提取频谱稳定度差异探测舰船目标＊

2012-06-07邓秀华

舰船电子工程 2012年11期

邓秀华

（中国船舶重工集团公司第七一○研究所宜昌 443003）

1 引言

水雷被动声目标探测的首要任务，是感知各种舰船目标辐射的噪声，检测到目标的存在，同时降低对各类干扰的虚警。水雷所处外界条件的时变性、目标种类的开放性和水雷工作的长周期性和无人值守等特点，使得被动声目标探测并非易事。

舰船特别是潜艇的减振降噪技术的应用，使得其噪声级显著减小，如美国九十年代建造的“海狼”级潜艇，水下排水量9142T，但其噪声级只有95dB左右，比五十年代建造的“鹦鹉螺”号潜艇吨位提高了一倍多，噪声级却降低了二三十分贝。又如巡航速度时，新护卫舰比老护卫舰噪声级小12dB。在宽频带范围内，舰船噪声可能淹没在海洋环境噪声中，即使窄带范围内高出环境噪声，而频带难以抉择，因此，假若我们仅用噪声级来探测此类目标，不仅作用距离会成倍减小，误识率也会增加［1］。

近年来，水雷对新型舰船、低噪声潜艇以及低速目标的探测，都曾出现过探测概率相对偏低的问题，原因之一是其噪声级不能达到水雷所设定的门限。

人们在人声鼎沸的大礼堂能准确分辨出所熟悉的声音，在岸边能感知远方的舰船，表明舰船辐射噪声和环境干扰的差别客观存在，这种差别其实更多体现在谱结构的差别。

但是，水雷被动声探测平台的不稳定性，海洋环境与信道的复杂多变性，以及海水中声传播速度低缓，目标和干扰的声特性受多种因素影响具有的不规则性，使得无论是舰船目标，还是环境噪声，其谱结构本身就千差万别，必须在这种目标和环境噪声各自表现出来的看似捉摸不定，变化万千的谱结构中寻找两者之间可确定表示的差别，才能有效利用这种客观存在的谱结构差别。

本文在归纳并分析舰船噪声与各类环境噪声的基础上，提出利用两者的频谱稳定度差异来探测舰船目标，并结合实测数据，进行了仿真，结果表明，该方法较依赖于目标辐射噪声级的水雷探测方法适应性更强、智能化程度更高。

2 噪声谱特性分析

舰船在靠近水雷过程中，水雷被动声探测系统感知目标信息，并对目标跟踪识别。分析提取舰船噪声与环境噪声的差异，判断目标有无是第一步。

2.1 舰船噪声谱特性

舰船噪声声源由船上的机械产生的机械噪声、螺旋桨运动产生的螺旋桨噪声、运动过程中不规则水流流过船体产生的噪声等组成。

一般来说，航速低于10节时，噪声主要是机械振动产生，它的频谱往往是不连续谱，或者带宽很窄；航速在10～20节时，噪声以船壳、动水噪声为主，它的谱是频率较低的弱连续谱和强离散谱；在航速大于20节时，螺旋桨的空化或船壳等粗糙表面的空化噪声显著增强。

大型舰船的自噪声级随航速的6次方递增，小型舰艇或快艇自噪声级随航速递增更快。水面舰船一般都在临界航速以上航行，通常在正常航速的1／4时就出现空化现象，所以水面舰船一般是在螺旋桨充分空化的状况下航行的，潜艇在高航速水面航行时频谱特性也如此。

一般地，水面舰船噪声级比海洋环境噪声高，中高速的水面舰艇和水面航行潜艇，它们偶尔出现少数几条线谱；低速航行的水面舰艇，迭加一些线谱，但稳定性差，持续时间短。低速水下航行时，潜艇辐射噪声有强而稳定的线谱，其幅度高出相邻连续谱10～20dB，少数可达25dB以上。

由螺旋桨工作而产生的低频（1Hz～2Hz至100Hz～200Hz）宽带辐射噪声，不仅是螺旋桨的固有噪声，而且还有舰船或潜艇船体二次辐射的结果，这种噪声辐射的特征是与航速成2.5～3.5次幂的关系。

随着减振降噪技术的发展，舰船大大降低了高频段的噪声，但却难以降低低频段尤其是超低频的噪声。在宽频带范围内，潜艇噪声淹没在海洋环境噪声中，而在窄带范围内潜艇在某些频率上的能量比同样频率同样带宽内的驱逐舰噪声能量大得多。当航速低于给定的下潜深度上的临界航速时，桨未空化，它的宽带总声级很低，有时完全被环境噪声淹没，频谱特性为弱的连续谱上迭加强线谱。同时，根据资料表明，在9级海况下，水面舰船噪声在800Hz以下的频段仍有正分贝的信噪比。因此，我们有必要特别留意低频噪声［2］。

水雷利用线谱进行探测，面对开放性的目标，难点在于线谱频率的选择与判定。舰船辐射噪声的信息被列为极高的机密，尤其是潜艇的辐射噪声。水雷探测引信设计者必须求助于线谱的频率与强度的详细机密文献，这一般很困难［3～4］。

舰船噪声谱是不连续且不稳定的，同时，舰船在靠近水雷过程中，影响各频带声压级通过特性的因素有：舰船辐射噪声的方向性，舰身与尾流的屏蔽作用；声波的传播衰减及声传播的多途效应等。当水雷与舰船的距离与舰船长相当时，作为体积目标的舰船，其不同声学特性的各部位，如主机、螺旋桨等的辐射噪声，被水雷接收后，难以避免地体现出不同的频谱结构。

2.2 海洋环境噪声谱

按照噪声源的不同，海洋环境噪声大致可分为：海洋动力噪声，它与风浪有关，是海水和大气中湍流产生的噪声；还包括海浪拍击噪声、雨噪声、气泡噪声等；生物噪声，是海洋中各种生物（鱼、虾）发出的噪声；地震噪声，是地震、火山活动和海啸产生的噪声；冰噪声，是由冰层的形成和运动产生的噪声；热噪声，是有海水分子运动产生的噪声。

实际测量表明，降雨会显著增加环境噪声，但噪声谱级随频率变化非常平坦，没有每个倍频程上下降的规律。

大量的海洋生物产生生物噪声。除了有海洋哺乳动物的特殊声音之外，成群结队的跳虾是显著的噪声源，它们在500Hz～20kHz的频段上，其值可高达70dB，但形成的噪声谱特别是低频噪声谱相当平坦。

由以上简要分析可得：舰船航行的噪声辐射，因运动物体的动力类型、推进方式和航行状态的不同而有不同的谱特性和瞬态特征，一般来说其低频噪声谱是不连续的，幅度明显高出相邻连续谱。而干扰场一般都是弥漫的混响声场。经多次反射后，声音从各方向入射到引信的几率相同，在低频段，形成相当平坦的噪声谱，即使在浅水区和接近于海面，其低频不连续谱偏离平均谱级也不特别明显［5］。

3 构造比值序列描述频谱稳定度

根据以上分析，在低频宽带范围内对噪声进行窄带细化谱分析，并将舰船噪声与环境噪声进行比对，挖掘两者谱结构本质差异。

3.1 水雷被动听声谱估计器标准结构

为提高处理增益与输出信噪比，水雷被动接收信号处理一般从以下三方面入手［6］：

1）利用空间滤波处理提高空间增益。信号与干扰的空间相关性不同，可以采用波束形成或互相关接收来控制环境噪声，提高信噪比。例如，N个阵元构成的线阵，采用各基元直接相加作空间处理；

2）频域滤波提取线谱分量。窄带信号处理已成为被动声呐信号处理的重要手段，舰艇噪声低频段的线谱包含丰富的信息，不仅可应用于目标检测，还可用于目标的跟踪与识别，核心是窄带谱分析；

3）时间积分处理获得时间增益。时域处理本质上是利用信号和噪声时间波形在统计特性上的差异，来改善被动声呐的性能。

在空间域或频域滤波后，用一个平方检波器加一个积分器的时域处理就是一种有效的区分信号和干扰的方法。谱估计器标准结构见图1。

图1 谱估计器标准结构

谱估计器中包含着两个相互独立的实质性步骤，即首先进行频率分解，把感兴趣的频段分成若干个窄带，以达到所需要的谱分辨力；再进行平滑平均，以获得谱估计的统计稳定性。

良好的谱估计要求有小的分辨误差和小的随机误差，谱估计的两类误差均来源于有限的观测时间，当观察时间无限长时，两类误差均不存在。在观察时间一定的条件下，减小分辨误差将同时使随机误差的方差增大，反之亦然。

提高谱估计的分辨力要求采用小的带宽，而为了减小谱估计的起伏方差，则必须采用大的带宽和大的积分时间，在实用上，积分时间总要受到限制，在这种情况下，提高分辨力和提高统计稳定性是相互抵触的，因此谱估计器的基本任务之一就是根据各种具体情况，在两者之间寻求适当的折中。

3.2 比值序列构造

构造比值序列，提取频谱稳定度的差异来实现舰船目标探测。基于上述对舰船噪声和环境噪声谱特性分析，在低频段（5Hz～1kHz）选取数量足够的频带，然后构造比值序列，具体步骤为：

第一步，首先求出水听器接收到的目标噪声加窗信号的功率谱XN2（k）。

第二步，确定中心频率与带宽。f1～f2构成第一临界带，f2～f3构成第二临界带，依此类推。将每个临界带中的N个XN2（k）取和再平均，即除以求和个数，即可得到相应的临界带平均能量。表示为

L称为维数，即频带数；G表示L个临界带平均能量，其中gl为

式中，l＝1～L。

第三步，归一化形成临界带特征向量。目标由远到近靠近水雷，临界带各维的值gl在不断变化，选取某通道g0，其他通道能量与之作比值可将值归一化。得

包含参考通道的各临界带内求和平均的频点数N都相同，如果各临界带平均能量相差不多，则a1～aL－1也相差不大，值都约为“1”；反之，如噪声谱特性不连续，谱级随频率变化而变化，某些临界带通道谱级明显偏离平均谱级，则a1～aL－1也会相差较大，因此，X即为描述谱稳定度而构造的比值序列。

4 仿真

采用三个阵元构成的线阵，我们在海上收集了不同海况和不同舰船的噪声，对阵元信号直接相加作空间处理［7］。按采集时间段形成了大量数据文件，对这些数据进行分析，按上述方法，构造比值序列。

噪声采样率为fs＝10kHz，每次求频谱的数据为一帧信号，点数为M，取M＝2000，一帧信号持续时间为

采样率和数据长度决定了频率分辨率为

仿真分析频率范围5Hz～1kHz，频率分辨率5Hz，在此频率范围内有200个频点，即将频带分解为200个频率点。

采取分段周期图平均法，求得每一帧信号的频谱后，将数帧信号求得的同一频点的频谱值相加平均，这相当于谱估计器标准结构中的积分过程。

取5帧信号的频谱进行平均。相当于积分时间为5×0.2s＝1s。1s的数据称之数据段。

至此，完成了数据段的功率谱估计，再按照前节所述构造比值序列的后续步骤来构造比值序列。

将5Hz～1kHz频率范围内的200个频点分为20个临界带，每个临界带有10个频点，临界带带宽为50Hz，将这10个频点的功率谱值相加并平均，得每个临界带的平均能量，并选取参考通道即中心频率约500Hz的临界带的平均能量作分母，其它临界带的平均能量与之作比值进行归一化处理，得19个比值，即为该数据段所构造的比值序列。之所以选择500Hz的作为参考通道，是因为舰船噪声在此频率附近噪声丰富且受干扰较小。

对原始噪声数据每1s的数据段进行处理得到一个比值序列，以帧为单位，以0.2s为滑动步长向前移动，直到数据文件末尾。将比值序列随时间的这种变化作图描述。

图2～图5为部分噪声信号仿真结果。每幅图有三个图框，从上到下依次为原始信号、比值序列变化图、三维频谱图。原始信号即各水听器基元接收到的信号，纵坐标代表声级，横坐标为时间。三维频谱图Z轴表示频谱幅度，X轴Y轴分别表示频率及时间。

图2 低海况海洋环境噪声

图3 高海况海洋环境噪声

图4 某中型舰船噪声

图5 某大型舰船噪声

从以上四图中的三维频谱图可以直观看出，不论是高海况还是低海况的海洋环境噪声，在1kHz频率范围内，频谱幅度都起伏不大，噪声谱级随频率变化非常平坦；而舰船航行噪声的频谱幅度却存在明显的起伏，噪声谱级随频率变化而变化，三维谱图明显“凹凸不平”，有的可以观察到持续数十秒的稳定线谱。对不同的舰船或同一舰船不同的工况，这种起伏的频点、时机等变化多端，具有很强的个性，所以想直接利用某几个线谱，还难以适应开放性的目标。

进一步从比值序列变化图来看，不论是高海况还是低海况，对环境噪声，比值基本在“1”附近，表明各频带能量与参考频带内的能量基本相当；而对舰船噪声，谱级随频率变化而变化，比值序列中各值变化较大，最大值基本都超过了“20”，在舰船距离较近时更明显。比值序列的这种差异反映了环境噪声和舰船噪声频谱的稳定度的差异。

从图3高海况海洋环境噪声图来看，其声级约在“200”附近，与图4舰船噪声声级相当。因此，用声级的差别来探测舰船已难以确定门限，门限高造成舰船探测不到，门限低造成对环境的误检测。而此时，比值序列所代表的低频段频谱稳定度却能很好区分舰船与环境噪声，环境噪声谱图平坦，比值序列起伏微弱，舰船噪声谱图与比值序列起伏明显。

从图中还可以看出，用比值序列探测目标，能够在舰船通过水雷上方前作出判断，与环境噪声可分离性强，且比值序列这种起起伏伏不稳定性在舰船通过水雷的过程中一直存在，我们可以连续判断。

对所有收集的数据进行分析，进一步证明：舰船噪声有不同的谱特性和瞬态特征，低频噪声谱是不连续的，离散谱幅度明显高出相邻连续谱，而环境噪声低频不连续谱偏离平均谱级不会特别明显。比值序列就是这种差别的数值化表示。舰船噪声与环境噪声的这种固有而本质的差异，可用于判断目标是否存在。