干扰抑制门在线谱提取中的应用

2019-12-23赵安邦

振动与冲击 2019年23期

牛芳，惠娟，赵安邦,4

(1. 哈尔滨工程大学水声技术重点实验室，哈尔滨 150001；2. 哈尔滨工程大学海洋信息获取与安全工信部重点实验室，哈尔滨 150001；3. 哈尔滨工程大学水声工程学院，哈尔滨 150001； 4. 中国船舶工业系统工程研究院水声对抗技术重点实验室，北京 100036)

对舰船类目标识别主要分为两大类方法，一种是从光学图像中提取轮廓特征[1]，另一种是从舰船辐射噪声中提取声学特征。其中声学特征可以是从舰船辐射噪声连续谱中提取的功率、幅度、高阶累积量以及一些非线性动力学特征，也可以是从线谱中提取的轴频、叶频以及叶片数等特征量。针对舰船辐射噪声中连续谱的方法主要有：功率谱分析法[2]、小波变换法[3]、希尔伯特黄变换相关方法[4-5]、非线性动力学法[6-7]以及仿人耳听觉分析法[8-9]等。螺旋桨空化噪声往往会产生幅度调制，通过解调处理的调制谱中存在许多离散线谱，线谱位置对应着螺旋桨的轴频(基频)、叶频以及其谐波(轴频与叶片数的乘积)[10]，利用这些离散线谱可估计螺旋桨的轴频[11-12]。螺旋桨轴频与舰船排水量和航速有关[13]，当航速和排水量不变时，螺旋桨轴频不变。故螺旋桨轴频可以为被动声呐目标检测和分类识别提供重要依据。螺旋桨轴频物理意义明确，相对于连续谱特征，轴频作为舰船目标识别特征具有更高的稳定性和可区分性。

舰船辐射噪声和海洋环境噪声十分复杂，宽带干扰给线谱提取带来了困难。在线谱提取和检测中，一般使用自适应线谱增强器(Adaptive Line Enhancer, ALE)[14]来增强线谱，抑制宽带干扰。然而ALE有以下几种固有缺陷：① 收敛速度和稳态失调量构成一对矛盾；② 收敛性能受输入信号功率的影响；③ 计算复杂，运算量大，实时性较差。利用相干累加算法[15-16]改进的ALE仅能提高线谱增强性能，罗斌等[17]提出的归一化频域批处理最小均方算法[17]也仅能够在一定程度上减小其计算量，不能弥补其他固有缺陷。

本文提出了一种新的宽带干扰抑制算法——干扰抑制门算法。该算法此算法步骤简洁，运算速度快，且性能稳定。文中通过对单频信号和谐波信号的仿真，分析了其干扰抑制性能，并将其用于实测螺旋桨噪声的线谱提取中。

1 干扰抑制门原理

干扰抑制门是利用单频信号和宽带噪声不相关时噪声分量只存在于相关峰处这一特征，通过对相关峰做置零处理，来抑制宽带干扰。图1给出了算法流程：将输入信号进行自相关运算，再通过一个干扰抑制门，得到输出后进行谱分析。本文给出的干扰抑制算法可抑制宽带干扰，用于线谱提取或检测中，能够降低线谱的提取难度或提高线谱检测概率。

图1 干扰抑制算法流程图

假设输入信号x(t)包括有用信号s(t)和噪声n(t)，且信号和噪声不相关，即x(t)=s(t)+n(t)，那么其自相关函数有

(1)

式(1)说明，当信号与噪声完全不相关时，输入信号进行自相关运算后，噪声分量只存在于相关峰处(即t=T处)。基于此点特征，只要将相关峰附近一定时间宽度内的输出置零，即可抑制干扰。所以，这里将干扰抑制门函数W(t)设置为一个加权窗，表达式为

(2)

式中：2β为置零时间宽度。图2中显示了干扰抑制门时间窗函数。经过干扰抑制门加权后，得系统输出

z(t)=p(t)·W(t)

(3)

图2 干扰抑制门窗函数

干扰抑制门窗函数的置零时间宽度2β略宽于相关峰宽度，跟处理频带B有关，一般取2β=2/B。

2 干扰抑制门算法仿真

1.1 输入为单频信号

采样率为2 kHz，正弦信号频率为15 Hz，处理频带为0～100 Hz，带宽内信噪比为-10 dB。图3(a)为输入波形，图3(b)为自相关输出，将相关峰处放大得图3(c)，其中虚线为抑制门，窗函数的置零宽度为20 ms，图3(d)为原信号和抑制后信号的频谱。图3中信号都做了归一化处理。从图3(d)中可以看出该输入信号在频域只有一根15 Hz的线谱，经过干扰抑制处理后的线谱旁瓣大大降低，说明该算法起到了抑制宽带噪声的作用。

(a) 输入信号波形

(b) 自相关输出

(d) 信号功率谱

1.2 输入为谐波信号

输入信号为基频15 Hz的单频信号和其二至四次谐波的叠加，幅度分别为0.5、0.6、1、0.4，处理频带不变，带宽内信噪比为-5 dB。

(a) 输入信号波形

(b) 自相关输出

(d) 信号功率谱

1.3 干扰抑制门性能分析

对单频和谐波两种输入信号进行了多次仿真，并对干扰抑制门输出信噪比增益进行统计。这里的信噪比增益是指抑制门频域输出信噪比与输入信号频域信噪比之差。图5为输入信噪比与干扰抑制门输出信噪比增益之间的关系曲线，是100次统计平均值。从图中可以看出，当输入为单频信号时，系统增益在输入信噪比为-7 dB时达到最大值。而对于谐波输入，系统增益在输入信噪比为-6 dB时达到最大，且小于单频输入时最大增益。随着输入信噪比的增加，系统输出增益呈近似线性反比降低，当输入信噪比大于0 dB时，两种输入具有几乎相同的输出增益。当输入信噪比足够高(如图5中8 dB)时，系统对信号的抑制大于对噪声的抑制，增益为负值，此时干扰抑制门失去意义。另外，图5中的统计结果都是在能够检测到线谱的条件下计算得出的。从图中可以看出，干扰抑制门对单频输入信号具有更好的宽容性，具有更优异的干扰抑制性能。表1中列出了其中10次结果，并计算得出其均值，输入信噪比分别为-10 dB和-5 dB。

图5 干扰抑制门输出信噪比增益

表1 干扰抑制门输出信噪比增益

3 干扰抑制门在线谱提取中的应用

将舰船辐射噪声进行带通滤波、解调、低通滤波处理后，在频域会得到离散的、分布在叶片速率倍数上的“叶片速率”线谱系列。将干扰抑制算法用于低通滤波之后，在信号时域进行干扰抑制处理，如图6中虚线框中所示。用平均周期图法得到功率谱，功率谱通过自适应门限分离出线谱后可继续提取轴频。

图6 螺旋桨噪声线谱提取流程

对湖试中采集的一大型货船的辐射噪声信号进行处理。货船航行速度为10节，信号采样率为8 kHz。由于解调谱中的“叶片速率”线谱系列大多集中在100 Hz以下，为了减少线谱丢失，处理带宽设为0～200 Hz，抑制门置零时间宽度为10 ms。图7(a)为辐射噪声信号低通滤波后时间波形。从图7(d)功率谱中可以发现，本文的算法明显起到了抑制宽带干扰的效果。三次谐波34.25 Hz处线谱最强，各阶谐波分量皆有一定损失，但考虑到其干扰抑制效果，损失可忽略。经计算得抑制门输出信噪比增益为8.65 dB。采用参考文献[18]中提出的最大公约数法提取螺旋桨轴频，得到轴频为11.25 Hz。

4 结论

本文设计了一个干扰抑制门，对宽带噪声干扰进行抑制。

(1) 对单频和谐波两种输入信号的仿真证明了干扰抑制门的有效性。通过多次仿真，对干扰抑制门输出信噪比增益进行统计。结果表明系统增益与输入信噪比有关，随着输入信噪比增大，系统增益有一最大值，当输入信噪比足够高时，系统对信号的抑制大于对噪声的抑制，增益为负值，此时干扰抑制门失去意义。干扰抑制门对单频输入信号具有更好的宽容性，且具有更优异的干扰抑制性能。