艦船輻射噪聲線譜檢測與分析*

單廣超 趙漢波

(1.海軍陸戰學院 廣州 510430)(2.國防科技大學電子科學與工程學院 長沙 410073)

艦船輻射噪聲線譜檢測與分析*

單廣超1趙漢波2

(1.海軍陸戰學院 廣州 510430)(2.國防科技大學電子科學與工程學院 長沙 410073)

結合經典功率譜和DEMON譜分析各自的特點,對艦船輻射噪聲線譜進行綜合分析。基于周期圖譜法進行艦船輻射噪聲功率譜估計,通過線譜與連續譜分離、取除虛警及歸并線譜,有效地對輻射噪聲功率譜中的特征線譜進行了提取,并結合DEMON譜分析了艦船輻射噪聲的調制效應和調制周期,獲得諸如艦船螺旋槳轉速、螺旋槳葉片數等不變的艦船物理特性,從而得到艦船輻射噪聲線譜比較全面的特性,為艦船的識別和線譜輻射噪聲的控制具有重要提供參考價值。

周期圖譜法; DEMON譜分析; 船舶輻射噪聲線譜

Class Number TP391.9; TN911.72

1 引言

艦船輻射噪聲的功率譜是由能夠反映隨機噪聲部分能量分布的寬帶連續譜和離散的窄帶線譜分量迭加而成的。其中,線譜作為艦船輻射噪聲中的重要成分,不僅能量集中且頻率穩定,而且通常分布在低頻段,往往與艦船上的某些機械振動特性相關聯,從而攜帶有重要的艦船特征信息。一方面,這些強線譜可以用來估計艦船的運動參數,通過高質量的線譜估計對目標進行識別分類,利用窄帶檢測系統提高被動聲納的作用距離,另一方面,譜特征必然直接與產生它們的現象有關,分析到線譜的準確頻率,就意味著可能找到該線譜產生源的振動周期,這無疑對艦船輻射線譜進行有源或無源控制提供了重要依據。國外海軍試驗表明,低頻線譜噪聲信號在海中可以傳播相當遠的距離[1]。現代艦船輻射噪聲中低頻線譜能量比較豐富和低頻信號遠距離傳播的事實,為低頻遠程探測系統的研究與發展提供了線譜檢測的依據。因此,檢測和控制艦船輻射噪聲中強線譜分量是一個十分重要的課題,無論是對保持艦船自身的隱蔽性還是遠距離探測目標都具有重要的意義,同時也可能為艦船的減震降噪帶新的進展。

目前,基于功率譜估計的特征提取和DEMON譜分析分別是水下目標特征提取的兩個重要方面。信號的功率譜反映了信號的許多重要特征,利用功率譜的連續譜特征和線譜特征進行目標識別和分類,是聲納、雷達、語音識別和噪聲分析等領域信號處理的重要內容[2～3]。然而,由于螺旋槳噪聲對空化噪聲等連續分量存在幅度調制現象,直接從艦船輻射噪聲功率譜無法得出螺旋槳的軸頻、葉頻等調制特征,因此,為了對艦船輻射噪聲線譜進行完整分析還需要通過DEMON譜分析對艦船螺旋槳軸頻等不變的物理特征進行分析。本文結合經典功率譜和DEMON譜分析各自的特點,對艦船輻射噪聲線譜進行綜合分析。通過線譜提取方法對輻射噪聲功率譜中的特征線譜進行提取,通過DEMON譜分析提取艦船輻射噪聲的周期調制譜,獲得諸如艦船螺旋槳轉速、螺旋槳葉片數等不變的艦船物理特性。

2 艦船輻射噪聲線譜理論模型

艦船輻射噪聲功率譜有兩種不同的類型:一種是在噪聲級上表現為連續譜的寬帶噪聲,連續譜可以采用寬帶平穩隨機過程擬合;另一種是具有非連續單頻噪聲,這種噪聲由出現在離散頻率上的線譜組成[4],機械振動及螺旋槳轉動都是周期性的振動源,所以用周期信號作為線譜模型是合適的[5]。艦船的噪聲可以表示為

(1)

式中,{x(t)}表示寬帶平穩隨機過程;{li(t)}表示初相位隨機的周期信號,i=1,2,3,…,n。

艦船噪聲的功率譜可以用下式計算:

(2)

式中:T為進行Fourier變換時截取的每一段信號長度,E表示集合平均,K表示信號段的編號。

式(2)是艦船噪聲譜在數學模型下的嚴格定義,即要有無窮多個信號段且每個信號段的時間長度趨于無窮,但實際上只能是有限長和有限數的集合平均。此時它的單邊功率譜估計為

(3)

式中,n為平均次數。

3 輻射噪聲特征線譜提取

利用現代功率譜和DEMON譜分析各自的特點,通過線譜提取方法對輻射噪聲功率譜中的特征線譜進行提取,通過DEMON譜分析提取艦船輻射噪聲的周期調制譜,確定螺旋槳的軸頻和葉頻,進而確定螺旋槳葉片數。

3.1 基于功率譜的線譜分析

功率譜估計方法一般分為兩大類[6]:經典譜估計和現代譜估計。經典譜估計是基于Fourier變換的功率譜估計方法,又可分為“間接法”和“直接法”。相對于間接法而言,直接法(也稱周期圖法),由信號序列的Fourier變換直接得到的,具有物理感念清晰、方法簡便、計算效率高及分辨率高等優點,但該方法估計出的線譜有偽峰,難以辨別特征線譜的真偽,這里通過選取合適的線譜分析參數,如信號段長度、平均次數、線譜檢測門限等參數,來克服這些不利因素的影響,進行線譜提取。

1) 連續譜與線譜分離

由于艦船輻射噪聲功率譜中不僅有線譜成分,也有連續譜噪聲和其它噪聲成分,并且部分線譜疊加在連續譜上,提取線譜特征時,若直接在含有連續譜的譜中提取,可能由于連續譜的趨勢走向引起誤判和漏判,因此需要先從整個譜中提取趨勢項,并減去該慢變化的趨勢項,再在剩下部分中提取線譜。

將慢變化分量看成是連續譜,需要采用背景噪聲平滑技術估計出連續譜和其他噪聲成分的變化趨勢曲線,通常背景噪聲平滑技術主要有:線性相位濾波器方法、雙通道分離窗算法、排序截短算法[7]、局部分段擬合方法[8]等。這里采用在空間域和頻率域都十分有效的高斯平滑濾波器提取連續譜分量的趨勢項,同時為了克服在信號邊界由于數據量小而導致的平滑失真的現象,因此針對連續譜兩段的局部區域,可采用最小二乘高階擬合進行對應趨勢項提取,從而得到精確的整個趨勢項。

2) 譜線提取

在得到連續譜的變化趨勢后,從原功率譜中減去這一變化趨勢,即得到拉平后的線譜圖。由于在該線譜圖中存在許多偽峰,對后續線譜特征的提取是非常不利的,所以還需要采用進一步的邏輯算法對“偽”線譜進行剔除,以凈化線譜。

首先,譜峰往往為所在局部區域為最大點,不可能出現在中間點上,由此剔除連續上升或連續下降中間點,只留下轉折點以得到初步簡化的線譜圖。可采用簡化方法為[9]:假設k-1、k、k+1三點的譜值分別為yk-1、yk、yk+1,求一階差分:Δyk=yk+1-yk,Δyk-1=yk-yk-1。若Δyk×Δyk-1<0,則可判定yk點為轉折點,保留該頻率位置。反之,若Δyk×Δyk-1>0,則yk為中間點,將其剔除。

其次,對于經過初步簡化的線譜圖進一步處理時,若單純依據卡門限的方法,會把一根線判成兩根線,所以需把小變化部分去掉。具體方法為:給定以門限值Δgate,對于任意一點yk,如果Δyk-Δyk-1<Δgate或Δyk-Δyk+1<Δgate,則yk不是線譜,應進行剔除,反之yk為線譜。

最后,對所剩下的局部最大點進行卡門限處理,將各局部最大點的均值乘一比例因子設為門限Δgate′,若yk-2-yk>Δgate′或yk+2-yk>Δgate′,且其頻率間隔小于3Hz,則yk不是線譜,將其剔除,反之保留。由此便可得到了艦船噪聲反而線譜分布。

3.2 DEMON譜分析

由于艦船螺旋槳噪聲存在“螺旋槳拍”現象,是周期調制譜,直接從艦船輻射噪聲功率譜中提取的線譜無法得知螺旋槳的軸頻、葉頻等調制特征,因此需要通過對高頻寬帶噪聲信號進行解調分析獲得線譜信息,即DEMON譜分析(Detection of Envelope Modulation on Noise)。艦船噪聲用周期性局部平穩過程作模型可表示為[10]

s(t)=(1+m(t))*x(t)

(4)

式中,x(t)為窄帶平穩高斯隨機過程,m(t)是調制信號,是慢變化的周期函數,它所在的頻域比x(t)所在的頻域要低的多。

通常利用DEMON譜對螺旋槳的軸頻信息進行分析的整個流程圖如圖1[11]所示。

圖1 DEMON譜分析流程圖

在上述流程圖中,由于通常在低信噪比背景噪聲下,輻射噪聲中連續譜分量可能將線譜成分淹沒,為此需要對接收到的艦船輻射噪聲進行帶通濾波以得到高頻輻射噪聲中的線譜成分。線性檢波有兩種方法,絕對值低通檢波和平方低通檢波。雖然兩種方法就極大多數樣本來說,沒有顯著的差別,但平方低通解調方法得到的DEMON譜具有更顯著的諧波特性。

4 數據處理與分析

為了結合經典功率譜和DEMON譜分析各自的特點,對實測的艦船輻射噪聲線譜進行綜合分析。下面采用某低速商船實測數據進行分析,為了去除不確定隨機誤差的影響,選取中間較穩定測量的信號,其長度為10.8s,采樣頻率為22kHz,采用周期圖譜法得到該商船的功率譜估計如圖2所示。

為了在線譜提取時,減小由于連續譜的趨勢走向引起的誤判和漏判,通過高斯平滑濾波得到的連續譜趨勢項如圖3所示。

圖2 商船輻射噪聲功率譜

圖3 連續譜趨勢項

從整個譜中減去連續譜趨勢項,將線譜與連續譜分離,得到拉平的線譜圖,如圖4所示。

圖4 拉平后的線譜

為了剔除噪聲中的虛假“線譜”,根據文中第3.1節的方法對拉平后的線譜進一步凈化線譜,選擇集中且能量穩定的線譜,根據文獻[9]的結論,平均均次數選擇3,門限值Δgate取6dB較合適。這里對所剩下的局部最大點進行卡門限處理時,取門限Δgate′為4dB。由此可得到該船線譜分布如圖5所示。

圖5 凈化后的線譜分布圖

前面通過基于周期圖的功率譜方法對艦船輻射噪聲中線譜成分進行提取與分析,有效剔除了過渡點,并對可能的偽線譜進行了剔除,得到了艦船噪聲譜中與艦船物理特性相關且穩定存在線譜分布,這可對艦船目標特性的檢測與輻射噪聲線譜的控制提供重要參考。同時,由于應用功率譜方法并不能從譜圖上看出艦船的軸頻、葉頻等調制特性,因此,為了對艦船輻射噪聲線譜進行完整分析,下進一步通過DEMON譜分析對艦船螺旋槳軸頻等不變的物理特征進行分析。相對于直接寬帶解調而言,采用窄帶解調平均后的DEMON譜效果更好,這里選取窄帶信號寬度為250Hz,從1kHz～4kHz共取8個窄帶,低通濾波截止頻率為100Hz,經過平方解調后的DEMON譜如圖6所示。

圖6 DEMON譜分析圖

在DEMON譜圖中可以清晰看到對應軸頻基頻和葉頻基頻及其諧波數。同時,由于該船航速較低,圖5中線譜數豐富且葉頻基頻諧波數較多,其中某些線譜也可能是機械噪聲成份。這樣通過對艦船輻射噪聲的DEMON譜分析,可以得出反應艦船有關物理屬性的節奏信息,即螺旋槳轉速和槳葉片數。

5 結語

本文結合經典功率譜和DEMON譜分析各自的特點,對艦船輻射噪聲線譜進行綜合分析。基于周期圖譜法進行艦船輻射噪聲功率譜估計,通過線譜與連續譜分離、取除虛警及歸并線譜,有效地對輻射噪聲功率譜中的特征線譜進行了提取,并結合DEMON譜分析了艦船輻射噪聲的調制效應和調制周期,獲得諸如艦船螺旋槳轉速、螺旋槳葉片數等不變的艦船物理特性,從而得到艦船輻射噪聲線譜比較全面的特性,為艦船的識別和線譜輻射噪聲的控制具有重要提供參考價值。

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Detection and Analysis of Ship Radiated-noise Line Spectrum

SHAN Guangchao1ZHAO Hanbo2

(1. Navy Marine-corps Academy, Guangzhou 510430) (2. Depantment of Electromic Science and Engineering, National University of Defense Technology, Changsha 410073)

According to the respective characteristics of classical power spectrum and DEMON spectrum, ship radiated-noise line spectrum is comprehensively analyzed. Based on periodogram algorithm, the spectral estimation of ship radiated-noise is made. After separating line spectrum and continuum spectrum, eliminating fasle alarm and censoring line spectrumm, characteristic line spectrum from the ship radiated-noise is effectivly extracted. Then, the periodic modulation of ship radiated-noise is analyzed in order to obtain the ship invariant physical speciality, such as ship propeller rotation, propeller blade-number, etc. In the end, the comprehensive line spectrum characteristics of ship radiated-noise is obtained, which has important reference value for ship recognition and controlling line spectrum radiated-noise.

periodogram algorithm, DEMON analysis, ship radiated-noise line spectrum

2014年4月7日,

2014年3月12日

單廣超,男,碩士,研究方向:潛艇戰術。趙漢波,男,博士研究生,研究方向:星基導航與定位技術。

TP391.9; TN911.72

10.3969/j.issn1672-9730.2014.10.034