（水声工程专业论文）目标辐射噪声特征提取方法研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 暑i i 宣宣i i i i i i i i i i 宣i i i i i 宣i i l ii1 1i i i i 宣 r e c o g n i t i o nt e c h n i q u eo nu n d e r w a t e rt a r g e t si sa l li m p o r t a n tr e s e a r c hi nt h e u n d e r w a t e ra c o u s t i cs i g n a lp r o c e s s i n gf i e l d ，b u ta l s oo n eo ft h ed i f f i c u l t i e si nt h e f i e l d f e a t u r ee x t r a c t i o ni st h ek e yl i n ko ft h et a r g e t sr e c o g n i t i o n ，o na c c o u n to f t h es e ae n v i r o n m e n tc o m p l e x i t ya n dt h eu n d e r w a t e ra c o u s t i cc h a n n e lp a r t i c u l a r i t y ， i t sad i f f i c u l tp r o b l e mt oe x t r a c tak i n do ft a r g e te s s e n c ef e a t u r ea n dd i s t a n t d e t e c t i o ne f f e c t i v ef e a t u r e t h i st h e s i ss t u d i e sf o u rm e t h o d so ft h et a r g e tf e a t u r e i n f o r m a t i o ne x t r a c t i o n ，a n dg i v e st h ec o r r e s p o n d i n gr e s u l t so ft h es i m u l a t i o na n d s h i pr a d i a t e dn o i s e s f i r s t l y ，t h et h e s i si n t r o d u c e st h em e c h a n i s mo ft h es h i pr a d i a t e dn o i s e s ，a n d c a r r i e so nt h es i m u l a t i o nt oi t sc o m p o n e n t o nt h eb a s i so ft h ea b o v es t u d y ，t h e t h e s i sw o r k so v e rt h ee x t r a c t i o no ft h ec h a r a c t e r i s t i c sb yt h ec y c l em a pl i n e s p e c t r a l ，a n de x t r a c t st h ec o n t i n u o u ss p e c t r u mc o m p o n e n ta n dt h el i n e a rs p e c t r u m c o m p o n e n tf r o mt h es i m u l a t i o nt a r g e t sa n dt h eo b j e c t i v e sf r o ms o n g h u al a k e u n d e rt h ec o n d i t i o no ft h et h r e ed i f f e r e n ts i t u a t i o n s ，a n dm a k e sc o m p a r i s o nw i t h t h es i m i l a rt a r g e t su n d e rt h ed i f f e r e n tc o n d i t i o n s s e c o n d l y ，t h i st h e s i ss t u d i e st h ee n e r g yf e a t u r ee x t r a c t i o na l g o r i t h mb a s e d o nt h ew a v e l e tp a c k e td e c o m p o s i t i o n ，a n de x t r a c t st h ee n e r g yc h a r a c t e r i s t i c sf r o m t h es i m u l a t i o nt a r g e t sa n dt h ed a t ac o m e sf r o mt h el a k e ，a n di nt h em o s to b v i o u s c h a r a c t e r i s t i c so ft h ef i r s ta n ds e c o n db a n d ，t h er e s u l t sa r ea n a l y z e da n dc o m p a r e d ， t h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft h i sm e t h o da r ep o i n t e do u t t h i r d l y ，t h eb o xf e a t u r ee x t r a c t i o na l g o r i t h mi s i n t r o d u c e db a s e do nt h e f r a c t a lt h e o r y ，a n dt h eb o xf e a t u r ei se x t r a c t e d t h es t y l e b o o kf r o mt h el a k ei s a n a l y z e d ，a n dt h ed i f f e r e n c e sb e t w e e nt h es i m i l a rt a r g e ta r ec o m p a r e d f i n a l l y ，t h ef e a t u r ee x t r a c t i o nb a s e do nt h eh i i g h - o r d e rs t a t i s t i c a la n a l y s i si s a n a l y z e da i m i n ga tt h em i s s e so ft h et r a d i t i o n a lr a d i a li n t e g r a lb i s p e c t r u ma n dt h e c i r c u m f e r e n c ei n t e g r a lb i s p e c t r u ma n dt h es h o r t c o m i n g so ft h er e - u s eo ft h e b i s p e c t r u m t h ei m p r o v e dm e t h o di sp r e s e n t e d t h eb i s p e c t r u mf e a t u r e sf r o m 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 t h el a k ed a t aa r ee x t r a c t e d ，t h ei n t e g r a lb i s p e c t r u mf e a t u r e s ，g r a d i e n ta n dp e a k s a r ei m p r o v e d ，t h ec h a r a c t e rd i f f e r e n c e so ft h es i m i l a rt a r g e tu n d e rt h ed i f f e r e n t c o n d i t i o n sa r cc o m p a r e d k e y w o r d s ：f e a t u r ee x t r a c t i o n ；l i n e a rs p e c t r u me x t r a c t i o n ；w a v e l e tp a c k e t ； b o x d i m e n s i o n ；h i g h e r - o r d e rs t a t i s t i c sa n a l y s i s 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：烂三基 日期：2 0 0 8 年2 月2 5 日 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 立题背景和意义 随着信息技术的迅速发展及其在军事领域里的广泛应用，现代战争对信 息的依赖性越来越大，争取战场的信息优势已成为决定胜负的最重要的因素 之一。争取战场信息优势必须要有较高的战场感知能力，而目标识别是这种 感知能力的重要环节，特征提取是目标识别中的一个关键性的问题。目标识 别效果的好坏在很大程度上依赖于所提取的特征是否有效，是否具有一定的 鲁棒性。 水声目标辐射噪声是由连续分布的宽带噪声和离散分布的线谱分量迭加 而成1 ，它们的生成机理不相同，分布也不同，特性比较复杂。由于水声目 标发声的主要部件和条件以及周围环境不相同，所产生的噪声也就各有特色， 如何提取目标更多的不变特征就变得更为重要和困难。为此本文研究了不同 的特征提取方法，从目标辐射噪声中提取了不同的特征，为目标分类识别提 供了更多的目标特征信息。 1 2 国内外研究动态 被动声呐目标识别主要是依据不同目标辐射噪声的不同来实现的。如何 从目标辐射噪声中提取有效的识别特征是被动目标识别的关键。从国内外研 究现状来看，在特征提取方面主要有以下几个方面： 1 利用功率谱估计的特征提取：对舰船辐射噪声进行功率谱分析，提取 谱特征是经典而有效的目标分类技术，目前深受人们关注的有线谱特征法、 调制解调法和潜行特征法等。这些方法是基于目标辐射噪声的频谱特性而产 生的。线谱和连续谱的产生机理、特征提取，人们已作了很多深入研究。文 献报道吴国清等人对舰船辐射噪声的线谱进行多方面的研究，总结了线谱提 取方法，线谱稳定性等，并提取了舰船辐射噪声的线谱特征、双重谱特征以 及平均功率谱特征，利用模糊神经网络对舰船目标进行分类，取得了较好的 结果。杨向锋b 1 等人基于分段最小二乘曲线拟合方法，提出了一种提取舰船 辐射噪声信号功率谱中线谱特征的新方法，通过一种新的坐标变化用最小二 哈尔滨工程大学硕士学位论文 乘曲线拟合方法精确提取了连续谱特征，将连续谱特征和线谱特征组合得到 了舰船噪声的功率谱特征。利用b p 神经网络对海上实测数据进行分类识别， 实验验证了该方法的有效性，识别率达到9 0 以上。殷敬伟、惠俊英p 1 等人 提出一种改进的高频噪声解调分析( d e m o n ) 方法，提出最大公约式算法，能 够得到具有明显线谱的d e m o n 谱，并给出了提取轴频的具体步骤。m a r t i n a 等人把边缘检测方法和线谱跟踪过程结合起来解决l o f a r 图中的谱线检测 和提取问题。这种方法有一定的抑制噪声的能力。s t e p h e n a s j o n e s ，g j h e a l d h ( 1 9 9 1 ) 等人把二元假设检验推广到多元假设检验问题。这种改进，能够保留 信号的相对幅度信息，保留了每一根轨迹的时变幅度，剔除了大部分背景噪 声。另外，结合谱估计和别的信号提取方法进行特征提取也是目前发展方向。 2 利用小波变换提取舰船辐射噪声的识别特征。小波理论是在现代傅立 叶分析基础上的重大突破，局部化与多尺度分析是其精华所在。小波展开保 留了傅立叶展开的优点，且在时间和频率上都可进行局域分析，并且频谱分 析仍可进行，只是基波须用小波母函数所代替。小波变换相当于一个数学显 微镜，具有放大、缩小和平移等功能，通过检查不同放大倍数下的变化来研 究信号的动态特性。由于对频率成分采用逐渐精细的时域或空间域取样步长， 从而可以聚焦到信号的任何细节。张艳宁i 习、章新华m 、张学林等人分别在舰 船辐射噪声信号的谱域用小波变换提取谱特征，结合波形结构特征应用于目 标分类识别。李秀坤、杨士莪p 1 等人提出一种频域离散小波变换法( f d w l ) ， 此方法用于三种目标的湖试数据，采用三层b p 算法的前向神经网络对目标 进行分类，取得了较好的识别率。从频谱分析看，小波变换是将信号分解为 对数中坐标中具有相同大小频带带宽的集合。与短时傅立叶相比，短时傅立 叶变换对不同的频率分量，在时域都取相同的窗宽，而小波变换的窗宽是可 调的。这种以对数形式( 非线性的) 而不是以线性方式处理对时变信号具有 明显的优越性。 3 基于舰船辐射噪声的非线性特征提取。目前国内外已将混沌、分形等 非线性理论引入到舰船辐射噪声的特征提取中来。这些方法均以时间序列为 原始的数据空间，进行相空间重构或分数布朗运动建模，计算关联维数， l y a p u n o v 指数或h u r s t 指数。也可以与传统的线谱和连续谱特征相互补充， 更完整地反映目标的频率特性。宋爱国嗍等人应用非线性分析方法研究了舰 哈尔滨工程大学硕士学位论文 船噪声的极限环现象，结果表明振动噪声作为舰船噪声的主要成分，其极限 环在相空间上存在倍周期或混沌行为，并且从极限环中提取分形维数和分布 密度比两类非线性特征，能较准确地区分水面和水下两大类目标，为舰船噪 声信号特征提取提供了一条新的思路。陈捷川等人提出了舰船噪声功率谱的 多重分形特征，研究了多重分形的小波变换分析方法，提出了舰船噪声的奇 异测度特征参数。高翔唧等人的研究发现，舰船辐射噪声在一定尺度范围内 具有增量统计自相似性，以此建立了舰船辐射噪声的分数布朗运动模型，并 在模型的基础上提取船辐射噪声的分形维数。c a m i c h a e l 等人利用声纳图像的 多重分形分析进行海床分类研究。 4 基于高阶统计分析理论的特征提取。随着识别技术的发展，人们在功 率谱、线谱、动态谱以及双重谱的基础上，更进一步研究高阶谱的分类特征。 高阶谱对高斯白噪声有很强的抑制作用，具有很好的抗噪性能，也增强了其 特征的鲁棒性。樊养余等利用高阶谱及有关方法提取了一个3 9 维特征矢量， 对海上实测的舰船辐射噪声进行分类识别，取得了较好的效果。1 9 8 9 年h i n i c h 利用双谱对不同舰船辐射噪声进行了分析，后来利用双谱分析方法对瞬时信 号进行了检测，得到较为满意的结果。1 9 9 5 年美国的a j a yn b a l a n 及 m a h m o o d r a z i m i s a a j a d i 两人，采用双谱分析埋藏于地下的地雷回波信号， 并用双谱的不同切片抽取各类地雷和背景回波信号的特征进行分类，识别率 也很高。 1 3 论文研究的主要内容 本文主要利用四种方法提取目标辐射噪声的不同特征。下面简单介绍一 下本文的研究内容及安排。 第一章，阐述了本课题的立题背景和意义，回顾了特征提取的发展状况 和研究成果，介绍了论文的主要内容。 第二章，叙述了舰船辐射噪声的产生机理和数学模型，对连续谱分量、 线谱分量以及被动声呐接收信号进行了仿真，为后面仿真水下目标模型奠定 基础。 第三章，叙述了周期图谱估计的定义和线谱提取的方法，根据水下目标 模型，仿真了目标低速和高速数据，对仿真数据进行分段平均周期图法提取 3 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 线谱特征，提取结果良好；对松花湖湖试中三类目标进行连续谱分量和线谱 分量提取，比较了不同工况下的差异，验证了该算法可行性。 第四章，概要介绍了小波变换以及小波包分解基本理论，给出了能量特 征提取的算法，对仿真目标数据进行能量特征提取，分析一、二频段内能量 差异。提取了松花湖湖试三类目标的能量特征，比较了同类目标不同工况下 能量特征的差异，并对该方法进行总结。 第五章，叙述了盒维数定义及其计算方法，对仿真目标不同工况下数据 进行盒维提取，比较了差异。提取了松花湖湖试三类目标的盒维值，分析比 较了其不同工况下盒维值的变化，指出此种方法的不足。 第六章，高阶统计分析理论介绍了双谱、积分双谱、斜度和峰度的定义 和算法，改进了传统的径向积分双谱和圆周积分双谱，避免了遗漏和重复利 用双谱信息的缺点。提取松花湖湖试三类目标不同工况下的双谱、双谱等高 图，比较其差异。提取三类目标的轴向积分双谱、改进径向积分双谱和圆周 积分双谱特征、斜度和峰度特征并比较其差异。 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章舰船辐射噪声仿真 舰船、潜艇和鱼雷等水下噪声源上安装有十分复杂的机械设备，其中有 很多转动和往复运动的机械。这些转动、往复运动的机械装置所产生的振动 将通过船体辐射到水中形成声波传递到远方，被水听器所接收，成为被动声 呐的信息来源。 2 1 舰船辐射噪声产生机理 图2 1 柴油机推动船机械示意图 表2 1 辐射噪声源 机械噪声螺旋桨噪声水动力噪声 主机( 柴油机、主电动机、螺旋桨引起的壳体共振空腔、板和附件的共振在支 减速器)螺旋桨上或其附近的空化柱和附近的空化，水流辐射 辅机( 发电机、泵、空调设噪声 各) 图2 1 所示的机械部件在运转的过程中将通过壳体向水中辐射声能。根 据舰船辐射噪声形成的来源不同，可将其分为以下三类川： 1 机械噪声：主机、辅机、空调设备 航行舰船本身众多不同部件的机械振动产生机械噪声，这种振动由各种 途径通过船壳传到海水中去，如机座与船壳相联结的振动部件等。机械振动 产生的方式如下： 不平衡的旋转部件，如不圆的轴或电机电枢； 重复的不连续性，如齿轮、电枢槽、涡轮机叶片； 往复部件，如往复内燃机汽缸中的爆炸； 5 哈尔滨工程大学硕士学位论文 _ _mi m m_m l 泵、管道、阀门中流体的空化和湍流，凝汽器排气； 在轴承和轴颈上的机械摩擦。 推进系统主要包括大型的转轴、轴承、齿轮以及特殊需要设计的往复式 发动机、汽轮机或发电机。在转动过程中，即使十分微小的不平衡都会产生 激振力。这种力通过底座或支架耦合到船体，引起船体振动并向海洋中辐射 声能。以这种形式产生的噪声是一个包括系统传动频率及其谐波分量的信号。 激振力往往与转速的平方成正比，因此推进系统的噪声强度随着舰船的航速 而变化。在推进系统中还存在着摩擦力，它们产生宽带连续谱噪声分量，这 种宽带噪声分量也与速度有关。 辅机包括不属于推进系统的机械装置和电力系统，如空调机、发电机、 各种泵等等。在舰船上，辅机所完成的工作与推进系统没有直接的关系。各 种发电机、泵、鼓风机以及其它类似的装置，或多或少地在连续不断的运转， 而且通常以恒定的速度转动。辅机所产生的噪声主要是由旋转部件的动态不 平衡引起的谐波分量，谐波分量在幅度和频率上相对来说是稳定的。 2 螺旋桨噪声：螺旋桨上或其附近的空化噪声和“唱音 螺旋桨在水中旋转时，叶片尖上和表面上会产生负压区，如负压达到足 够高，就会出现空化，这些空气泡破裂时会发出尖的声脉冲，大量气泡破裂 产生的噪声是一种很晌的咝咝声，即所谓的空化噪声。这种噪声往往是舰船 辐射噪声的高频部分。海流激励使螺旋桨叶片作受迫振动，特别是共振时， 将会产生强烈的噪声。 除空化噪声外，螺旋桨噪声的另一主要成份是所谓的“唱音”，它是由于 螺旋桨叶片拍击、切割水流引起的，所以又称为旋转噪声。“唱音刀是一种线 谱噪声分量，其频谱是与叶片数及螺旋桨转速直接有关的“叶片速率 谱， 满足如下关系： 厶= 所，1 5( 2 1 ) 式中，托是螺旋桨叶片数；s 是螺旋桨转速：m 是谐波次数；厶是相应的频 率。这种“唱音 表现为迭加在连续谱上的线谱。 3 水动力噪声：湍流辐射、附件共振 流经船体及其附属部分的水流会使舰船辐射噪声，这种现象起因于几种 不同的流体动力学效应。在船体或其附属部件上，凡是压力降到临界值以 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 下，它就能够产生空化。开始发生船体空化的航速通常要比产生螺旋桨空化 的航速高得多，因此这类辐射噪声谱不会随航速有明显的增加。流经支架后 缘的湍流可引起结构振动，而振动又能辐射噪声。超过某一临界航速后，船 体表面上的水流变成了湍流，这些湍流和不稳定水流可以引起船体结构的振 动，从而产生辐射噪声。 在正常情况下，水动力噪声与机械噪声、螺旋桨噪声相比并不重要，容 易被机械噪声和螺旋桨噪声所掩盖。但是在特殊情况下，如在结构部件被激 励成线谱噪声的共振源时，水动力噪声在出现线谱的范围内成为主要噪声源。 综合以上分析得到以下的结论：( 1 ) 在通常情况下，机械噪声( 含推进 系统噪声和辅机噪声) 和螺旋桨噪声是水下目标辐射声能的主要部分，至于 这两种噪声哪一个更为主要取决于舰船的工作状态( 航速和深度) ：( 2 ) 船舶 辐射的总的噪声谱是由一宽带连续谱和一系列线谱构成的。其中线谱部分与 推进系统、辅机、螺旋桨有关。辅机产生的线谱与航速无关，线谱的幅度、 频率是稳定的。推进系统与螺旋桨产生的线谱，幅度、频率与航速有关，有 周期性的变化规律( 有基波、谐波之分) 。当螺旋桨未产生空化时，辅机与推 进系统所产生的线谱是很强的，当航行速度增加至产生空化的时候，宽带噪 声的强度就会增加并掩盖某些音频分量，同时与推进系统有关的线谱向高频 方向移动，幅度增加，而辅机线谱保持不变；( 3 ) 由于各类水中目标的自身 动力系统、机械装置结构和所处工作环境不同，使得不同类型舰船辐射噪声 总归会有差异，我们正是利用这种差异才使得水下目标的识别成为现实。 2 2 舰船辐射噪声仿真 舰船辐射噪声的时域波形的数学模型1 2 1 可描述为 s o ) = 【1 + 口o ) 】g ，( f ) + g ，o )( 2 - 2 ) 式中，口( f ) 为周期调制波形；g ，o ) 为连续谱分量的时域波形；g z ( f ) 为线谱分 量时域波形。 2 2 1 连续谱仿真 本文采用文献 1 2 q b 方法产生舰船噪声连续谱分量的时域信号。算法的 基本思想是：构造一个线性系统，具有与要求的舰船辐射噪声频谱形状相同 7 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 产生功率谱为ih ( w ) 2 的高斯白噪声；当改变日 ) 时就可得到不同功率谱形 ，2 ，厶，在每个频率点上幅度响应为a ；，代价函数为c 。，则滤波器的权系 w r p = 1 豳 p 3 ， 一 ：i i； ii ； i( 2 3 ) i )( 0 ) 仁) j 其中 0 ) 一0 5 c i 2c o s ( 碱忍) 缈出( 万) - 0 5 口；c t 2c 。s ( 2 7 昕刀) 推导出自适应滤波器的迭代公式为 陋) 一乞伽讧( 刀一j + d p ( ，1 ) = d ( ，1 )( 2 - 4 ) l 形f ( 以+ 1 ) 一，( 忍) + 2 u e ( n ) x ( n ) l 式中m 为滤波器阶数，u 为迭代步长，x ( n ) 和d ( n ) 是输入信号，y ( n ) 为输出 信号，p 伽) 为误差信号。 假设所仿真的舰船噪声信号的频率范围为0 2 4 0 0 h z ，其功率谱在1 0 0 h z 以下按+ 6 d b o c t 递增，1 0 0 h z 以上按6 d b o c t 递减。这样设计的滤波器，其 幅度响应在0 1 0 0 h z 范围内以频率，2 为斜率递增，在1 0 0 - 2 4 0 0 h z 范围内以 1 厂2 为斜率递减，采样频率为4 8 0 0 h z 。根据仿真结果，当各项参数取如下 值时所设计的滤波器效果最好：取3 2 个离散频率，0 1 6 0 h z 内每隔2 0 h z 取 一个点，2 0 0 2 4 0 0 h z 内每隔1 0 0 h z 取一个点；代价函数在6 0 1 4 0 h z 内取 2 0 ，在1 0 0 h z 以上取4 0 ，而在其它频率上取1 ；滤波器阶数取为3 2 。这样所 设计的滤波器的频率响应如图2 2 所示。 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 g 图2 2 自适应滤波器幅频响应量级 滤波器设计好之后，将高斯自噪声通过这个滤波器后就得到所要求的具有特 定功率谱形状的连续谱分量，如图2 3 ，2 4 所示。 律$ o 德 图2 3 仿真连续谱分量时域波形图 h h z j 图2 4 连续谱分量仿真信号功率谱图 2 2 2 线谱仿真 由舰船辐射噪声产生的机理可以得知线谱有两类，一类与螺旋桨转速有 明显关系，另一类与螺旋桨转速没有明显关系，只能靠经验和实际测量估计， 9 哈尔滨工程大学硕十学位论文 因此仿真时只能用理想模型来表示。假设与螺旋桨转速有关的线谱基频为 ，0 ，相应的幅度为a t ( f 可1 , 2 ，3 ，m ) ，4 为在( o ，1 ) 中均匀分布的随机数。 魂i j f ) 为随机相位，另一类与螺旋桨转速无关的线谱频率为，相应的幅度为口， ( | 一1 2 3 ) ，妒心) 为随机相位，b ，为在( 0 ，a ) 9 均匀分布的随机数。模 型如下： l ( t ) - - z 4s i n ( 2 , i f o t + 谚) ) + 荟b ，s i n ( 碱f + o ) ) ( 2 - 5 ) 线谱的参数设定如下： 设置一类线谱基频t o = 3 1 h z ，谐波分量为f l = 6 2 i i z ，厂2 = 9 3 i - i z ，兀= 1 2 4 h z ， ，4 = 1 5 5 h z ；另一类线谱频率厂5 = 4 0 0 h z ，6 = , 4 7 0 h z ，厶一7 0 0 h z ，厂8 9 5 0 h z ， 采样频率l = 4 8 0 0 h z 。由式( 2 5 ) 得到线谱仿真信号，它们的时域波形及频谱 图示于图2 5 和图2 6 。 o e ob o o2 耋o ： 一o - o 日 0 0 7 0 三50 营 3 0 图2 5 仿真产生的线谱信号波形图 图2 6 仿真产生的线谱信号的频谱图 1 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 2 3 被动声呐接收信号仿真 被动声呐接收信号由以下三部分组成： 接收信号= 连续谱信号+ 线谱信号+ 海洋环境噪声 ( 2 6 ) 式中提到的海洋环境噪声，也称自然噪声，是水声信道中的一种干扰背 景场。海洋环境噪声源众多，作用机理复杂，有些噪声是时变的、空变的， 模拟仿真如按照实测噪声谱图生成的噪声有很大的局限性，本文用高斯白噪 声模拟海洋环境噪声，均值为0 ，方差为1 ，服从高斯分布。 o“”“8 ”“2 嚣芽 8 3“”04“ n 5 t ( s ) 图2 7 仿真海洋环境噪声时域波形图 为了更加直观的观察到被动声呐接收信号的波形图，本文对其进行了仿 真，仿真参数设定同2 2 2 和2 2 3 ，并设信噪比s n r = 1 4 d b ，根据式( 2 6 ) 得 到接收信号如图2 8 、2 9 所示： 图2 8 接收信号时域波形图 哈尔滨工程大学硕十学位论文 。o 1 0 口 o ：1 0 量 。 o 2 3 本章小结 图2 9 接收信号频谱图 本章介绍了舰船辐射噪声的产生机理，对辐射噪声的连续谱分量、线谱 分量和被动声呐接收信号进行了仿真，得到舰船辐射噪声连续谱分量和线谱 分量功率谱结构图，为后面仿真理想水下目标辐射噪声模型奠定基础。 1 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第3 章辐射噪声的线谱特征提取 被动声呐是根据目标航行时发出的辐射噪声来检测目标并判别目标类型 的。众所周知，船舶的辐射噪声的功率谱是由连续分布的宽带噪声谱和在若 干个离散频率上的线谱分量构成的。在被动声呐信号处理中，线谱检测和提 取具有举足轻重的地位。首先，线谱特有的集中而稳定的能量可以提高检测 性能。线谱主要是由目标的机械部件的往复、旋转运动，螺旋桨的周期性击 水以及叶片共振产生的。因为产生线谱的声源的功率和惯性都相当大，工作 条件也比较稳定，所以线谱有较高的强度和稳定度。其次，线谱可用来估计 目标的运动参数。例如，通过精确测定线谱的多普勒频移并实行跟踪，可以 估计目标的运动参数。线谱还是最重要的目标识别依据。谱特征直接与产生 它们的现象是有关的，通过对谱进行细致的分析，可以得到声源的许多信息， 对线谱进行高质量的谱估计，将为目标识别提供重要依据旧。为此，本章对 松花湖大型旅游船、快艇和小游船进行线谱提取。 3 1 线谱提取的方法 功率谱分析是谱分析中最常用的一种，它给出了信号的功率随频率的分 布规律。从辐射噪声的功率谱中提取线谱是一个较复杂的过程，涉及多方面 的内容，诸如线谱的标准和判定准则、干扰噪声的处理、谱线的平滑和线谱 特征的提取等。本文采用下述方法提取线谱。 步骤1 ： 设长度为的随机信号x ( n ) 是一个能量有限的信号，将全部数据分成 m 段，每段数据长度为l ，各段数据有部分重叠，即m l n ，分别求它们 的周期图谱估计卅： s 仰 ) 一专i 薹t 。) e 。“1 2 f 一。，1 m 一1 ( 3 - 1 ) 然后用各段估计结果的平均值作为最终的功率谱估计： 蛐= 面im 向- l s ( ) ( 3 2 ) 哈尔滨 二程大学硕士学位论文 当各段的数据可以看成是相互独立时，这样获得的谱估计的误差将减少 到每一段估计的蟛m 。这一平均措施能有效地减少周期图谱估计的误差。 步骤2 ： 将式( 3 2 ) 所得最终的功率谱通过低通滤波器，将其慢变化趋势项嘲( 连 续谱分量) 滤出。文中用低通滤波器滤出。低通滤波器由具有线性相位的有 限冲激数字滤波器实现，其输出信号能重现输入信号，而仅仅延迟一个相应 于相移频率响应斜率的时间值。滤波器的冲激响应h ( n ) 为实数，且必须满足 奇对称或偶对称的条件。对于通带和阻带的情况，k a i s e r 滤波器给出了最佳 滤波器长度的近似算法： 。- 2 0 l o g , o 小1 6 2 - 1 3 + 1 ( 3 - 3 ) 1 4 6 。 其中盈。1 1 0 ，6 ：。1 1 0 一，。( 一缸) 五，k 是禁 带从。到_ 的总滤纹( 单位是d b ) ，是阻带从，聊到f , 2 的最小衰减 ( 单位是d b ) 。 步骤3 ： 用总功率谱减掉慢变化趋势项，就得到拉平的线谱图q ，再依照以下逻 辑算法进行线谱的提取( 1 ) 谱峰所在的点是局部最大点，不可能出现在中间 点，剔除连续上升、下降的中间点，只留下转折点。图( 3 1 ) 示出了谱线的四 种基本形状元素，设k - 1 、k 、k + l 三点的谱值分别为y h 、y i 、y m ，求一 阶差分a y k y 一y k ，a y k 。一y k y k - l 。对如图( 3 1 a x 3 1 b ) 所示的情况，即 a y 。x a y 0 ，则判定y k 为中间点，置标记为一1 ， 在下面线谱提取过程中不予考虑。 y k 一1k k + 1 y 图3 1 基本形状元素 1 4 哈尔滨1 二程大学硕士学位论文 y ( a )b j【c ) 图3 2 需要剔除“伪峰”的三种情况 ( 2 ) 经过了上面的过程图中只剩下了转折点，继续对其中特殊的情况进行处 理。当出现图( 3 2 b ) ( 3 2 c ) 的情况时( 通常出现在离“基线 高的位置) ，此时 如单纯依据设置门限的方法，就会把一根谱线判断成为两根，这时需要把小 变化部分去掉，给定一个门限耻，根据经验选择畔= 3 d b ，若局部最大 值点与相邻两点的谱峰值大于给定的雄，则认为此点是谱峰。( 3 ) 对剩下 的局部最大点进行门限处理n7 堋，求出局部最大点的均值，根据经验值乘以一 个固定因子作门限，门限设为6 d b ，并根据经验值给定一个固定的比例值， 求出局部最大点与整个波形最小点的落差相对于整个波形取值范围的比例， 这个比例要大于给定的比例值。 经过上述3 个步骤，提取出来的谱线即为线谱。 3 2 仿真数据线谱提取 此部分主要目的是为了验证线谱提取方法的有效性，用m a t l a b 应用软件 对舰船辐射噪声进行仿真，并对叠加其中的线谱用线谱提取方法进行提取。 仿真模型参考水下目标。 信号仿真参数如下： 信号总长度：t = 1 0 0 s 频率分辨率：1 h z 采样频率：l = 2 5 k h z 信噪比：1 4 d b 目标低速：线谱，1 = 3 1 h z ，2 = 6 2 h z ，厂3 = 9 3 h z ，厂4 = 1 2 4 h z ，厂5 = 1 5 5 h z ， f 6 = 4 0 0 h z ，f 7 = 4 7 0 h z ，各频率幅度4 ( f = 1 ，2 ，7 ) 为( 0 ，1 ) 区间均匀分布随 机数，相位够为( o ，2 石) 区问均匀分布随机数，螺旋桨空化噪声中心频率为 哈尔滨j ：程大学硕十学位论文 f o = 4 0 0 h z 。 目标高速：线谱f l = 6 7 i - r k z ，f ：= 1 3 4 h z ，f 3 = 2 0 1 h z ，厂4 = 2 6 8 h z ，f 5 = 3 3 5 h z ， 厂6 = 6 0 0 h z ，f 7 = 7 5 0 h z ，各频率幅度4 ，( 歹= 1 ，2 ，7 ) 为( 0 ，1 ) 区间均匀分布 随机数，相位驴j 为( 0 ，2 万) 区间均匀分布随机数，螺旋桨空化噪声中心频率 为f o = 1 1 0 h z 。 线谱提取参数：分段时每段数据长度为1 s ，前后两段数据重叠0 5 s ，对 2 0 段数据作功率谱求和平均，得到最终的功率谱。 根据式( 2 2 ) 对低速目标和高速目标进行仿真，仿真时域波形图如图3 3 所示。 图3 - 3 仿真目标时域波形图一左( 低速) 右( 高速) o猫一_ l i 品r f 面2 面一百f娜o -如1 丽了茹2 0 口02 扩蟊。 帆lh l 图3 4 仿真目标功率谱图一左( 低速) 右( 高速) 从图3 4 中可以看到对于目标高速来说，与推进系统有关的线谱向高频 方向移动。将功率谱通过k a i s e r 低通滤波器，滤波器阶数设定为3 0 0 阶，截 止频率2 0 0 0 h z 。图3 5 是图3 4 通过滤波器得到的趋势项。 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 图3 5 仿真目标提取的趋势项左( 低速) 右( 高速) 从功率谱曲线( 图3 4 ) 剔除趋势项后得到频域信号，示于图3 6 。 图3 6 剔除趋势项后的频域信号左( 低速) 右( 高速) 从图3 6 中发现，剔除慢变化趋势后频域信号结构图。应用步骤3 中线 谱逻辑判别方法，提取的谱线如图3 7 所示。 图3 7 提取出的线谱左( 低速) 右( 高速) 图3 7 中显示了提取出的线谱，发现它与原始设置的完全吻合，证明了 1 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 线谱提取方法是可行有效的，可以用来处理试验数据。 3 3 湖试试验概况 本文中所采用的湖试数据均来源于2 0 0 2 年9 月末第二次松花湖湖上试 验。试验区示意图如下： 丰满水库大坝 水听器摆放简图 头 图3 8 试验水域及水听器布放图 船尾a 点对应： a ：带前放水听器，放大量1 0 倍，带宽1 0 k h z ，水下2 米( 2 号) ，水下 4 米( 1 号) 实验中采集了大船、快艇和小游船的辐射噪声数据，三种船分别以高速 和低速沿直线轨迹从远处开向近处再开向远处，采样频率为2 5 k h z ，每段数 据长度1 0 0 2 0 0 s 不等，每类样本采集4 5 次。 大船的基本情况： 船长：2 6 4 m ，螺旋桨叶片：4 片、单桨 高速一1 7 k m h ，低速9 5 k m h 快艇的基本情况： 船长：5 m ，螺旋桨叶片：3 片、单桨 高速3 0 l 【1 1 1 l l ，低速9 4 k m h 小游船的基本情况： 船长：1 3 m ，螺旋桨叶片：4 片、单桨 高速一1 5 4 k m h ，低速一1 2 2 k m h 1 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 3 4 湖试数据处理 为了更好的验证上述理论在实际中的应用，论文对松花湖湖试中的大型 旅游船、快艇和小游船三类目标进行线谱提取。我们截取目标距观测船直线 距离最近的一段时间数据进行处理。图3 9 为三类目标某样本全程时域波 形图： 图3 9 大型旅游船辐射噪声时域波形图一左( 低速) 右( 高速) 图3 1 0 快艇辐射噪声时域波形图一左( 低速) 右( 高速) i ；一i 5o i 一4； i 一，o - 一矿一t 4 晶 奉 毅 ，0 s 什奉血致 x i o s 图3 1 1 小游船辐射噪声时域波形图一左( 低速) 右( 高速) 哈尔滨工程大学硕士学位论文 截取1 0 个样本目标船距观测船最近一段时间数据，数据总长度4 0 s ，分 段数据长度1 s ，前后两段数据叠加o 5 s ，采样率为2 5 k h z ，取2 0 段数据作功 率谱迭加求和取平均，得到最终功率谱，见图3 1 2 、3 1 3 、3 1 4 。 图3 1 2 大船辐射噪声功率谱图左( 低速) 右( 高速) 从图3 1 2 中可以看到，大型旅游船能量主要集中于0 - 1 5 0 0 i - i z 以内。 图3 1 3 快艇辐射噪声功率谱图左( 低速) 右( 高速) 从图3 1 3 中分析可知，快艇低速时能量主要集中于o - 8 0 0 1 - i z 以内，高速 时集中于0 1 5 0 0 h z 以内。 2 0 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 墓 曩 基 瞢 霄 图3 1 4 小游船辐射噪声功率谱图左( 低速) 右( 高速) 图3 1 4 中小游船低速时能量主要集中于0 - 1 0 0 0 h z 以内，高速时集中于 o - 1 5 0 0 i - i z 以内。通过图3 1 2 3 1 4 可知，虽然三种船皆为水面目标，但它们 的功率谱图还是有差异的。将图( 3 1 2 - 3 1 4 ) 功率谱通过k a i s e r 滤波器，滤波器 阶数为3 0 0 阶，截止频率2 0 0 0 h z 。 图3 1 5 大船的慢变化趋势项左( 低速) 右( 高速) 图3 1 6 快艇的慢变化趋势项一左( 低速) 右( 高速) 2 1 哈尔滨工程大学硕+ 学位论文 图3 1 7 小游船的慢变化趋势项左( 低速) 右( 高速) 图3 1 5 3 1 7 中，三类目标高速行驶时的慢变化趋势项没有向低频端移 动，水下目标模型与水面船只不同。三类目标在不同工况时连续谱趋势不相 同。 用总功率减去滤出的趋势项，得到剔除趋势项后的频域图，从图3 1 2 3 1 4 中看到，线谱分量多集中于0 2 5 0 0 h z ，截取这一频率区间剔除慢变化趋势项 后的频域图，见下图。 墨 5 1 0 1s 。 5 ，。 自 图3 1 8 大船剔除慢变化趋势后的频谱图左( 低速) 右( 高速) 图3 1 9 快艇剔除慢变化趋势后的频谱图左( 低速) 右( 高速) 哈尔滨工程大学硕士学位论文 昌昌；宣宣暑置宣昌i i 宣；i 昌宣宣暑置置宣暑置置宣；暑；宣i 暑暑亩i i i i ；眚；宣；宣；i i 宣宣暑萱暑置暑暑暑暑；置i|ii i ll i 宣_ 图3 2 0 小游船剔除慢变化趋势后的频谱图左( 低速) 右( 高速) 从图3 1 8 3 2 0 可以观察到，三类目标剔除慢变化趋势项后较直接作f f t ， 谱线结构得到加强。对3 1 8 3 2 0 频域图中谱线进行步骤3 中的线谱逻辑判别， 相邻谱线间隔大于3 h z ，通过门限6 d b ，判别线谱。 表3 1 提取的线谱 大型旅游船快艇小游船 低速高速低速高速低速高速 4 0 h z5 3 h z4 1 h z6 1 h z3 7 h z5 2 h z 5 8 h z9 3 h z8 0 h z7 9 h z 5 8 h z7 9 h z 7 9 h z1 0 7 h z1 1 9 h z9 9 h z7 5 h z1 1 8 h z 1 1 6 h z1 5 8 h z1 4 5 h z1 2 1 h z9 5 h z1 5 7 h z 1 5 5 h z1 8 5 h z1 5 9 h z1 5 8 h z1 1 3 h z1 8 8 h z 1 7 4 h z3 2 4 h z，1 9 6 h z1 9 7 h z1 5 2 h z2 1 1 h z 1 9 3 h z7 1 9 h z6 5 5 h z 3 5 0 h z1 5 7 h z2 3 6 h z 2 0 3 h z8 0 0 h z7 0 4 h z3 9 4 h z1 7 1 h z2 6 2 h z 4 5 0 h z 1 0 1 5 h z9 8 2 h z 8 3 6 h z1 9 0 h z3 5 4 h z 9 1 5 h z1 0 3 0 h z1 3 9 0 h z2 0 8 h z1 0 9 8 h z 1 1 0 6 h z1 8 1 6 h z2 8 4 h z 1 1 6 5 h z 1 2 0 0 h z2 0 0 5 h z3 5 3 h z1 3 5 1 h z 1 2 9 2 h z7 2 0 h z1 3 6 8 h z 2 1 6 9 h z7 4 5 h z1 3 8