矢量線陣目標調制譜提取及模板生成方法

王易川 李海濤 陳 喆

(海軍潛艇學院 青島 266199)

0 引言

船舶輻射噪聲調制譜(DEMON 譜)由連續譜和線譜兩部分組成。普遍認為，DEMON 譜線譜的物理意義基本比較明確，而連續譜尚未有比較明確的物理解釋。船舶輻射噪聲DEMON譜線譜由軸頻線譜、軸頻諧波線譜、葉頻線譜、葉頻諧波線譜按一定規律分布組成，其中穩定的線譜主要由基頻及其諧波組成[1?2]。雖然現代軍用船舶降噪技術發展使得這種節奏有所減弱，但對于海上航行的大多數船舶來說，船舶輻射噪聲在聽覺感覺上仍然具備節奏特性。基于DEMON譜特征的槳葉數識別也是船舶輻射噪聲特征提取的重要組成部分[3]，對于艦船噪聲識別研究具有重要意義。穩定的目標DEMON譜有利于后續槳葉數的識別，如何獲取目標DEMON譜模板國內目前研究較少。矢量水聽器可同步、共點拾取聲場的聲壓和質點振速信息[4]，提供較傳統聲壓水聽器更多的信息量。在單矢量水聽器低頻線譜和DEMON譜提取研究方面，國內學者做了很多研究工作[5?7]。由矢量水聽器組成的矢量線陣(Vector senor line array, VLA)在信號檢測和方向估計方面更有優勢，VLA的波束域信號相比于單矢量水聽器信號，信噪比更高，干擾較小，對于目標檢測識別有更好的作用。

VLA 一定程度上可以解決目標方位估計的左右舷模糊問題，但是在左右舷對稱角度均存在目標的時候，波束域信號中會同時包含兩個目標的特征，造成跟蹤波束信號特征的左右舷模糊問題。為了有效地將VLA 跟蹤目標DEMON 譜提取出來，更好地用于后續螺旋槳轉速提取和槳葉數識別，本文研究了VLA 波束域信號的DEMON 譜提取方法和DEMON譜模板的生成方法。

1 DEMON譜提取流程

文獻[8]基于VLA 最小方差無畸變響應(Vector array minimum variance distortionless response, VTAMVDR)算法實現了對跟蹤目標的聽測，在提取得到的聲壓和振速信號的基礎上，研究了VLA 跟蹤目標低頻線譜的提取問題。本文是該研究工作的進一步延續，研究了VLA 跟蹤目標的DEMON 譜特征提取，DEMON 譜特征提取流程如圖1所示。

圖1 VLA 跟蹤目標DEMON 譜提取框圖Fig.1 DEMON spectrum extraction block diagram of VLA tracking target

DEMON譜特征提取流程為

(1)對聲壓、振速通過中心化預處理并且經過帶通濾波分別得到信號p(t)、vx(t)和vy(t)。

(2)利用聲壓、聲能流分別求得多時刻譜值累積DEMON 譜，按照線譜信噪比加權的方式求得DEMON 譜和，同樣對低通濾波后信號應用自適應線譜增強算法來提高信號的信噪比。

(3)得到目標譜圖后，進行線譜拉平和譜峰篩選等操作來提取特征線譜，方法類似于低頻線譜提取過程，可參考文獻[8]。對于提取的每根線譜進行互譜方位估計，來剔除干擾線譜，并且利用諧波關系確定特征線譜。DEMON譜分析中有用的線譜是螺旋槳軸頻及諧波對應的譜峰，因此提取DEMON 線譜的過程其實是提取一組成倍數的諧波線譜，這是與傳統線譜提取方法最大的區別。

(4)對目標進行長時間跟蹤分析得到DEMON譜歷程圖D(t,f)。

2 DEMON譜線譜測向原理

考慮單頻載波的調制信號可以寫為

其中：A是信號的幅值；m是調制度，滿足0

平面波條件下，假設無噪聲干擾理想條件下，VLA跟蹤后得到的聲壓和振速信號分別為

聲強流：

對聲強流Ix低通濾波后，得到輻射噪聲信號的調制頻率成分：

同理可以得到：

對解調出來的信號進行頻譜分析，可以得到DEMON線譜。DEMON線譜方位估計原理與互譜方位估計相似，互譜法是利用頻域線譜測向，而后一種是利用DEMON譜線測向。分別對目標DEMON線譜根據下面的公式測定方位：

對DEMON 線譜進行測向，與目標跟蹤方位進行比對，誤差較大的則認為不是目標DEMON 譜，可以實現干擾線譜剔除。這種方法有助于解決VLA左右舷對稱角度同時存在目標造成DEMON 譜混淆的問題。

3 DEMON譜模板生成

船舶DEMON 特征具有穩定性好、物理意義明確的優點，能有效識別葉片數、轉數、槳數，進而用于類型識別及航速估計等，是目標識別的關鍵特征之一。單次計算所獲取的DEMON譜存在穩定性不足的問題，在實際使用過程中，影響螺旋槳槳葉數的識別。為了獲取目標穩定的DEMON 譜，基于目標多時刻DEMON譜歷程圖，對DEMON譜歷程進行譜峰提取、譜峰合并、峰值調整等，最終得到目標DEMON譜模板。處理步驟如下：

(1)將歷程圖D(t,f)中存在線譜的點設置為1，得到E(t,f)，

(2)E(t,f)按照頻率點求和得到TD(f)，同時將D(t,f)按照頻率點求和得到TD′(f)

計算各頻率點的平均幅值：

其中，F(f)表示有線譜存在時，線譜的平均幅值。

(3)譜峰合并，設置頻率范圍門限?gate，將頻率范圍?gate內的線譜看作一個線譜，將頻率范圍門限?gate內的點求和作為局部最大值點的值。

同時對包含線譜幅度信息的F(f)進行處理得到F1(f)

(4)TD1(f)歸一化得到TD2(f)，過門限處理得到TD3(f)，得到目標低頻線譜頻率，此時的TD3(f)中沒有考慮幅值的信息。

其中，?表示選取的門限值。

為了引入各特征線譜的幅值信息，做如下處理：

最后對F2(f)做歸一化處理得到目標DEMON譜線譜模板圖F3(f)。

4 海試數據分析

選用2015年11月VLA 實測海試數據，南中國海海域，水深70 m，VLA 為32 陣元矢量水聽器陣列，布放在海底，間距2 m，長62 m，分析目標為海上民船目標，采用VTAMVDR 算法對陣元域信號處理，處理頻段300～500 Hz。

4.1 左右舷對稱方位僅一個方位存在目標

選取其中一段數據，數據開始時刻目標位于126?方位，如圖2所示。

圖2 波束輸出Fig.2 Beam output char

圖3 給出了VLA 跟蹤目標DEMON 譜提取的圖像處理的過程，利用聲壓、聲能流分別求得多時刻譜值累積DEMON 譜。本文中采用文獻[8]提出的利用拉平后線譜的均方差乘比例因子設為閾值，由于線譜提取結果與閾值選擇有關系，4 個DEMON譜提取結果會有細微的差別，通過4 個DEMON 譜的綜合提取會對DEMON 譜提取結果進行補全，保證不會漏掉線譜，然后對提取出的線譜進行測向，結果如表1 所示。從提取出來的頻率特征線譜可以得到目標的DEMON譜基頻為4.8 Hz。

圖3 DEMON 譜提取Fig.3 DEMON spectrum extraction

表1 提取DEMON 譜頻率及估計方位Table 1 Extraction of DEMON spectrum frequency and estimation of orientation

對目標進行長時間跟蹤分析，以期得到目標穩定的DEMON 譜模板，幅值特征譜圖采用聲壓DEMON 和聲壓振速和DEMON，圖4 給出了對目標跟蹤100 s的歷程圖，通過處理得到對應的目標的DEMON譜線譜歷程圖，見圖5。按照第3 節所述方法對DEMON譜線譜歷程圖進行處理。

圖4 目標跟蹤歷程Fig.4 Beam output course

圖5 DEMON 譜線譜歷程Fig.5 DEMON spectrum course

圖6 給出了目標DEMON 譜模板圖，表2 給出了各譜線的相對值。在提取出來的模板圖中，保留了各頻率線譜的幅值信息，最終求得目標的DEMON譜模板可以用于后續的槳葉數識別。

表2 目標DEMON 譜模板頻率與幅值Table 2 Target DEMON spectral template frequency and amplitude

4.2 左右舷對稱方位均存在目標情況

對于單目標情形，本文方法可以準確提取出目標的DEMON 譜幅值特征，在實際情況下，由于VLA發現目標較多，難免會遇到左右舷兩個角度同時存在的情形，這時兩個目標DEMON譜會互相干擾，需要將兩個目標的DEMON譜特征分開。

選擇一段數據，數據開始時刻目標1 位于108?方位，左右舷對稱角度附近255?也有一目標2，如圖7 所示，分別對這兩個方位的目標進行跟蹤分析，首先對108?方位目標1 按照上述流程進行處理，所得結果如圖8和表3所示。

表3 提取DEMON 線譜頻率及估計方位Table 3 Extraction of DEMON spectrum frequency and estimation of orientation

圖7 波束輸出圖Fig.7 Beam output char

圖8 DEMON 譜特征線譜提取Fig.8 DEMON spectrum extraction

通過分析可以得到跟蹤目標的DEMON 譜，DEMON 譜基頻為6.5 Hz，并且得到目標的DEMON譜幅值特征。

左右舷對稱方位目標2 位于255?方位，處理結果如圖9和表4所示。

表4 提取DEMON 線譜頻率及估計方位Table 4 Extraction of DEMON spectrum frequency and estimation of orientation

圖9 DEMON 譜特征線譜提取Fig.9 DEMON spectrum extraction

在未用DEMON 互譜測向剔除干擾時，存在6.5 Hz 及其倍頻線譜，由前面的分析知道其為此頻率線譜為108?方位目標的，應用DEMON 互譜測向可以將這些線譜排除出去，通過分析可以分辨此目標DEMON 譜基頻為3.3 Hz，并且得到目標的DEMON譜相對幅值特征。

為了驗證本文方法的正確性，本文分析了兩目標不再存在左右舷對稱方位時的情形，經過1000 s 之后，目標1 運動到122?方位，目標2 運動到266?方位，見圖10，此時的目標無左右舷對稱目標干擾，經過同樣的分析可得DEMON 譜如圖11 和圖12所示。

圖10 波束輸出Fig.10 Beam output char

圖11 目標1 DEMON 譜特征線譜Fig.11 DEMON spectrum of Target1

圖12 目標2 DEMON 譜特征線譜Fig.12 DEMON spectrum of Target2

根據圖11和圖12可以得到目標的DEMON 譜基頻分別為6.5 Hz 和3.3 Hz，對比圖8 與圖11、圖9與圖12 的DEMON 譜基頻，可以看出基頻是相同的，分開時所得到的兩目標DEMON 譜線譜基頻與兩目標相互干擾時應用本文方法所得到的結果一致，證明了本文方法是一種有效的提取目標DEMON譜線譜的方法。

5 結論

本文研究了基于VLA 的目標DEMON 譜提取方法，經過預處理得到聲壓DEMON 譜、聲能流DEMON 譜以及聲壓振速和DEMON 譜，經過去除趨勢項、譜線拉平、譜峰提取等方法，分別得到特征線譜，然后進一步利用DEMON譜互譜剔除干擾DEMON線譜，得到凈化后的目標特征DEMON譜，并且提出了一種DEMON 譜模板的生成方法。通過仿真和海試數據驗證了提取方法的有效性，解決了左右舷對稱方位同時存在目標時的特征混淆的問題。