[发明专利]声接收基阵被动宽带检测中的噪声场数值计算方法

说明书

技术领域

本发明涉及换能器基阵领域，尤其是一种噪声场的计算方法。

背景技术

获得良好的声接收基阵被动宽带检测性能是基阵设计的重要目标之一，具体讲就是提高声接收基阵对于湮没在噪声背景中的微弱信号检测能力。通常情况下，由于噪声的存在，基阵接收数据的信噪比较低，被动宽带检测性能被削弱。提高检测性能的目的就是在于保持期望方向上信号响应一定的同时减小噪声的干扰。传统的检测理论一般假设噪声场为均匀噪声场，但是这一假设明显偏离实际情况。因此，基于宽带检测性能的基阵设计离不开基阵中各个阵元上噪声接收信息的详细知识，真实度高的噪声信息的获取是获得良好的被动宽带检测性能的前提条件之一。

声接收基阵承受着近场或远场离散噪声源的干扰。海洋航行器的螺旋桨噪声、拖曳线列阵的拖船噪声、在海洋多航行器环境下非目标产生的噪声等等都属于离散噪声源。当这些离散噪声源通过水声信道传到声接收基阵，从而形成干扰，削弱了基阵的被动宽带检测性能。针对声接收基阵承受离散噪声源干扰的情况，现有的噪声获取方法主要有三种。

第一种方法就是基于已有的声场计算模型(射线模型、抛物线模型、简正波模型等)计算离散噪声源在各个阵元上的噪声响应。这种方法主要针对远场离散噪声源，并且忽略基阵架或障板结构对于基阵接收噪声的散射作用，其特点是考虑海洋信道传播特性。但是在工程实际中，特别是存在近场离散噪声源的情况，由于基阵架或者障板结构对噪声源的散射影响，这种方法得到的基阵接收噪声响应与实际差别较大。

第二种方法就是建立声接收基阵以及基阵架或障板的几何模型，利用结构-声分析解析计算离散噪声源在各个阵元上的噪声响应。这种方法考虑了这些特殊结构对基阵接收噪声的影响，但是它仅适用于结构简单、规则的情况。例如球体、圆柱体等存在解析解的情况。一旦基阵架或障板的结构复杂，这种方法就会失效。

第三种方法就是直接利用试验的方法测量基阵各个阵元上的噪声响应。实际测量基阵噪声响应虽能反映基阵架或障板结构的影响，但由于测量工作需要在感兴趣的频段内多个频率点上进行测量，耗费大量的人力、物力；同时测量受到水声环境、人为操作误差和信号处理方法的影响，使得通过实际测量基阵噪声响应来完成对声接收基阵被动宽带检测性能优化设计变得非常困难，不能很好地推广使用。

发明内容

为了克服现有技术获取基阵离散噪声响应不够精确以及实际测量工作难以实现等不足，本发明提出了一种针对离散噪声源的噪声数值计算方法，针对存在离散噪声源干扰情况下的声接收基阵各个阵元上的噪声响应做出更加准确的预报，并将其应用于基于被动宽带检测性能的基阵设计中，以得到良好的被动宽带检测性能。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：

1.构建基阵几何模型。

针对具有复杂基阵架或障板结构的基阵，根据其实际尺寸大小进行实体建模。

2.划分单元网格

针对具有复杂基阵架或障板结构的基阵实体模型进行网格划分，以满足边界元计算方法的要求。网格划分时需将基阵的各个阵元以网格节点的形式建立在整个模型中，边界元的网格形状、大小要保持一致，对于边界元模型来说，通常假设在最小波长内有6个单元网格，也就是最大单元的边长要小于计算频率最短波长的1/6，或者要小于最高计算频率点处的波长的1/6。

3.确定分析方法

边界元方法一般分为直接边界元法和间接边界元法，二者的主要区别在于间接边界元法一般针对的模型是不封闭的结构，模型的内部和外部都有声场，而直接边界元法针对的模型必须是封闭的结构，声场只能在模型的一侧存在。在利用边界元方法计算散射声场之前，根据基阵的几何模型是否为封闭结构，我们选择其对应的分析方法。

4.设定噪声源模型

设定离散噪声源为点噪声源，向外辐射球面波。依据离散噪声源空间实际位置及大小设定相应参数，包括点噪声源的坐标位置以及声功率大小。

5.计算基阵噪声场

在噪声数值计算方法中，我们利用边界元法计算噪声源在流体介质中由于基阵架或障板结构所引起的散射声场的声压响应。具体分为以下五个步骤：

1)设定参量。设定流体介质和基阵架或障板结构的材料属性，包括材料的密度、弹性模量、泊松比以及声波的在流体介质中的速度。材料参量设定必须与实际情况相符，材料参量的准确与否关系到计算结果的准确性。