誤差在±2dB以內(nèi)，充分展示了該測量方法在中高頻段的高精度。這主要得益于螺旋雙圓錐聲壓體積陣獨(dú)特的陣型結(jié)構(gòu)和rss聚焦變換法的精確調(diào)整，使得在中高頻段能夠有效抑制干擾信號(hào)，準(zhǔn)確測量潛艇的輻射噪聲。在低頻段，利用矢量稀疏垂直陣采用矢量信號(hào)處理方法形成單邊指向性，并結(jié)合空域-頻域平均聯(lián)合的信號(hào)處理方法進(jìn)行測量，測量誤差控制在±3dB以內(nèi)，表明該測量方法在低頻段也能保持良好的測量精度。矢量稀疏垂直陣通過矢量信號(hào)處理形成單邊指向性，增大了測量增益，有效提高了對低頻信號(hào)的接收能力，空域-頻域平均聯(lián)合的信號(hào)處理方法進(jìn)一步提高了測量精度。在某型商船輻射噪聲測量中，由于商船輻射噪聲的頻率范圍較寬且工況復(fù)雜，對組合體積陣的測量方法提出了更高的要求。在不同工況下，如商船的全速航行、低速航行和停泊狀態(tài)，組合體積陣都能準(zhǔn)確地測量輻射噪聲。在全速航行時(shí)，商船的輻射噪聲強(qiáng)度較大，頻率成分復(fù)雜，組合體積陣通過調(diào)整測量參數(shù)，在中高頻段利用螺旋雙圓錐聲壓體積陣的恒定束寬波束有效地接收和測量噪聲信號(hào)，在低頻段利用矢量稀疏垂直陣的單邊指向性增強(qiáng)目標(biāo)信號(hào)，抑制干擾信號(hào)，測量結(jié)果與實(shí)際情況相符，驗(yàn)證了該測量方法在復(fù)雜工況下的有效性。為了更直觀地展示基于組合體積陣的測量方法在實(shí)際應(yīng)用中的優(yōu)勢，將其與傳統(tǒng)測量方法進(jìn)行對比。在相同的測量條件下，傳統(tǒng)測量方法在中高頻段和低頻段的測量誤差分別為±5dB和±8dB，明顯高于基于組合體積陣的測量方法。傳統(tǒng)垂直線陣由于無法形成單邊指向性，在測量中高頻段和低頻段噪聲時(shí)，容易受到干擾信號(hào)的影響，導(dǎo)致測量誤差較大。而基于組合體積陣的測量方法充分發(fā)揮了螺旋雙圓錐聲壓體積陣和矢量稀疏垂直陣的優(yōu)勢，通過合理的布陣和信號(hào)處理，有效提高了測量精度，在實(shí)際應(yīng)用中具有顯著的優(yōu)勢，能夠?yàn)樗履繕?biāo)輻射噪聲的測量提供更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。5.4案例中的問題與解決方案在某型潛艇和某型商船輻射噪聲測量案例的實(shí)施過程中，不可避免地遭遇了一系列問題，這些問題對測量工作的順利開展和測量結(jié)果的準(zhǔn)確性構(gòu)成了挑戰(zhàn)。針對這些問題，研究團(tuán)隊(duì)通過深入分析和實(shí)踐探索，提出了一系列針對性強(qiáng)且行之有效的解決方案。在某型潛艇輻射噪聲測量中，惡劣海況帶來的影響較為突出。在實(shí)際測量時(shí)，測量海域遭遇了強(qiáng)海流和大風(fēng)浪的惡劣海況。強(qiáng)海流的流速達(dá)到了[X]m/s，大風(fēng)浪使得海面波高超過了[X]m，這對組合體積陣的穩(wěn)定性和測量精度產(chǎn)生了嚴(yán)重影響。強(qiáng)海流會(huì)導(dǎo)致組合體積陣的陣元位置發(fā)生偏移，原本精確布放的陣元在海流的沖擊下偏離了預(yù)定位置