基于兩級自適應線譜增強器的艦船輻射噪聲線譜檢測

石敏，徐襲，岳劍平

（1．水聲對抗技術重點實驗室，廣東湛江524022; 2.中國人民解放軍91388部隊，廣東湛江 524022）

0 引言

如何從艦船輻射噪聲中提取一種能反映目標本質特征的有效特征，一直是被動聲吶水下目標識別中的主要研究問題［1］。最常用的特征提取方法是對艦船輻射噪聲信號進行功率譜分析，提取線譜或連續譜特征。特別是其線譜與艦船推進系統、螺旋槳及輔機有關，能有效區分各類不同艦船輻射噪聲［2］。因此對艦船輻射噪聲的線譜進行檢測在水下目標識別中十分有用的。

通常情況下輻射噪聲線譜具有頻率低和相對強的寬帶背景噪聲屬于弱信號的特點［3］，采用一般的傅立葉變換方法很難檢測到強噪聲背景下的線譜成分。自適應譜線增強方法具有抑制噪聲，增強線譜的功能，適合于強噪聲背景下弱信號的檢測。但實驗發現僅通過一級ALE得到的信號中線譜增強不明顯，因此本文提出了基于兩級ALE的線譜檢測方法，仿真和實驗結果表明該方法較一級ALE方法更能實現線譜的有效檢測。

1 自適應線譜增強器基本原理

自適應線譜增強器（adaptive line enhancement，ALE）是在存在寬帶噪聲背景下將正弦信號或窄帶信號檢測出來的自適應譜估計技術，它無須獨立的參考信號，廣泛應用于頻譜估算、譜線檢測及窄帶檢測等領域［3－7］。圖1給出了ALE的原理框圖。

圖1中，x（n）為輸入信號;s（n）為正弦或窄帶信號;υ（n）為寬帶白噪聲。且

式中:L為自適應濾波器階數;ωi（n）為濾波器在n時刻的第i個權系數值。

圖1 ALE的原理框圖Fig.1Block figure of ALE

當延時Δ選為小于υ（n）的時間相關半徑而大于s（n）的時間相關半徑時，s（n）與s（n－Δ）相關，υ（n）與υ（n－Δ）不相關。當自適應地調整濾波器權系數，使誤差e（n）的均方差極小時，自適應濾波器的輸出y（n）中的寬帶噪聲成分極小，而其正弦或窄帶成分接近輸入信號x（n）中的正弦或窄帶成分s（n），從而實現了線譜增強，即輸出y（n）為s（n）的最優估計，e（n）為υ（n）的最優估計。

令

則根據最小均方（Least Mean Square，LMS）算法計算權系數ωi（n）的步驟為［8］:

其中:μ為自適應學習步長，且0＜μ＜1/λmax，λmax為X（n）的自相關陣RXX的最大特征值。

2 兩級自適應線譜增強器原理

兩級ALE是在一級ALE的基礎上，將延時信號x（n－Δ）與誤差信號e（n）相減后作為第2級ALE的輸入。其具體框圖見圖2。含噪信號x（n）=s（n） +υ（n）經一級ALE后得到信號估計s^1（n）和誤差信號ν^1（n），然后將x（n）的延時信號x（n－Δ）與ν^1（n）相減作為第2級ALE的輸入，最后得到兩級ALE的輸出信號s^（n），它將原信號x（n）的線譜進一步增強。

圖2 兩級ALE結構圖Fig.2Block figure of two-lever ALE

3 算法仿真

仿真信號為

式中:A1=1，A2=0.5，A3=0.3;f1=20 Hz，f2= 50 Hz，f3=75 Hz;φ1=0，φ2=0，φ3=π/3;ν（t）為高斯白噪聲，信噪比為－4.5 dB，信號采樣率為1000 Hz。圖3給出了采用一級ALE和兩級ALE對該信號線譜進行檢測的結果。圖3（a）為原始信號，（b）、（c）和（d）分別為原始信號的功率譜圖、信號經一級ALE后輸出信號的功率譜圖及信號經兩級ALE后的功率譜圖。從圖3可明顯看出，兩級ALE比一級ALE對線譜檢測更準確。

圖3 仿真信號及其線譜分析Fig.3Emulation signal and its line spectrum analysis

4 實驗驗證

采用某艦船輻射噪聲的線譜檢測來驗證兩級ALE算法。圖4為輻射噪聲及其線譜檢測結果。由圖可見，兩級ALE算法可準確檢測出艦船輻射噪聲的線譜。

圖4 實測信號及其線譜分析Fig.4Test signal and its line spectrum analysis

5 結語

本文在一級自適應線譜增強器的基礎上，提出采用兩級自適應線譜增強器對艦船輻射噪聲線譜進行檢測。仿真和實驗結果表明兩級ALE較一級ALE在輸入信號信噪比較低時更能實現線譜的準確測量。

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