利用合成密集阵列降低拖曳声纳阵列的流噪声：理论与实验

《Digital Signal Processing》：Flow Noise Reduction in Towed Sonar Arrays Using Synthetic Dense Arrays: Theory and Experiment

　　郭一藏|周立生|徐欣然|白伟 中国湖北省武汉汉江国家实验室，430060 摘要拖曳式线性阵列声呐是船舶上用于远距离水下探测的重要系统。传统的拖曳式线性阵列通常采用较大的水听器接收区域以及粘弹性软管来抑制流噪声。其元件间距是根据工作频率的半波长来确定的，目的是减少环境噪声的影响。然而，在高速度运行时，流噪声会成为限制水下探测能力的主要因素。与相同频率的声信号相比，流噪声的波长更短，这会导致由于空间混叠而使信噪比下降。为了解决这一问题，我们提出了一种利用合成密集阵列来降低流噪声的方法。该阵列的声学部分由高频子阵列和低频子阵列组成。具体而言，高频阵列能够捕捉包含声信号和流噪声的声场的空间自相关函数，然后利用这些信息在低频阵列中相邻的水听器元件之间创建虚拟元件。这种方法能够形成密集排列的声学阵列，从而抑制混叠效应并提升对流噪声的抑制能力。实验验证结果支持了理论预测，证明了所提方法的有效性。引言拖曳式线性阵列声呐是船舶上用于远距离水下探测的重要系统[1]。流噪声是拖曳式线性阵列系统自身噪声的主要来源之一，在高速度运行时更是成为主导因素[[2],[3]]。在这种运行条件下，声呐阵列附近会形成湍流边界层，并与其发生相互作用。这种相互作用会产生噪声和振动，这些噪声和振动会通过声呐系统的外壳和内部填充液传播。系统内的水听器会检测到这些噪声，从而导致自身噪声水平上升。湍流边界层、外壳以及填充液之间的相互作用会产生两种噪声成分：呼吸波和伸展波。这些波在阵列中的传播速度低于声信号的速度[4]（大约为20米/秒到500米/秒），而声信号在水中的传播速度约为1500米/秒。因此，这些流噪声成分的波长小于相同频率下的声信号波长。传统的低频阵列是根据声学波长来确定元件间距的，以此来最小化环境噪声的干扰（例如1/2声学波长）。然而，这种方法不可避免地会导致在某些频率下出现采样不足和流噪声混叠现象。图1(a)展示了流噪声的波数-频率(k-ω)谱。该谱图中存在类似射线的图案，对应的是呼吸波，它们从零点开始，随着频率的增加逐渐衰减，如箭头所示。相比之下，传统的波束形成技术[5]或最小方差无失真响应波束形成技术[6]是在“声学锥”区域内工作的。该区域由来自前后端射方向的平面波图案界定，如图中的直线所示。具有不同到达方向角的平面波都处于声学锥区域内，它们的相速度由这些图案的斜率表示[[7],[8]]。由于呼吸波的传播速度较低，它们位于谱图中的声学锥之外。如图1(b)所示，当元件间距超过呼吸波波长的一半时，噪声能量会通过混叠进入声学锥，从而降低信噪比。为了减轻流噪声导致的性能下降，研究人员开发了多种方法，这些方法主要基于水听器和阵列的优化设计。Ko等人[9]提出增大水听器的接收区域，利用其空间滤波效应来抑制高波数的流噪声。Hull等人[[10],[11]]则提出了在软管内使用纵向和径向加强结构，这种方法在抑制呼吸波和伸展波的幅度方面显示出潜力。值得注意的是，当流噪声在拖曳阵列系统中成为主导噪声时，除了采用上述降噪方法外，本研究还提出了一种新方法：一种合成密集采样方法，可有效减轻流噪声。系统组成该声学阵列由两个不同的阵列组成：一个由N1个元件组成、元件间距为d1的低频段，以及一个由N2个元件组成、元件间距为d2的高频段。这两个阵列组合在一起被称为低频-高频(LF-HF)阵列，如图2(a)所示。在这种配置中，d1的值被设定为小于检测频率对应波长的一半，这样才能实现最佳的性能。流噪声的相关性分析考虑一下声呐对阵流噪声的响应，这种响应主要由幅度为σn的呼吸波构成。波数可由kb=ω/cb表示，其中ω=2πf为角频率。对于一个由N个元件组成、元件间距为d的超声阵列，其对呼吸波的响应向量可表示为asn=σnexp[?j(ωt?δ)]{1exp[jωdcb]exp[j2ωdcb]?exp[j(N?1)ωdcb]}T，其中δ∈[0,2π)表示呼吸波与阵列中的声信号之间的传播相位差。值得注意的是，尽管有方程……验证2025年4月，我们进行了实地测试以验证所提出的方法。图7展示了测试配置。拖曳式线性阵列通过拖缆与被动船舶相连，而该船舶又通过凯夫拉绳与绞盘相连。一个宽频声学源被放置在距离拖曳轨迹中点大约600米的位置。每次出海之前，机动船舶都会将拖曳式线性阵列拖到800米以外的位置。一旦到达指定位置，机动船舶就会脱离连接。结论为了解决拖曳式线性阵列系统中的流噪声混叠问题，我们提出在传统的低频阵列旁边放置一个高频子阵列，并利用空间插值算法来合成一个密集排列的声学阵列。所提方法的基本原理在于呼吸波和伸展波在波数域内的窄带特性。正是利用了这一特性，空间插值才能有效降低流噪声。相反，这种方法在其他方面的效果则不太明显。CRediT作者贡献声明郭一藏：写作——审阅与编辑，写作——初稿撰写，可视化，验证，软件，方法论，研究，正式分析。周立生：写作——审阅与编辑，指导，资源提供，资金获取，概念构思。徐欣然：项目管理，资金获取。白伟：项目管理，验证。数据声明本文所呈现的结果所依据的数据目前尚未公开，但如有合理请求，可从作者处获得。利益冲突声明作者声明自己没有已知的可能影响本文所述工作的财务利益或个人关系。