第1章 绪论
舰艇及水下航行器的声隐身性能是世界公认的衡量现代舰艇总体性能*重要的指标之一。随着科学技术的进步，舰艇及水下航行器的声隐身性能已经取得了长足进步，各国均推出了各种安静型、低噪声舰艇及水下航行器，其辐射噪声强度不断下降，水下辐射噪声级已经接近，甚至低于海洋环境噪声的水平。如何有效地对水下航行器噪声源进行精确定位与识别，并从频域和空间域上查明航行器各主要噪声源的来源与贡献大小，从而有针对性地采取减振降噪措施，成为安静型水下航行器研制、全生命周期噪声状态测试的一项关键技术（图1.1）。水下航行器噪声源中的强噪声源主要集中在中低频，且噪声源间耦合关系复杂，对噪声源定位识别算法的空间分辨率有较高的要求。目前，舰艇及水下航行器的水下噪声源定位识别技术还是以水声技术为主要手段，各国都非常重视该技术的发展，并结合各种信号处理技术，对其水下辐射噪声场进行测试与分析。
图1.1 潜艇噪声源测试定位识别
对于舰艇水下噪声特性测试及分析，遇到的**个问题就是如何获得声源的声辐射特性。目前，水下目标隐身技术的发展使得常规声场信息获取手段面临许多困难，而近年来出现的矢量水听器为解决这一问题提供了思路。矢量水听器[1-3]由声压水听器和质点振速水听器复合而成，它能够共点、同步测量声场的声压标量和质点振速矢量，使得联合处理声标量场和矢量场共同携带的环境与目标信息成为可能。同时，如果将矢量水听器组成阵列[4， 5]，在阵元个数较少的情况下，矢量阵的阵处理效果要优于常规水听器阵列。因此，矢量水听器的出现为声场信息的获取提供了便利。
在准确地获得声源的声辐射特性的基础上，另一个也是*为关键的问题是要准确地识别和定位噪声源，并重构声源的空间声场分布。20世纪70年代开始，两种声场分析算法—近场声全息和波束形成得到了广泛的研究与应用。与各种传统的声场分析和声源识别算法相比，这两种算法更加全面地利用了声场信息，即不仅利用了声波的强度信息，还利用了声波的相位信息，因此可以获得二维空间中任何感兴趣位置的声场信息并且具有更强的分辨能力。近场声全息（near-field acoustic holography，NAH）作为一种理论与实践紧密结合的声场处理技术，为我们提供了一种有力的工具。NAH技术是完全建立在声辐射理论（即声波的产生和传播理论）基础上的一种重要的声源定位和声场可视化技术，它可以在低频获得高分辨率的重构图像和丰富的声场信息。NAH从*初的平面、柱面等简单形状声源分析，发展到任意形状声源的分析，为理论上难以计算或无法计算的不规则形状、复杂结构的振动与辐射问题，提供有效的测量与分析手段。波束形成（beamforming，BF）是一种基于传感器阵列测量的信号处理技术。根据声波到达阵列各个阵元的声传播特性，阵列产生对观测声场的空间采样。波束形成可以将采集的声信号经过空域滤波等处理，绘制出离阵列一定距离的噪声源分布声图像，从而确定强噪声源空间位置分布，并判断各个噪声源强度的相对大小，从而达到对噪声源进行声学定位、贡献分析与识别的目的。
矢量水听器及其阵列技术可以准确地获得共点同步的声压标量和振速矢量，而近年来的一系列研究表明，近场声全息和近场聚焦波束形成在利用声压振速结合及利用声强的声场变换过程中，能获得更好的声源分布重构效果，效果十分明显。本书将近场声全息和波束形成各自优点与矢量水听器及其阵列技术相结合，对解决水下舰艇及水下航行器噪声源定位与识别技术难题提供了新的思路和算法，不仅具有丰富的理论价值，而且具有广阔的实际应用前景。
1.1 声全息与波束形成概述
1.1.1 声全息概述
全息术是为了记录和显示图像而把干涉与衍射理论结合起来的一门技术。全息术作为一种显示不可见辐射场的技术，是一种可以用来进行场重构的、非常直观的场研究手段，所以吸引了很多学者从事全息技术的研究。1948年，著名匈牙利物理学家、诺贝尔奖获得者Gabor[6]在从事电子显微镜的改进工作时，试图借助光学技巧来消除电子透镜像差对显微镜成像质量的影响，以期突破电子显微镜0.4nm的理论分辨率极限，提出全息技术的概念。1965年，Leith等[7]对Gabor提出的全息术进行了重要的改进，解决了Gabor全息术中存在孪生像的问题，并提出了Leith-Upatnieks全息术。全息照相术记录的是一个由稳定的参考光和经被测物体反射的光线之间的干涉图像，它可以通过捕获二维全息面上的信息重构出真实的三维图像，因而它可以提供更多的信息，可以更加直观地将被测物体图像和实际物体进行比较，也更加便于观察。至今全息术应用的范围越来越广，如电子全息术、X射线全息术、光全息术、微波全息术、声全息术等。
对于声全息术，由于声波与光波在传播特性上有相似的规律，所以这种波前重构原理同样适用于声波，只不过由于两种波的性质不同，它们形成与记录全息图的算法和材料及重构图像的方式也各有自己的特点，经过40多年的发展，声全息成为一种声场重构和可视化的有效技术。
1. 传统声全息
声全息以声辐射理论为基础，可以分为传统声全息和近场声全息，按成像距离的不同可以分为常规声全息、远场声全息和近场声全息。
根据瑞利的声辐射理论，声辐射的波动方程和电磁辐射的波动方程具有相同的形式，因而从数学意义上讲，两个方程的解是等价的，其中一个方程的解所具有的特性同样适用于另一个，也就是说声和光一样都具有波动性。常规声全息成像技术一般包括获得物体的声全息图和由声全息图重构物体可见像。为了获得物体的全息图，必须同时具备两束相干声波，一束照射到物体上透过物体后称为物波，另一束声波称为参考波，*后通过物波和参考波的干涉效应，得到重构物的可见像。传统声全息的全息图获取算法及重构算法与光全息类似，即*先借助于光学照相或数字记录设备记录物体辐射（或衍射）声压和相干参考波的干涉图（全息图），然后用一个适当的光源照射全息图或通过计算变换得到反映声压分布的三维像。传统声全息能用于结构振动研究和噪声源定位，但是由于全息图必须在离源几个波长以外（即在菲涅耳区）记录，所记录的数据只包含了声源辐射声波的低阶波数成分，因此丢失了很重要的另一部分幅度随距离按指数规律衰减的高空间频率的倏逝波（evanescent wave）信息成分，使重构分辨率受波长的限制。
20世纪70年代末，出现了远场声全息（far-field acoustic holography）算法。其特点是全息记录平面与全息重构平面的距离远远大于声波的波长，即其全息数据是在被测声源产生声场的辐射或散射声场的菲涅耳区和夫琅禾费区获得的。远场声全息通过包围源的全息测量面做声压全息测量，然后利用源面和全息面之间的空间场变换关系，由全息面上的复声压重构源面的声场，并可由此预报辐射源外任一点的声压、振速及声强。由于观察点离声源很远，声源和观察点声压之间的关系可以大大简化，因而具有计算简单的特点。但是，这种算法是通过测量离声源很远的声压场来重构源面声压及振速场的，要求全息面到源面的距离大于声源的尺寸，通常在几个波长的范围，其所记录的数据只包含了声源辐射声波的低波数成分，却丢失了高波数成分，与常规声全息一样，全息重构分辨率受到波长的限制，不适用于高分辨率的场合。
2. 近场声全息
在早期的声全息理论中，重构分辨率是受声波波长的限制，按瑞利判据其极限为半波长，由于不能提供足够的噪声源位置和噪声传播路径信息，因此其成像能力不能得到充分发挥。针对这一缺陷，1980年，Williams等[8， 9]提出广义声全息（generalized acoustic holography）的理论和算法，因该理论和算法的实现需要在被测对象的近场记录全息数据，所以人们常称其为近场声全息。近场声全息采用近场测量，通常全息面到源面的距离只是波长的几分之一，是在紧靠被测声源物体表面的测量面上记录全息数据。由于是近场测量，所以在测量系统的动态范围选取适当的情况下，除记录了声源辐射的传播波（propagating wave）成分，还可以充分地记录声场中随传播距离按指数规律迅速衰减的高波数或倏逝波成分，故其分辨率不受瑞利判据的限制，因此重构分辨率可以很高。
近场声全息是完全建立在声辐射理论（即声波的产生和传播理论）基础上的一种重要声源定位和声场可视化技术，它不仅可以识别和定位噪声源，也可以预测声源在声场中的辐射特性，为实际的噪声振动分析提供丰富的声源与声场信息，因而它既是比声强测量技术优越的声源定位技术，也是拥有常规声辐射计算功能的声场预测技术。凭借其算法简单、重构声场信息丰富、采样间隔受限小等特点，近场声全息已广泛地应用于水中低频噪声源的定位与识别、声源特性的判别、散射体结构表面特性及结构模态振动等的研究。
1.1.2 波束形成概述
波束形成是一种基于传感器阵列测量的信号处理技术，在雷达、声呐等阵列中具有广泛的应用。根据声波到达阵列各个阵元的声传播特性，声学阵列对观测声场进行空间采样。波束形成可以将采集的声信号经过时延及相移补偿、空域滤波、空间谱、声场逆变换等处理，绘制出离阵列一定距离的声源所在空间区域的噪声源分布声图像。
波束形成技术具有以下主要优点：①波束形成的应用条件较为宽容，并不要求阵列的孔径必须大于被测物体，也不需要限定声源与测量基阵之间的距离。仅是在实际应用中，为了获得较高的空间分辨率，在条件允许的情况下应尽可能地扩大基阵孔径和减小测量距离，适用于中高频、大尺寸噪声源或者不可以在接近表面位置测量的声源；②波束形成算法在阵列选取上十分灵活，可以采用规则或非规则阵列进行测量，可以在中高频段通过阵型优化手段，利用较少的声传感器达到较好的定位效果；③波束形成可以通过时延补偿手段解决宽带声源定位问题，算法简单易行且稳健性高，更容易满足实际工程应用的要求；④常规波束形成算法受到瑞利限的限制，对空间位置接近声源的空间分辨能力有限。为了获得更高的空间分辨率，需要提高分析频率、扩大基阵孔径或者减少测量距离。寻求具有更高分辨率的波束形成算法对于提高噪声源定位识别性能十分重要。波束形成算法扩展性强，易于与先进的高分辨空间谱估计、自适应波束形成等优秀阵列信号处理算法相结合，提高波束形成在噪声源定位识别中的应用效果。
需要注意的是，波束形成和近场声全息在对声源进行定位时，都是从接收到的声场信号来推算声源或是空间任意位置声场信息的工作，属于声学逆问题。从声场变换的角度来看，原始的声全息算法是一种无参数估计算法，而利用阵列信号处理的波束形成则是参数化估计算法。同时需要说明的是，波束形成算法对声场进行重构，不能得到各种声场参数的精确值，而只能反映声场中各声源强度大小的相对值，所以可以利用波束形成算法进行噪声源定位识别，但却不能精确地重构辐射声场。因此，综合利用两种算法在低频和中高频段重构声场信息丰富、分辨率高、信息处理灵活、测试效率高、工程实用性强等特点，发挥两者优势，并将两种算法互相补充，对解决水下复杂噪声源测试与分析实际应用问题具有非常重要的意义。
1.2 近场声全息发展概述
自诞生之日起，近场声全息就得到人们的普遍关注，并取得了一系列的研究成果和巨大进展。总结其发展历程，主要体现在全息算法的发展和全息测量算法的发展两个方面。
1.2.1 基于空间声场变换的近场声全息
针对传统声全息技术的局限性，1980年Williams和Maynard[9]提出了一种广义声全息的理论，由于该理论的测量要求非常严格，其测量面到源面的距离是波长的几分之一，在测量系统的动态范围选择适当的情况下，可以充分地记录测量全息面上声场的低波数和高波数成分，因此常被称为近场声全息。利用测量面上的声压、源面上的声压与格林函数的卷积关系，将二维快速傅里叶变换用于亥姆霍兹（Helmholtz）方程，实现空间域到波数域的快速变换，从而能由全息面上的声压重构得到源
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