基于軸頻電場線譜特征的目標(biāo)檢測及識別

趙文春，姜潤翔, 喻鵬，張伽偉

(1.海軍工程大學(xué) 電氣工程學(xué)院，湖北 武漢 430033；2.海軍工程大學(xué) 兵器工程學(xué)院，湖北 武漢 430033)

0 引言

艦船在海水中航行時(shí)，在螺旋槳的調(diào)制作用下會在其周圍生成軸頻電場信號[1-2]。時(shí)域上，軸頻電場信號幅值通?？蛇_(dá)微伏每米級別的量級；頻域上，軸頻電場信號為低頻線譜，其能量主要集中在0.5～30 Hz(基頻與螺旋槳轉(zhuǎn)動頻率一致)。鑒于以上特點(diǎn)，軸頻電場信號廣泛應(yīng)用于水中目標(biāo)的檢測[3-5]。一方面，軸頻電場的頻譜特性與艦船的軸系結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，由于不同類型艦船的軸系結(jié)構(gòu)差別較大，為利用軸頻電場信號識別艦船提供了基礎(chǔ)；另一方面，為了提高艦船的隱身性能，通常采用主動軸接地技術(shù)來降低軸頻電場信號[6-7]，軸頻電場信號強(qiáng)度可降低90%以上，大大增大了利用軸頻電場信號檢測艦船的難度，因此需要研究低信噪比條件下艦船軸頻電場信號的檢測與識別技術(shù)。

目前，國內(nèi)外學(xué)者的研究重點(diǎn)在于軸頻電場信號的檢測，而在利用軸頻電場信號特征對目標(biāo)識別方面的研究相對較少。現(xiàn)有檢測方法主要采用匹配濾波、能量檢測、小波分解等技術(shù)[8-12]，匹配濾波需要目標(biāo)信號的先驗(yàn)信息，在實(shí)際中往往難以確定信號的類型；能量檢測存在檢測效果受環(huán)境噪聲、目標(biāo)信號強(qiáng)度的影響較大，且門限值不易設(shè)定的問題；小波分解的方法計(jì)算量較大，不適用于水下低功耗檢測設(shè)備。為了解決低信噪比條件下的軸頻電場信號檢測難的問題，本文在大量海上實(shí)測數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上，提出基于軸頻電場線譜特征的自適應(yīng)門限檢測和識別方法。

1 艦船軸頻電場及其特性

當(dāng)金屬艦船在海水中時(shí)，電化學(xué)腐蝕電流和防腐電流都會經(jīng)海水流向螺旋槳，通過尾軸、大軸及其他機(jī)械線路等返回到船殼，如圖1所示，圖中ICCP為外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)。此回路的電阻抗RB會隨著螺旋槳軸承的旋轉(zhuǎn)發(fā)生周期變化，使流經(jīng)海水的電流受到調(diào)制。從而在艦船周圍產(chǎn)生以螺旋槳轉(zhuǎn)動頻率為基頻的時(shí)變電場信號，該電場稱為軸頻電場[1]。

圖1 軸頻電場產(chǎn)生原理Fig.1 Generating mechanism of shaft-rate electric field

一方面，軸頻電場的強(qiáng)度與軸地電阻波動、流經(jīng)螺旋槳的電流強(qiáng)度關(guān)系密切，不同艦船的軸頻電場信號強(qiáng)度差別可達(dá)數(shù)十倍；另一方面，軸頻電場信號強(qiáng)度近似與距離的3次方呈反比，同一艘艦船由遠(yuǎn)及近航行時(shí)，電場強(qiáng)度差別較大。一艘客輪通過時(shí)的軸頻電場信號時(shí)頻圖如圖2所示。圖2中0 dB對應(yīng)于1 μV/m，Ex、Ey和Ez分別為軸頻電場的3個(gè)分量，可以看出軸頻電場強(qiáng)度在150 s附近迅速增強(qiáng)。

除此之外，海流、潮汐、海浪運(yùn)動產(chǎn)生的感應(yīng)背景電場E是水下探測的主要干擾源[13-14]，有

E=-v×B，

(1)

式中：B為測量點(diǎn)的地磁場強(qiáng)度(T)；v為測量點(diǎn)水質(zhì)點(diǎn)的速度(m/s)。由(1)式可知，B、v的隨機(jī)性必然導(dǎo)致E的隨機(jī)性。

2 自適應(yīng)線譜能量檢測

由第1節(jié)分析可知，水下電場探測系統(tǒng)接收到的軸頻電場信號及海洋環(huán)境背景電場信號均具有隨機(jī)性，因此在采用能量檢測法對軸頻電場信號檢測時(shí)，難以確定信號的檢測門限。

2.1 檢測方法及步驟

為了解決上述問題，本節(jié)在借鑒雷達(dá)及聲信號自適應(yīng)檢測方法[15]的基礎(chǔ)上，提出基于自適應(yīng)線譜能量的軸頻電場信號檢測方法，信號檢測流程如圖3所示。

圖3 信號檢測流程Fig.3 Flow chart of signal detection

檢測步驟具體如下：

1)對固定時(shí)長(20 s左右)時(shí)間窗t0內(nèi)采集到的低頻電場信號x(t)進(jìn)行快速傅里葉變換(FFT)計(jì)算，得到x(t)的頻譜Xfft，去除Xfft中的直流分量，得到去直流FFT序列XFFT為

XFFT=[X0,X1,…,XN]，

(2)

式中：N為頻點(diǎn)數(shù)；Xi對應(yīng)的頻率為Fi，i=0，1，…，N.

2)對XFFT進(jìn)行能量歸一化，以提高動態(tài)觀測范圍(艦船由遠(yuǎn)及近航行通過探測節(jié)點(diǎn)時(shí)，其能量差別可達(dá)數(shù)十至上百倍，而在20 s左右的觀測時(shí)間內(nèi)其能量變化不大)，得到歸一化FFT序列為

(3)

(4)

式中：Median(·)為中值濾波運(yùn)算符(主要根據(jù)海洋環(huán)境噪聲頻譜計(jì)算自適應(yīng)浮動門限；Δ=[Δ0,Δ1,…,ΔN]為固定門限向量。相對于傳統(tǒng)信號檢測算法，由于檢測過程中XFFT是實(shí)時(shí)變化的，從而Xt是變化的，即Xt為自適應(yīng)門限。

(5)

式中：T為差值，T=[T0,T1,…,TN]，TN表示第N個(gè)頻點(diǎn)的檢測量與門限的差值。若Ti≥0，則有檢測標(biāo)識量Yi=1，否則Yi=0.

5)對T=[T0,T1,…,TN]進(jìn)行時(shí)間積分，以進(jìn)一步提高檢測的可靠性，積分特征P具有如下形式：

(6)

式中：[P0,P1,…,PN]分別為每個(gè)頻點(diǎn)的積分特征；M為積分時(shí)長；YN,t為第N個(gè)頻點(diǎn)在t時(shí)刻的疑似判別量。若在某時(shí)間窗M內(nèi)疑似線譜頻點(diǎn)出現(xiàn)的最大頻次Q大于某一設(shè)定值R，則判斷為疑似目標(biāo)出現(xiàn)；若連續(xù)若干秒時(shí)間t1內(nèi)均出現(xiàn)疑似目標(biāo)，則判斷目標(biāo)信號出現(xiàn)。

6)在檢測出目標(biāo)后，采集目標(biāo)檢測時(shí)刻內(nèi)的積分特征P并計(jì)算其均值，進(jìn)而計(jì)算目標(biāo)積分特征與數(shù)據(jù)庫中目標(biāo)積分特征S的歐氏距離D，以實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)信號的識別分類，其中：

(7)

(8)

式中：Fi、Fi-n為對應(yīng)的頻率點(diǎn)；n為頻率點(diǎn)間隔。

2.2 固定門限設(shè)定方法

由2.1節(jié)分析可知，Δ=[Δ0,Δ1,…,ΔN]和Q的大小對檢測算法影響較大，Δ=[Δ0,Δ1,…,ΔN]可通過仿真計(jì)算得到。由于在短時(shí)間(100 s)內(nèi)，0.5～30 Hz頻段內(nèi)，海洋環(huán)境背景噪聲近似為正態(tài)分布[9]，可令初始Δi=0，按照步驟1～步驟3統(tǒng)計(jì)高斯噪聲信號Xt的方差σ，并按照3σ準(zhǔn)則設(shè)定檢測固定門限Δ=[Δ0,Δ1,…,ΔN]，其中Δi=3σ. 仿真計(jì)算得到500組數(shù)據(jù)長度為512的高斯噪聲信號，取頻點(diǎn)數(shù)N=512、中值濾波器長度為5時(shí)，計(jì)算得到Xt的正態(tài)概率圖如圖4所示。

圖4 高斯信號Xt的正態(tài)概率圖Fig.4 Normal probability map of Gauss noise signal Xt

由圖4可發(fā)現(xiàn)，Xt近似服從正態(tài)分布，這為利用3σ準(zhǔn)則設(shè)定門限值提供了基礎(chǔ)，計(jì)算得到σ的平均值為1.981 0.

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了檢驗(yàn)第2節(jié)方法的有效性，利用2012年7月～8月于煙臺芝罘島附近(經(jīng)度121.433°，緯度37.589°，水深(20±3) m，海水電導(dǎo)率3.5 S/m)測量得到的軸頻電場信號進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)中，3個(gè)軸方向的電極距均為1 m，測量系統(tǒng)選用美國Analog Devices公司生產(chǎn)的AD8224低噪聲儀表放大器(頻率為0.1～10 Hz，噪聲峰- 峰值為40 nV)作為前置放大器，軸頻電場信號總增益為80 dB，系統(tǒng)測量帶寬為1～7 Hz(噪聲峰- 峰值<200 nV)，采樣頻率為20 Hz. 測試系統(tǒng)布置于航道附近，共獲取上百航次船舶通過時(shí)產(chǎn)生的電場信號。4艘不同類型船舶(信息見表1，航速為岸基測距儀測量及估算值)依次通過時(shí)的軸頻電場信號|E|如圖5所示(縱坐標(biāo)進(jìn)行歸一化處理)，一段時(shí)間內(nèi)的海洋環(huán)境電場數(shù)據(jù)如圖6所示(原始電場值)。

表1 4艘船舶信息Tab.1 Information of four ships

圖5 實(shí)測軸頻電場信號|E|Fig.5 Measured shaft-rate electric field signal |E|

圖6 實(shí)測海洋環(huán)境電場信號|E|Fig.6 Measured marine environment electric field signal |E|

由圖5可發(fā)現(xiàn)，4艘船舶通過時(shí)的軸頻電場信號強(qiáng)度差別較大，對其進(jìn)行短時(shí)傅里葉變換，得到對數(shù)時(shí)頻圖如圖7所示。由圖7可發(fā)現(xiàn)，若采用固定門限值對線譜能量特征進(jìn)行檢測，則由于能量特征差別20 dB以上，較低的門限值將導(dǎo)致虛警率提高，而較高的門限值則將導(dǎo)致檢測概率降低。

圖7 艦船通過時(shí)的對數(shù)時(shí)頻圖Fig.7 Logarithmic time-frequency diagram of ship

采用第2節(jié)方法對圖5和圖6所示的電場信號進(jìn)行檢測，取t0內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)為512(相當(dāng)于每段時(shí)間窗為25.6 s)，F(xiàn)FT變換的頻點(diǎn)數(shù)N=512，M=20，R=18，t1=30 s；Δi=5.946 6,i=0,1,…,N，圖5對應(yīng)電場值滑動檢測時(shí)計(jì)算得到的特征能量譜T如圖8所示。對比圖7和圖8可發(fā)現(xiàn)，采用自適應(yīng)門限判別后，在船舶出現(xiàn)時(shí)間段內(nèi)，線譜特征能量譜的信噪比明顯提高。此時(shí)，4艘船舶通過時(shí)的目標(biāo)檢測時(shí)刻分別為235.1～395.1 s、435.1～535.1 s、635.1～825.1 s和955.1～1 255.1 s. 假定目標(biāo)為勻速直線運(yùn)動，對4艘船舶的縱向探測距離分別為998.9 m、356.0 m、436.1 m和917.8 m(降低t1值探測距離將有所增加)。圖6對應(yīng)電場值滑動檢測時(shí)計(jì)算得到的特征能量譜T如圖9所示。由圖9可發(fā)現(xiàn)，海洋環(huán)境噪聲對應(yīng)的特征能量譜沒有明顯的線譜特征，未檢測到目標(biāo)信號。有目標(biāo)通過時(shí)，檢測時(shí)刻內(nèi)積分特征P的均值分別如圖10所示。由圖10可發(fā)現(xiàn)，這些船的積分特征P差別較大，為實(shí)現(xiàn)目標(biāo)信號識別奠定了基礎(chǔ)。

圖8 有目標(biāo)滑動檢測時(shí)的特征能量譜TFig.8 Characteristic energy spectrum T with target

圖9 無目標(biāo)滑動檢測時(shí)的特征能量譜TFig.9 Characteristic energy spectrum T without target

以圖10得到的積分特征P均值為先驗(yàn)信息，取W=10、Δf=0.391 Hz，分別計(jì)算10艘船舶兩兩之間對應(yīng)的歐氏距離，結(jié)果如表2所示。由表2可發(fā)現(xiàn)，不同船舶的歐氏距離差別較大，表明采用積分特征值能較好地實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)信號的分類。

表2 10艘船舶積分特征的歐氏距離Tab.2 Integral characteristics’ Euclidean distances of ten ships

圖11、圖12分別為2017年7月16日～18日渤海明珠號(見圖13)3次不同正橫距通過時(shí)的時(shí)域電場信號及其積分特征，其中，圖11中的縱坐標(biāo)進(jìn)行了歸一化處理，渤海明珠號3次通過時(shí)的正橫距分別為80 m、160 m、75 m. 由圖12可發(fā)現(xiàn)，對于同一艘船舶，其積分特征具有較好的一致性。取W=10、Δf=0.391 Hz，計(jì)算得到圖12(a)、圖12(b)、圖12(c)之間的歐式距離均為0，從而實(shí)現(xiàn)了對同一艘艦船軸頻電場信號的識別。

圖11 渤海明珠號軸頻電場信號Fig.11 Shaft-rate electric field of Bohaimingzhu ship

圖12 渤海明珠號積分特征Fig.12 Integral characteristics of Bohaimingzhu ship

圖13 渤海明珠號Fig.13 Bohaimingzhu ship

4 結(jié)論

為了實(shí)現(xiàn)對軸頻電場信號的可靠檢測，本文提出基于自適應(yīng)線譜能量信號檢測的方法，相比于傳統(tǒng)固定門限檢測法，該方法在頻域上采用浮動門限與固定門限相結(jié)合的方法對疑似線譜信號進(jìn)行檢測，并利用線譜特征之間的歐式距離實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的識別。對多艘船舶的試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證結(jié)果表明，所提方法能夠?qū)崿F(xiàn)對目標(biāo)信號的有效探測和識別。但是由于試驗(yàn)過程中未獲取同艘目標(biāo)不同航速時(shí)的軸頻電場信號，下一步研究工作的重點(diǎn)是構(gòu)建同一目標(biāo)不同航速時(shí)的線譜能量識別方法，并基于線譜能量實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的實(shí)時(shí)跟蹤。