Page 44 - 《应用声学》2020年第4期

530 2020 年 7 月

2.1 直达噪声传播模型 方的虚源 B，建立虚源到达舷侧阵的海面反射噪声
直达噪声模型建立如图 3 所示，以两舷侧阵中 传播模型，如图4 所示。在三维直角坐标系 O-XY Z
心为坐标原点 O，建立 O-xyz 舷侧阵坐标系，其中 中，O-XY 平面与海平面平行，其中 X 轴指向 UUV
x 轴指向 UUV 艏部方向，z 轴垂直纸面向外，两舷 艏部方向，Z 轴垂直海平面向上，原点与舷侧阵坐
侧阵和尾部自噪声源 A 始终位于同一平面内且相 标系重合。实际中，UUV 运动伴随着纵倾角和横滚
互平行。舷侧阵为均匀线列阵，阵列长度为 L，有 角的存在，图 4 中 α 为纵倾角，γ 为横滚角，设 UUV
L = (M − 1)d，舷侧阵到达 x 轴的距离为 r，将A 视 艏部上仰时纵倾角为正，右倾时横滚角为正，则舷侧
作点声源，A与1号阵元在x轴方向上的距离为R。 阵坐标系 O-xyz 与O-XY Z 存在如图 4 所示的坐标
旋转关系。h 为 UUV 的航行深度，即原点 O 到海面
y
的距离。
R L z
d
B
z Z
x
A O r y
φ θ β ๒᭧
h γ Y x
  ⊲⊲⊲ M
α
图 3 直达噪声传播模型 O M X
⊲⊲⊲
A 
Fig. 3 Model for the direct propagation of noise 
๒अ
UUV左右舷侧阵关于 x轴对称，以右舷侧阵列
图 4 纵倾角与横滚角存在下的补偿模型
为例，从图3可得A的坐标为 ˜ a = (−L/2−R, 0, 0) ，
T
Fig. 4 Modified model with the existence of pitch
第m号阵元的坐标为
angle and roll angle
( L ) T
˜
T m = − + (m − 1) d, −r, 0 ,
2 考虑到纵倾角和横滚角的影响，舷侧阵坐标系
m = 1, 2, · · · , M. (11) 下的坐标可以通过旋转矩阵转换到 O-XY Z 坐标
系下，旋转矩阵 [13] 为
对远场目标的探测采用远场平面波的假设，  
在对舷侧阵接收信号进行波束形成时，近场的  cos α 0 sin α 


干扰也会在方位谱中呈现出来。目标的方位角 R xz =  0 1 0  ,
 
θ ∈ [−90 , 90 ] 定义为声源指向线列阵中心的向量 − sin α 0 cos α
◦
◦
与y 轴的夹角，图3 中ϕ 和β 是 A分别指向第 1 号阵  
1 0 0
元和第 M 号阵元的向量与 y 轴的夹角。显然，当采  


R yz = 0 cos γ sin γ . (13)
用平面波假设的常规波束形成进行方位估计时，A  
ˆ
所在的方位介于β 和ϕ之间，设其方位估计值为θ A ， 0 − sin γ cos γ
ˆ
有β < θ A < ϕ，根据阵元坐标和A的坐标可得
˜
舷侧阵坐标系下第m号阵元的坐标T m 通过旋
r
 ( )
 β = atan − , 转矩阵，可以得到O-XY Z 坐标系下的表达形式：

R + L
(12)
( ) ˜
 r T m = R yz R xz T m . (14)

ϕ = atan − .
R
A的坐标位于X 轴上，因此不受横滚角的影响，
式 (12) 表明直达噪声在 ϕ 和 β 之间产生干扰，且该
但与纵倾角有关，通过旋转矩阵R xz 可得
方位区域只与UUV的平台设计参数有关。
2.2 海面反射噪声传播模型 a = R xz ˜ a
T
海面反射噪声模型采用虚源理论，假设海面反 = (− (L/2 + R) cos α, 0, − (L/2 + R) sin α) .
射为镜面反射，不考虑反射损失，将A映射到海面上 (15)