艦船瞬態(tài)信號判別方法

經(jīng)驗人：孫 嶸

艦船瞬態(tài)信號判別方法

經(jīng)驗人：孫 嶸

為了實現(xiàn)艦船瞬態(tài)信號的分析與評價，首先要解決的是信號的有無、在哪等問題，為此本文擬通過瞬態(tài)信號檢測的方式來解決這一問題。傳統(tǒng)的瞬態(tài)信號檢測的方式多采用能量判別，即依據(jù)瞬態(tài)信號的“跳躍”特征進(jìn)行判斷，但是這一方法僅能判斷信號的跳變而無法判斷是否來源于艦船，基于此原因，本文基于似然函數(shù)比，利用信號匹配的方式，尋找最優(yōu)樣本函數(shù)，然后對最優(yōu)結(jié)果進(jìn)行似然比對，以似然函數(shù)最高者為判別輸出，仿真研究結(jié)果表明，該方法可以較好地判別瞬態(tài)信號的產(chǎn)生時刻和結(jié)束時刻。

艦船瞬態(tài)信號判別方法的實現(xiàn)

假設(shè)海洋環(huán)境噪聲服從高斯分布，在這一條件下的艦船瞬態(tài)噪聲的檢測問題主要是從艦船輻射噪聲N 點 DFT數(shù)據(jù)中獲取任意 M 點信號，該信號即為瞬態(tài)信號在輻射噪聲譜中所占的成分。由于瞬態(tài)信號的強(qiáng)弱程度未知，因此對這類似于檢測未知譜形狀的信號，學(xué)者Nuttal 提出了以下非參量 Power-Law 檢測方法，該方法基本原理是將獲取的艦船輻射噪聲時域信號中每間隔 N 個點分成一段，然后依次對每段數(shù)據(jù)利用（1）式進(jìn)行判別是否存在“躍變”信號。

上式中，Xk為艦船輻射信號x（t）的DFT計算結(jié)果中第k個點幅度的平方，即

（2）式中 T 為整段信號的積分時間，m 為非負(fù)實數(shù)。經(jīng)反復(fù)試驗驗證，學(xué)者Nuttal 提出 m = 2.5時瞬態(tài)信號的檢測性能最佳。因此，該方法的檢測統(tǒng)計量僅是周期圖譜值 m 次方的和，其不需要任何與待檢測信號相關(guān)的先驗知識，說明這一方法對艦船噪聲的先驗認(rèn)識依賴程度很低。

此外，上面闡述的 Power-Law 檢測方法需要對待檢數(shù)據(jù)首先進(jìn)行預(yù)白化處理，為了克服這一局限性，Nuttal提出了不需要預(yù)白化的恒虛警檢測表達(dá)式如下：

仿真研究

仿真算例1：100s的均值為0，方差為1的高斯白噪聲信號noise，作為信號的主要成分。根據(jù)信噪比的公式有

SNR為仿真信號的信噪比。噪聲功率是指白噪聲功率，即為白噪聲的方差，為1。由此可以計算出信號的功率。以最簡單的正弦信號為例，信號為，采樣率為8000HZ，可以計算出信號的幅值A(chǔ)，最終得到的信號為

為了更好的說明Power-Law檢測器的性質(zhì)，x（t）取得時間長度為2s，大于實際瞬態(tài)噪聲的時間長度。

圖1給出了典型瞬態(tài)信號時域波形圖，由圖可見，瞬態(tài)噪聲在中間時刻出現(xiàn)并呈現(xiàn)幅值隨時間逐漸衰減的趨勢。

先來討論兩種極端情況。當(dāng)瞬態(tài)信號的初始幅值很大時，極限情況為無窮大，根據(jù)信號比的公式，則此時此瞬態(tài)信號的信噪比為無窮大；當(dāng)瞬態(tài)信號的幅值衰減到很小時，極限情況為0，則根據(jù)信噪比公式信號的信噪比為無窮小。瞬態(tài)信號是時間非常短的信號，短時間內(nèi)信號的幅值就從極大衰減到極小，故無法說明檢測器在不同信噪比下的檢測性能，因此用短時間的穩(wěn)態(tài)信號來代替瞬態(tài)信號進(jìn)行檢測，可以很好的反應(yīng)出該檢測器在不同信噪比下的檢測性能。

本文在信號的信噪比分別是10dB、5dB、0dB、-5dB、-8dB和-10dB的情況下（這里信噪比大小是通過瞬態(tài)信號和混合局部時間段信號的方差來確定），對檢測器的性能進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果如圖2-圖7所示。每幅圖都分為上、中、下三幅小圖，分別為信號的時域圖、檢測器仿真結(jié)果圖和仿真結(jié)果的局部放大圖。圖中的最上面小圖的時域信號中，采樣頻率為8000HZ，信號的長度為100s，其中50s至52s的時間是仿真的瞬態(tài)信號和白噪聲信號的疊加。檢測器的窗長度為信號長度的1/100，窗口重疊率為50％。

圖1　典型瞬態(tài)信號時域波形

由圖2至圖7可以看出，在信號的信噪比很好的情況下，該檢測器可以很好的檢測出信號的出現(xiàn)時刻和持續(xù)時間。當(dāng)信噪比逐漸降低時，檢測器的性能開始逐漸下降，但是在信噪比為0dB甚至是-5dB時，仍能很好的對信號進(jìn)行檢測。當(dāng)信號的信噪比進(jìn)一步降低時，檢測器的性能明顯出現(xiàn)了不足，當(dāng)信噪比降低為-8dB時，檢測器的檢測性能已經(jīng)非常微弱，而當(dāng)信噪比進(jìn)一步降低為-10dB時，檢測器完全失效，不能檢測出該信號的出現(xiàn)時刻和持續(xù)時間。

圖2　信噪比為10dB的檢測結(jié)果

圖3　信噪比為5dB的檢測結(jié)果

圖4　信噪比為0dB的檢測結(jié)果

圖5　信噪比為-5dB的檢測結(jié)果

圖6　信噪比為-8dB的檢測結(jié)果

圖7　信噪比為-10dB的檢測結(jié)果

小結(jié)

通過上述仿真研究表明：基于似然函數(shù)比的瞬態(tài)信號判別方法可以較好地實現(xiàn)信噪比為-8dB以上的瞬態(tài)信號的判別，即能夠確定瞬態(tài)信號的起始時刻和結(jié)束時刻，這也為后續(xù)的艦船瞬態(tài)信號的分析與評價奠定了基礎(chǔ)。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.15.049