艦船瞬態(tài)信號(hào)判別方法

經(jīng)驗(yàn)人：孫 嶸

艦船瞬態(tài)信號(hào)判別方法

經(jīng)驗(yàn)人：孫 嶸

為了實(shí)現(xiàn)艦船瞬態(tài)信號(hào)的分析與評(píng)價(jià)，首先要解決的是信號(hào)的有無(wú)、在哪等問(wèn)題，為此本文擬通過(guò)瞬態(tài)信號(hào)檢測(cè)的方式來(lái)解決這一問(wèn)題。傳統(tǒng)的瞬態(tài)信號(hào)檢測(cè)的方式多采用能量判別，即依據(jù)瞬態(tài)信號(hào)的“跳躍”特征進(jìn)行判斷，但是這一方法僅能判斷信號(hào)的跳變而無(wú)法判斷是否來(lái)源于艦船，基于此原因，本文基于似然函數(shù)比，利用信號(hào)匹配的方式，尋找最優(yōu)樣本函數(shù)，然后對(duì)最優(yōu)結(jié)果進(jìn)行似然比對(duì)，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(hào)的產(chǎn)生時(shí)刻和結(jié)束時(shí)刻。

艦船瞬態(tài)信號(hào)判別方法的實(shí)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(cè)問(wèn)題主要是從艦船輻射噪聲N 點(diǎn) DFT數(shù)據(jù)中獲取任意 M 點(diǎn)信號(hào)，該信號(hào)即為瞬態(tài)信號(hào)在輻射噪聲譜中所占的成分。由于瞬態(tài)信號(hào)的強(qiáng)弱程度未知，因此對(duì)這類似于檢測(cè)未知譜形狀的信號(hào)，學(xué)者Nuttal 提出了以下非參量 Power-Law 檢測(cè)方法，該方法基本原理是將獲取的艦船輻射噪聲時(shí)域信號(hào)中每間隔 N 個(gè)點(diǎn)分成一段，然后依次對(duì)每段數(shù)據(jù)利用（1）式進(jìn)行判別是否存在“躍變”信號(hào)。

上式中，Xk為艦船輻射信號(hào)x（t）的DFT計(jì)算結(jié)果中第k個(gè)點(diǎn)幅度的平方，即

（2）式中 T 為整段信號(hào)的積分時(shí)間，m 為非負(fù)實(shí)數(shù)。經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)驗(yàn)證，學(xué)者Nuttal 提出 m = 2.5時(shí)瞬態(tài)信號(hào)的檢測(cè)性能最佳。因此，該方法的檢測(cè)統(tǒng)計(jì)量?jī)H是周期圖譜值 m 次方的和，其不需要任何與待檢測(cè)信號(hào)相關(guān)的先驗(yàn)知識(shí)，說(shuō)明這一方法對(duì)艦船噪聲的先驗(yàn)認(rèn)識(shí)依賴程度很低。

此外，上面闡述的 Power-Law 檢測(cè)方法需要對(duì)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(cè)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(hào)noise，作為信號(hào)的主要成分。根據(jù)信噪比的公式有

SNR為仿真信號(hào)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(jì)算出信號(hào)的功率。以最簡(jiǎn)單的正弦信號(hào)為例，信號(hào)為，采樣率為8000HZ，可以計(jì)算出信號(hào)的幅值A(chǔ)，最終得到的信號(hào)為

為了更好的說(shuō)明Power-Law檢測(cè)器的性質(zhì)，x（t）取得時(shí)間長(zhǎng)度為2s，大于實(shí)際瞬態(tài)噪聲的時(shí)間長(zhǎng)度。

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

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

本文在信號(hào)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(guò)瞬態(tài)信號(hào)和混合局部時(shí)間段信號(hào)的方差來(lái)確定），對(duì)檢測(cè)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(hào)的時(shí)域圖、檢測(cè)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(shí)域信號(hào)中，采樣頻率為8000HZ，信號(hào)的長(zhǎng)度為100s，其中50s至52s的時(shí)間是仿真的瞬態(tài)信號(hào)和白噪聲信號(hào)的疊加。檢測(cè)器的窗長(zhǎng)度為信號(hào)長(zhǎng)度的1/100，窗口重疊率為50％。

圖1　典型瞬態(tài)信號(hào)時(shí)域波形

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

圖2　信噪比為10dB的檢測(cè)結(jié)果

圖3　信噪比為5dB的檢測(cè)結(jié)果

圖4　信噪比為0dB的檢測(cè)結(jié)果

圖5　信噪比為-5dB的檢測(cè)結(jié)果

圖6　信噪比為-8dB的檢測(cè)結(jié)果

圖7　信噪比為-10dB的檢測(cè)結(jié)果

小結(jié)

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

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.15.049