艦船地震波數據分析

車振

【摘要】本文利用功率譜分析、短時傅立葉變換方法對艦船地震波數據進行了分析，得出了“艦船地震波具有良好的‘通過特性、較明顯的頻譜特征和較好的區域特性”的結論，表明艦船地震波在引信技術中具有較好的應用前景。

【關鍵詞】艦船;引信;地震波

1.引言

地震波指由于地震活動而引起的經由大地傳播的極低頻聲波，艦船地震波指由于艦船航行而引起的通過海底傳播的低頻聲波[2，3]。在淺水區，由于海洋混響和多途效應的影響，艦船水聲信號傳播非常復雜，對水中兵器引信提出了較大挑戰。地震波沿海底傳播，損耗小，傳播距離較遠，可以作為一種較理想的艦船物理場[1]。艦船地震波的來源主要是艦船噪聲，包括機械噪聲、螺旋槳噪聲和水動力噪聲。

2.譜分析

2.1 功率譜

功率譜是譜分析中一種常用方法。自相關函數間接地給出了隨機過程中的頻率信息，根據自相關函數的傅立葉變換及其逆變換，并依據自相關函數的定義，可得到：

（1）

式中：為隨機過程;Wi（f）為等效的單邊譜密度函數，f為頻率。

由式（1）能夠看出，的均方值由譜密度Wi（f）對f下的面積來確定。一般意義上，功和能量與振幅的平方成正比，所以譜密度Wi（f）可以看作隨機信號在單位頻帶內的諧波分量的能量按頻率f分布的度量，稱為功率譜密度函數。

2.2 短時傅立葉變換

用一個在時間上可滑動的“窗”來進行傅立葉變換，可實現在時域和頻域上均具有較好局部分辨力的分析方法，即短時傅立葉變換。h（t）是中心位于且寬度有限的時窗函數，x（t）是通過h（t）觀察到的平穩信號，加窗信號的傅立葉變換即短時傅立葉變換，表示如下：

（2）

式中：STFT是將信號x（t）映射到時頻平面上的二維函數。隨著的變化，h（t）所確定的時窗在時間軸上滑移，對信號進行分段截取，將其轉化為若干段局部平穩信號，分別進行傅立葉變換后得到一組信號的局部頻譜。從不同時刻局部頻譜上的差異便可得到信號的時變特征。反映了x（t）在時刻的頻率為f的信號成分的相對含量。

3.艦船地震波

作者利用自研的地震波傳感器在湖上開展了測試試驗，傳感器布深20m，采樣率為100Hz，被測目標為100t的民用船只。目標直線航行，其中三個航次的數據如圖1～圖3所示。圖中，橫軸為時間（采樣點數），縱軸為幅值;紅線指示目標通過正橫的時刻。對數據的最大值進行分析，如表1所示。

可見，地震波振幅與距離之間具有較強的相關性，即距離越遠振幅越小，這也符合直觀理解。

4.結果分析

4.1 曲線擬合

對地震波數據取絕對值，利用鐘形信號對其進行擬合，結果如圖4～圖6所示，橫軸為采樣點數，縱軸為信號幅度。可以看出，艦船地震波具有非常良好的“通過特性”，許多傳統的引信技術[4]可以直接類比應用到地震波引信中。

表1 地震波振幅對比表

航次 最大振幅（單位：μg） 正橫距離（單位：m）

1 96.03 11.34

2 41.40 44.24

3 26.66 61.03

4.2 功率譜分析

航次1～航次3的功率譜如圖7～圖9所示，橫軸為頻率，縱軸為幅度。可以看出艦船地震波具有“連續譜+線譜”的特征，具體的處理方法可以借鑒水聲信號處理技術。針對本次的被測目標，可以看出在5Hz和10Hz處有兩個較大的峰值，識別特征明顯。

4.3 短時傅立葉變換分析

航次1～航次3的短時傅立葉變換結果如圖10～圖12所示，橫軸為時間，縱軸為頻率。可以看出，在被測目標通過正橫時刻的前后具有明顯的陰影區，表明地震波具有較好的區域特性。

5.結束語

本文利用曲線擬合、功率譜分析和短時傅立葉變換方法對艦船地震波數據進行了初步分析，結果表明：地震波具有良好的“通過特性”、較明顯的頻譜特征和較好的區域特性，非常適合作為引信的信息源使用。

參考文獻

[1]葉平賢，龔沈光.艦船物理場[M].北京：兵器工業出版社，1992.

[2]陳云飛等.航行艦船地震波及其在水中目標探測中的應用[J].艦船科學技術，2005（3）：62-66.

[3]董立等.地震波引信設計方案的探討[J].探測與控制學報，2008（5）：4-6.

[4]蔡鹍.水雷引信技術[M].北京：國防工業出版社，2012.