基于DASP系統的水下航行器內噪聲監測技術研究＊

曲 豐 吳 磊 張 儀

（中國人民解放軍91388部隊92分隊 湛江 524022）

1 引言

隨著現代海戰模式的發展，水下航行器不僅要對付敵方的反潛水面艦船的攻擊，而且需要同時應對來自水下、空中和陸上的威脅。全面提高水下航行器攻防能力的一個關鍵技術，就是強化其綜合隱身性能。在目前的技術條件下，水下航行器隱身技術的重要手段是消聲和降噪。噪聲干擾不僅會影響到水下航行器的隱身性能，暴露我方目標，其振動也可能會影響艙內各種儀器儀表、設備的正常工作。因此，艙內噪聲問題日益引起了水下航行器設計工作者的關注［1］，噪聲頻率范圍和強度已經成為必不可少的戰技指標。各國在努力降低水下航行器噪聲的同時，相繼開發了噪聲實時監測系統，通過有效的測量和聲場特性的監測，及時、準確掌握水下航行器的艙內噪聲，不僅可以為水下航行器在戰時調整航行狀態、采取有效的規避措施提供依據，同時也可為本艇調整并且實施有效的對敵攻擊方案提供決策支持［2］。

2 DASP噪聲實時監測系統

基于噪聲實時監測技術的DASP（Data Acquisition and Signal Processing）系統是一套小型化的監測系統，可實現環境噪聲測量以及測量數據的分析和處理。該系統注重實用、內容豐富、功能先進，在爆破測試和地震信號測量等領域均有廣闊的應用前景［3］。

2.1 系統組成

測量系統［4］主要由24位信號采集分析儀、ICP聲壓傳感器、空氣壓力傳感器、聲壓校準器、聲級計、數據記錄器、數據分析處理機、高頻低噪聲電纜線以及儀器專用箱等組成，如圖1所示。軟件環境主要由DASP－V10工程版平臺軟件、聲學測試軟件、三測量技術和虛擬擴展通道采樣軟件、傳遞函數分析功能軟件、信號發生軟件、波形編輯處理軟件、工程測試檢定系統軟件等組成。

圖1 監測系統原理框圖

2.2 系統工作流程［5］

系統工作流程如圖2［6］所示。

系統上電后，運行DASP系統軟件開始工作。設置相關參數，初始化系統內核，若不需要采集數據，系統進入待機狀態。開始工作時點擊軟件界面上的采集按鈕進入信號采集部分，傳感器將采集的信號通過電纜傳輸至信號調理電路進行濾波、整流、放大處理，模數轉換電路將預處理后的模擬信號轉換為數字信號進行數據緩存，當緩存到一定容量后將數據傳送到硬介質中進行物理存儲，便于事后數據的進一步分析。若需要實時數據分析，則打開實時處理軟件，進行信號波形的實時顯示以及頻譜分析。事后數據分析處理時，DASP系統可調用存儲數據從時域和頻域等方面進行周期、相關性、功率譜的分析。

圖2 系統工作流程圖

3 主要數據分析處理方法

3.1 時變參量分析［7］

時變參量分析用于分析信號的某個參量隨時間變化的特性，例如對于變化的聲音信號，可以通過時變參量分析得到各個時刻的聲壓級，獲取聲壓級隨時間變化的曲線。時變參量分析從名義上看是分析信號在各個時刻的參量量值，但本質上是分析各個時刻開始的一個時間段內的參量量值。因此，在DASP的時變參量分析模塊中需要設置分析點數，對應分析的時間段，此外還要設置分析偏移，對應兩次分析（即兩個時間段開始點）的數據間隔。例如被分析數據長度為A個點，設置分析類型為有效值，分析點數為B個點，分析偏移為C點，則DASP將首先從第一點開始取B個點數據計算其有效值得到分析結果的第一個數據點，然后從第C點開始再取B個點計算有效值得到結果的第二點，再后則從第2×C點開始取B個點計算，依次進行，最后可以得到（A－B）／C個點的有效值－時間曲線結果。

3.2 相關分析原理

所謂“相關”是指變量之間的線性關系。對于確定性信號，兩個變量之間可以用函數關系來描述，對于兩個隨機信號之間就不具有這樣的確定性關系，但是通過大量統計就可以發現它們之間還是存在具有某種內涵的物理關系。通常相關分析用于研究兩個信號之間的相關性，如測定管道損傷位置、判定設備振動和噪聲與其部件振動的關系等。相關分析分為自相關分析和互相關分析兩種。

1）自相關分析：自相關函數是描述信號x（t）一個時刻的取值與另一個時刻的取值之間的依賴關系，其計算公式為

其中：Rx（τ）為相關函數，x（t）為要分析的信號序列，τ為時間延遲。通常使用相關系數來描述相關性，更具有對比性和方便性。DASP系統提供的就是相關系數函數，定義如下：

其中：μx為均值為方差。

2）互相關分析：互相關函數是對兩個信號x（t）和y（t）進行分析的，描述x（t）一個時刻的取值與y（t）另一個時刻的取值之間的依賴關系，其計算公式為

同樣，互相關系數的定義如下：

4 實測數據分析

在某海域，水下航行器水下勻速直航，利用DASP系統進行了水下航行器艙室內噪聲實時監測測量。測量條件：海況三級以下，外部環境噪聲對艙室內干擾可以忽略。截取實時監測中的一段數據進行分析。通過時變參量分析方法可以分析出這段數據中噪聲的最大值，如圖3所示［8］。

圖3 實測數據時變參量分析圖

對這段噪聲數據進行自相關分析，可以看出自相關系數大于0.5，則表明該信號中含有周期成份，具體情況如圖4所示［8］。

圖4 實測數據自相關分析圖

通過互相關分析研究系統的時間滯后性質，對系統兩個采集通道的輸出信號進行自相關計算，利用互相延時和能量信息可以對傳輸通道進行分析識別，如圖5所示［8］，互相關系數為0.35，表明噪聲中含有確定性信號，可能來自艙室中某一確定設備的振動噪聲。進一步分析時，可對水下航行器航速、航深進行調整，結合發射武器時的工況［9］，用DASP系統進行噪聲實時監測。并在測量的過程中，改變傳感器的位置，將采集的多組數據進行分析對比，就可以初步確定較高能量的噪聲具體源于該設備的某部件，為設備下步的結構改進提供一定的參考依據［11］。

圖5 實測數據互相關分析圖

5 結語

本文在介紹基于噪聲實時監測技術的DASP系統組成原理和工作流程基礎上，利用海上實測數據，運用數據處理方法進行了驗證。結果表明，該系統能對水下航行器內噪聲信號實時監測和顯示，并對隨機信號中的確定性成份進行準確、可靠的識別。其深入研究將為國內更精密水下航行器噪聲監測系統的開發提供一定的參考，同時可為水下航行器的降噪提供數據支持，具有明顯的軍事價值。

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［8］胡廣書.數字信號處理理論、算法與實現［M］.北京：清華大學出版社，2003：460－520.

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