舰船辐射噪声线谱检测与分析*

单广超 赵汉波

(1.海军陆战学院 广州 510430)(2.国防科技大学电子科学与工程学院 长沙 410073)

舰船辐射噪声线谱检测与分析*

单广超1赵汉波2

(1.海军陆战学院 广州 510430)(2.国防科技大学电子科学与工程学院 长沙 410073)

结合经典功率谱和DEMON谱分析各自的特点,对舰船辐射噪声线谱进行综合分析。基于周期图谱法进行舰船辐射噪声功率谱估计,通过线谱与连续谱分离、取除虚警及归并线谱,有效地对辐射噪声功率谱中的特征线谱进行了提取,并结合DEMON谱分析了舰船辐射噪声的调制效应和调制周期,获得诸如舰船螺旋桨转速、螺旋桨叶片数等不变的舰船物理特性,从而得到舰船辐射噪声线谱比较全面的特性,为舰船的识别和线谱辐射噪声的控制具有重要提供参考价值。

周期图谱法; DEMON谱分析; 船舶辐射噪声线谱

Class Number TP391.9; TN911.72

1 引言

舰船辐射噪声的功率谱是由能够反映随机噪声部分能量分布的宽带连续谱和离散的窄带线谱分量迭加而成的。其中,线谱作为舰船辐射噪声中的重要成分,不仅能量集中且频率稳定,而且通常分布在低频段,往往与舰船上的某些机械振动特性相关联,从而携带有重要的舰船特征信息。一方面,这些强线谱可以用来估计舰船的运动参数,通过高质量的线谱估计对目标进行识别分类,利用窄带检测系统提高被动声纳的作用距离,另一方面,谱特征必然直接与产生它们的现象有关,分析到线谱的准确频率,就意味着可能找到该线谱产生源的振动周期,这无疑对舰船辐射线谱进行有源或无源控制提供了重要依据。国外海军试验表明,低频线谱噪声信号在海中可以传播相当远的距离[1]。现代舰船辐射噪声中低频线谱能量比较丰富和低频信号远距离传播的事实,为低频远程探测系统的研究与发展提供了线谱检测的依据。因此,检测和控制舰船辐射噪声中强线谱分量是一个十分重要的课题,无论是对保持舰船自身的隐蔽性还是远距离探测目标都具有重要的意义,同时也可能为舰船的减震降噪带新的进展。

目前,基于功率谱估计的特征提取和DEMON谱分析分别是水下目标特征提取的两个重要方面。信号的功率谱反映了信号的许多重要特征,利用功率谱的连续谱特征和线谱特征进行目标识别和分类,是声纳、雷达、语音识别和噪声分析等领域信号处理的重要内容[2～3]。然而,由于螺旋桨噪声对空化噪声等连续分量存在幅度调制现象,直接从舰船辐射噪声功率谱无法得出螺旋桨的轴频、叶频等调制特征,因此,为了对舰船辐射噪声线谱进行完整分析还需要通过DEMON谱分析对舰船螺旋桨轴频等不变的物理特征进行分析。本文结合经典功率谱和DEMON谱分析各自的特点,对舰船辐射噪声线谱进行综合分析。通过线谱提取方法对辐射噪声功率谱中的特征线谱进行提取,通过DEMON谱分析提取舰船辐射噪声的周期调制谱,获得诸如舰船螺旋桨转速、螺旋桨叶片数等不变的舰船物理特性。

2 舰船辐射噪声线谱理论模型

舰船辐射噪声功率谱有两种不同的类型:一种是在噪声级上表现为连续谱的宽带噪声,连续谱可以采用宽带平稳随机过程拟合;另一种是具有非连续单频噪声,这种噪声由出现在离散频率上的线谱组成[4],机械振动及螺旋桨转动都是周期性的振动源,所以用周期信号作为线谱模型是合适的[5]。舰船的噪声可以表示为

(1)

式中,{x(t)}表示宽带平稳随机过程;{li(t)}表示初相位随机的周期信号,i=1,2,3,…,n。

舰船噪声的功率谱可以用下式计算:

(2)

式中:T为进行Fourier变换时截取的每一段信号长度,E表示集合平均,K表示信号段的编号。

式(2)是舰船噪声谱在数学模型下的严格定义,即要有无穷多个信号段且每个信号段的时间长度趋于无穷,但实际上只能是有限长和有限数的集合平均。此时它的单边功率谱估计为

(3)

式中,n为平均次数。

3 辐射噪声特征线谱提取

利用现代功率谱和DEMON谱分析各自的特点,通过线谱提取方法对辐射噪声功率谱中的特征线谱进行提取,通过DEMON谱分析提取舰船辐射噪声的周期调制谱,确定螺旋桨的轴频和叶频,进而确定螺旋桨叶片数。

3.1 基于功率谱的线谱分析

功率谱估计方法一般分为两大类[6]:经典谱估计和现代谱估计。经典谱估计是基于Fourier变换的功率谱估计方法,又可分为“间接法”和“直接法”。相对于间接法而言,直接法(也称周期图法),由信号序列的Fourier变换直接得到的,具有物理感念清晰、方法简便、计算效率高及分辨率高等优点,但该方法估计出的线谱有伪峰,难以辨别特征线谱的真伪,这里通过选取合适的线谱分析参数,如信号段长度、平均次数、线谱检测门限等参数,来克服这些不利因素的影响,进行线谱提取。

1) 连续谱与线谱分离

由于舰船辐射噪声功率谱中不仅有线谱成分,也有连续谱噪声和其它噪声成分,并且部分线谱叠加在连续谱上,提取线谱特征时,若直接在含有连续谱的谱中提取,可能由于连续谱的趋势走向引起误判和漏判,因此需要先从整个谱中提取趋势项,并减去该慢变化的趋势项,再在剩下部分中提取线谱。

将慢变化分量看成是连续谱,需要采用背景噪声平滑技术估计出连续谱和其他噪声成分的变化趋势曲线,通常背景噪声平滑技术主要有:线性相位滤波器方法、双通道分离窗算法、排序截短算法[7]、局部分段拟合方法[8]等。这里采用在空间域和频率域都十分有效的高斯平滑滤波器提取连续谱分量的趋势项,同时为了克服在信号边界由于数据量小而导致的平滑失真的现象,因此针对连续谱两段的局部区域,可采用最小二乘高阶拟合进行对应趋势项提取,从而得到精确的整个趋势项。

2) 谱线提取

在得到连续谱的变化趋势后,从原功率谱中减去这一变化趋势,即得到拉平后的线谱图。由于在该线谱图中存在许多伪峰,对后续线谱特征的提取是非常不利的,所以还需要采用进一步的逻辑算法对“伪”线谱进行剔除,以净化线谱。

首先,谱峰往往为所在局部区域为最大点,不可能出现在中间点上,由此剔除连续上升或连续下降中间点,只留下转折点以得到初步简化的线谱图。可采用简化方法为[9]:假设k-1、k、k+1三点的谱值分别为yk-1、yk、yk+1,求一阶差分:Δyk=yk+1-yk,Δyk-1=yk-yk-1。若Δyk×Δyk-1<0,则可判定yk点为转折点,保留该频率位置。反之,若Δyk×Δyk-1>0,则yk为中间点,将其剔除。

其次,对于经过初步简化的线谱图进一步处理时,若单纯依据卡门限的方法,会把一根线判成两根线,所以需把小变化部分去掉。具体方法为:给定以门限值Δgate,对于任意一点yk,如果Δyk-Δyk-1<Δgate或Δyk-Δyk+1<Δgate,则yk不是线谱,应进行剔除,反之yk为线谱。

最后,对所剩下的局部最大点进行卡门限处理,将各局部最大点的均值乘一比例因子设为门限Δgate′,若yk-2-yk>Δgate′或yk+2-yk>Δgate′,且其频率间隔小于3Hz,则yk不是线谱,将其剔除,反之保留。由此便可得到了舰船噪声反而线谱分布。

3.2 DEMON谱分析

由于舰船螺旋桨噪声存在“螺旋桨拍”现象,是周期调制谱,直接从舰船辐射噪声功率谱中提取的线谱无法得知螺旋桨的轴频、叶频等调制特征,因此需要通过对高频宽带噪声信号进行解调分析获得线谱信息,即DEMON谱分析(Detection of Envelope Modulation on Noise)。舰船噪声用周期性局部平稳过程作模型可表示为[10]

s(t)=(1+m(t))*x(t)

(4)

式中,x(t)为窄带平稳高斯随机过程,m(t)是调制信号,是慢变化的周期函数,它所在的频域比x(t)所在的频域要低的多。

通常利用DEMON谱对螺旋桨的轴频信息进行分析的整个流程图如图1[11]所示。

图1 DEMON谱分析流程图

在上述流程图中,由于通常在低信噪比背景噪声下,辐射噪声中连续谱分量可能将线谱成分淹没,为此需要对接收到的舰船辐射噪声进行带通滤波以得到高频辐射噪声中的线谱成分。线性检波有两种方法,绝对值低通检波和平方低通检波。虽然两种方法就极大多数样本来说,没有显著的差别,但平方低通解调方法得到的DEMON谱具有更显著的谐波特性。

4 数据处理与分析

为了结合经典功率谱和DEMON谱分析各自的特点,对实测的舰船辐射噪声线谱进行综合分析。下面采用某低速商船实测数据进行分析,为了去除不确定随机误差的影响,选取中间较稳定测量的信号,其长度为10.8s,采样频率为22kHz,采用周期图谱法得到该商船的功率谱估计如图2所示。

为了在线谱提取时,减小由于连续谱的趋势走向引起的误判和漏判,通过高斯平滑滤波得到的连续谱趋势项如图3所示。

图2 商船辐射噪声功率谱

图3 连续谱趋势项

从整个谱中减去连续谱趋势项,将线谱与连续谱分离,得到拉平的线谱图,如图4所示。

图4 拉平后的线谱

为了剔除噪声中的虚假“线谱”,根据文中第3.1节的方法对拉平后的线谱进一步净化线谱,选择集中且能量稳定的线谱,根据文献[9]的结论,平均均次数选择3,门限值Δgate取6dB较合适。这里对所剩下的局部最大点进行卡门限处理时,取门限Δgate′为4dB。由此可得到该船线谱分布如图5所示。

图5 净化后的线谱分布图

前面通过基于周期图的功率谱方法对舰船辐射噪声中线谱成分进行提取与分析,有效剔除了过渡点,并对可能的伪线谱进行了剔除,得到了舰船噪声谱中与舰船物理特性相关且稳定存在线谱分布,这可对舰船目标特性的检测与辐射噪声线谱的控制提供重要参考。同时,由于应用功率谱方法并不能从谱图上看出舰船的轴频、叶频等调制特性,因此,为了对舰船辐射噪声线谱进行完整分析,下进一步通过DEMON谱分析对舰船螺旋桨轴频等不变的物理特征进行分析。相对于直接宽带解调而言,采用窄带解调平均后的DEMON谱效果更好,这里选取窄带信号宽度为250Hz,从1kHz～4kHz共取8个窄带,低通滤波截止频率为100Hz,经过平方解调后的DEMON谱如图6所示。

图6 DEMON谱分析图

在DEMON谱图中可以清晰看到对应轴频基频和叶频基频及其谐波数。同时,由于该船航速较低,图5中线谱数丰富且叶频基频谐波数较多,其中某些线谱也可能是机械噪声成份。这样通过对舰船辐射噪声的DEMON谱分析,可以得出反应舰船有关物理属性的节奏信息,即螺旋桨转速和桨叶片数。

5 结语

本文结合经典功率谱和DEMON谱分析各自的特点,对舰船辐射噪声线谱进行综合分析。基于周期图谱法进行舰船辐射噪声功率谱估计,通过线谱与连续谱分离、取除虚警及归并线谱,有效地对辐射噪声功率谱中的特征线谱进行了提取,并结合DEMON谱分析了舰船辐射噪声的调制效应和调制周期,获得诸如舰船螺旋桨转速、螺旋桨叶片数等不变的舰船物理特性,从而得到舰船辐射噪声线谱比较全面的特性,为舰船的识别和线谱辐射噪声的控制具有重要提供参考价值。

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Detection and Analysis of Ship Radiated-noise Line Spectrum

SHAN Guangchao1ZHAO Hanbo2

(1. Navy Marine-corps Academy, Guangzhou 510430) (2. Depantment of Electromic Science and Engineering, National University of Defense Technology, Changsha 410073)

According to the respective characteristics of classical power spectrum and DEMON spectrum, ship radiated-noise line spectrum is comprehensively analyzed. Based on periodogram algorithm, the spectral estimation of ship radiated-noise is made. After separating line spectrum and continuum spectrum, eliminating fasle alarm and censoring line spectrumm, characteristic line spectrum from the ship radiated-noise is effectivly extracted. Then, the periodic modulation of ship radiated-noise is analyzed in order to obtain the ship invariant physical speciality, such as ship propeller rotation, propeller blade-number, etc. In the end, the comprehensive line spectrum characteristics of ship radiated-noise is obtained, which has important reference value for ship recognition and controlling line spectrum radiated-noise.

periodogram algorithm, DEMON analysis, ship radiated-noise line spectrum

2014年4月7日,

2014年3月12日

单广超,男,硕士,研究方向:潜艇战术。赵汉波,男,博士研究生,研究方向:星基导航与定位技术。

TP391.9; TN911.72

10.3969/j.issn1672-9730.2014.10.034