CN106483520A - 一种船舶辐射噪声调制系数估计方法 - Google Patents

一种船舶辐射噪声调制系数估计方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供的是一种船舶辐射噪声调制系数估计方法。水平布放在海底的水听器直线阵接收到船舶辐射噪声和海洋环境噪声；利用功率谱分析技术得到船船舶辐射噪声的主要频带及带宽，并进行带通滤波；计算船舶辐射噪声信噪比；计算包络谱的信噪比；利用调制系数与船舶辐射噪声信噪比、分析带宽及包络谱信噪比的数学关系计算船舶辐射噪声的调制系数。本发明仅需通过水平水听器直线阵接收到的船舶辐射噪声，即可估计其船舶辐射噪声信噪比和谱分析后轴频处的信噪比值，根据高斯假设条件下调制系数与船舶辐射噪声信噪比及包络谱信噪比之间确定的数学关系，实现利用水听器阵估计辐射噪声调制系数的方法，调制系数估计结果可用于目标分类。

Description

一种船舶辐射噪声调制系数估计方法
技术领域
本发明涉及的是一种水下航行器的分类与识别方法，具体地说是一种用于目标分类与识别的调制系数的估计方法。
背景技术
阵列信号被动检测问题是水声技术研究中的一个经典课题。水平布放在海底的水听器直线阵能够接收到船舶辐射噪声，并通过阵列信号处理，获得空间处理增益，从而得到比单水听器更加优异的检测性能。另一方面，水面船舶辐射噪声除了其空间特性外，还具有调制谱等不同于环境噪声的特征，有利于信号的被动检测。
船舶辐射噪声是被动声呐的目标信号源，声呐设备利用它进行目标探测以及目标类型与参数识别、提取目标的方位、距离和深度等信息。船舶辐射噪声的包络线谱是一个重要的特征，通过对包络线谱特征的提取分析，可以得到对应的螺旋桨转速和叶片数，有利于目标信号的检测与识别。
文献“浅海信道中船舶辐射噪声包络线谱传播特性”(凌青，宋文华，赵春梅，等.中国科学:物理学力学天文学，2014(2):134-141.)将船舶辐射噪声建模成为周期性局部平稳过程，在包络谱估计和包络线谱特性分析基础上，得到包络线谱高度等特征参数的具体表示，然后从传播过程中接收信噪比变化的角度，该方法分析了包络线谱传播特性及其特征参数的变化。
文献“船舶辐射噪声调制度对调制谱的影响”(刘建波，韩树平，刘立国。四川兵工学报，2011，02:96-97)是基于调制谱理论和船舶辐射噪声是高斯过程的假定，把调制谱谐波信号与非谐波分量分别当作信号与噪声，定量地讨论了调制系数与调制谱谐波信号信噪比的关系，该方法分析了背景噪声对调制谱谐波信号信噪比的影响。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够得到可用于目标分类的调制系数的船舶辐射噪声调制系数估计方法。
本发明的目的是这样实现的：
(1)水平布放在海底的水听器直线阵接收到船舶辐射噪声和海洋环境噪声；利用功率谱分析技术得到船船舶辐射噪声的主要频带及带宽，并进行带通滤波；
(2)计算船舶辐射噪声信噪比；
首先利用波束形成技术对水听器直线阵下的船舶辐射噪声源方位进行估计，并利用所估计的方位所对应波束估计船舶辐射噪声功率；然后将总噪声功率减去船舶辐射噪声功率得到背景噪声功率，进而计算船舶辐射噪声的信噪比；
(3)计算包络谱的信噪比；
首先对带通滤波后的信号取绝对值，低通滤波，然后进行功率谱分析，提取包络谱和包络谱背景，得到包络谱信噪比；
(4)利用调制系数与船舶辐射噪声信噪比、分析带宽及包络谱信噪比的数学关系计算船舶辐射噪声的调制系数。
目标辐射噪声模型中调制系数携带了丰富的目标特征信息，主要涉及利用高斯假设条件下调制系数与船舶辐射噪声信噪比及包络谱信噪比之间确定的数学关系，实现利用水听器阵估计辐射噪声调制系数的方法，调制系数估计可用于目标分类与识别。
为实现本发明的目的，需要利用水平布放的水听器直线阵接收远场条件下的船舶辐射噪声信号。
为实现本发明的目的，假设船舶辐射噪声在分析频带内服从带限高斯分布。
本发明的优点在于仅需通过水平水听器直线阵接收到的船舶辐射噪声，即可估计其船舶辐射噪声信噪比和谱分析后轴频处的信噪比值，从而根据高斯假设条件下调制系数与船舶辐射噪声信噪比及包络谱信噪比之间确定的数学关系，实现利用水听器阵估计辐射噪声调制系数的方法，调制系数估计结果可用于目标分类。
附图说明
图1是船舶辐射噪声调制系数提取方法流程图；
图2是某时刻船舶辐射噪声的包络谱估计结果；
图3是船舶辐射噪声调制系数估计的试验数据验证结果。
具体实施方式
下面结合附图举例对本发明作更详细的描述。
船舶辐射噪声通常含有螺旋桨叶片速率线谱分量的低频幅度调制信号，通过处理提取调制信号的包络谱后可以有效的实现对目标的辨识。船舶辐射噪声调制包络谱的频带大多集中在低频频段。绝对值法提取信号包络是工程中采取的最常见也是最简单的一种方法，绝对值法提取包络的主要过程为：首先将接收到的船舶辐射噪声经过带通滤波后将信号取绝对值，然后将取绝对值后的信号通过低通滤波器，最后进行功率谱分析就可以得到该信号的包络谱。
对于周期性局部平稳过程的船舶辐射噪声，其包络谱一般有多根线谱，对应不同的调制频率和倍频分布，首先这里考虑单根线谱的情况。在文献“浅海信道中船舶辐射噪声包络线谱传播特性”(凌青，宋文华，赵春梅，等.中国科学:物理学力学天文学，2014(2):134-141.)中给出了包络谱功率的定量关系式，数学模型可以表示为
S(t)＝(1+mcos2πf0t)x(t) (1)
其中，x(t)是窄带平稳白色高斯随机过程，m为调制系数，0＜m＜1，记平稳高斯过程x(t)的方差为船舶辐射噪声包络谱中零频率的谱强度S(0)、连续谱的均值μ0和标准差σ0分别为
其中，B是宽带噪声x(t)的带宽，B0为频率分辨率，T为信号长度，且船舶辐射噪声包络谱中轴频f0处的谱强度为
它与调制系数m和被调制噪声信号方差有关，数值越大辐射噪声包络谱轴频f0处线谱越明显，就越有利于进行船舶辐射噪声的被动检测。
对于实际接收到的船舶辐射噪声Y(t)，包含方差为的海洋环境背景噪声n(t)，数学模型可表示为
Y(t)＝(1+mcos2πf0t)·x(t)+n(t) (4)
因为局部平稳高斯过程Y(t)加上平稳高斯噪声Y(t)得到的n(t)仍然可近似视为一个局部平稳高斯过程，上式可化为
Y(t)＝(1+mαcos2πf0t)·r(t) (5)
其中r(t)为窄带平稳白色高斯过程，其方差为
比例因子α为
它与辐射噪声信噪比snrship有关，直接影响辐射噪声包络谱的调制深度，当snrship＞1时，α≈1，当snrship＜＜1时，α≈snrship。
这种情况下对应的船舶辐射噪声包络谱零频率谱强度、连续谱均值和标准差分别为
以及包络谱轴频f0处谱强度为
包络谱轴频f0处谱信噪比为
那么，如果已知船舶辐射噪声信噪比和包络谱信噪比，就可以根据下式来推算出辐射噪声的调制系数m
下面结合附图举例对本发明作更为详细的说明：
第一步，一条N元等间距直线水听器阵水平布放在海底，海深100m。某一时间段内一艘水面船在水面以10节速度直线航行，相对于直线阵中心点的最近距离为5km。对船舶辐射信号进行功率谱分析，获取其主要频带和带宽，对线阵各通道数据进行带通滤波。
第二步，船舶辐射噪声信噪比估计。对N元水听器阵列接收信号si(t),i＝1...N进行波束形成处理，估计出船舶辐射噪声的水平方位，利用该方位所对应波束估计出船舶辐射噪声功率；滤波后的信号功率与船舶辐射噪声功率的差值即为环境噪声的功率；计算船舶辐射噪声信噪比snrship＝W1/W2。
第三步，计算包络谱的信噪比。选取阵列任一通道接收到的信号依次进行在带通滤波后进行绝对值运算、低通滤波和功率谱分析处理，估计线谱信噪比。低通滤波器选128阶用巴特沃兹滤波器，上限频率为100Hz，功率谱分析选用函数韦尔奇法，信号采样率为fs，窗类型选取汉宁窗，窗长fs点，重叠长度点，轴频f0处的功率值为S(f0)，提出线谱后采用32阶巴特沃兹低通滤波可得到连续谱的均值为μ0，包络谱轴频处信噪比为snrenv＝S(f0)/μ0。
第四步，船舶辐射噪声调制系数估计。根据式(12)可以估计得到船舶辐射噪声的调制系数。
下面对某日的海试实验采集到的船舶辐射噪声进行调制系数的估计。接收基阵为48元垂直布放线阵，阵元间距0.25m，声速1500m/s，采样频率25kHz，滤波频段为1kHz-2kHz。由AIS数据得知船1的航行速度为26km/h，航行轨迹为直线，距垂直阵布放位置最近距离10km，最远距离48km。根据辐射噪声信噪比、调制系数和包络谱信噪比三者间的数学关系，可以得到船舶辐射噪声的调制系数m。
图2为某一时刻接收到的船舶辐射噪声经1kHz-2kHz带通滤波处理后的包络谱，其第一根线谱出现在9Hz处，包络谱信噪比为17dB，辐射噪声信噪比为-14dB，带入式(12)，可得出调制系数m＝0.55。
图3为船舶辐射噪声的调制系数估计的试验结果，给出了160分钟内调制系数的时间历程，包络谱分析处理后的第一根线谱的调制系数稳定在在0.08～0.23范围内。

Claims (3)

1.一种船舶辐射噪声调制系数估计方法，其特征是：
(1)水平布放在海底的水听器直线阵接收到船舶辐射噪声和海洋环境噪声；利用功率谱分析技术得到船船舶辐射噪声的主要频带及带宽，并进行带通滤波；
(2)计算船舶辐射噪声信噪比；
(3)计算包络谱的信噪比；
(4)利用调制系数与船舶辐射噪声信噪比、分析带宽及包络谱信噪比的数学关系计算船舶辐射噪声的调制系数。
2.根据权利要求1所述的船舶辐射噪声调制系数估计方法，其特征是所述计算船舶辐射噪声信噪比具体包括：首先利用波束形成技术对水听器直线阵下的船舶辐射噪声源方位进行估计，并利用所估计的方位所对应波束估计船舶辐射噪声功率；然后将总噪声功率减去船舶辐射噪声功率得到背景噪声功率，进而计算船舶辐射噪声的信噪比。
3.根据权利要求1或2所述的船舶辐射噪声调制系数估计方法，其特征是所述计算包络谱的信噪比具体包括：首先对带通滤波后的信号取绝对值，低通滤波，然后进行功率谱分析，提取包络谱和包络谱背景，得到包络谱信噪比。
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