基于兩級(jí)自適應(yīng)線譜增強(qiáng)器的艦船輻射噪聲線譜檢測(cè)

石敏，徐襲，岳劍平

（1．水聲對(duì)抗技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東湛江524022; 2.中國(guó)人民解放軍91388部隊(duì)，廣東湛江 524022）

0 引言

如何從艦船輻射噪聲中提取一種能反映目標(biāo)本質(zhì)特征的有效特征，一直是被動(dòng)聲吶水下目標(biāo)識(shí)別中的主要研究問題［1］。最常用的特征提取方法是對(duì)艦船輻射噪聲信號(hào)進(jìn)行功率譜分析，提取線譜或連續(xù)譜特征。特別是其線譜與艦船推進(jìn)系統(tǒng)、螺旋槳及輔機(jī)有關(guān)，能有效區(qū)分各類不同艦船輻射噪聲［2］。因此對(duì)艦船輻射噪聲的線譜進(jìn)行檢測(cè)在水下目標(biāo)識(shí)別中十分有用的。

通常情況下輻射噪聲線譜具有頻率低和相對(duì)強(qiáng)的寬帶背景噪聲屬于弱信號(hào)的特點(diǎn)［3］，采用一般的傅立葉變換方法很難檢測(cè)到強(qiáng)噪聲背景下的線譜成分。自適應(yīng)譜線增強(qiáng)方法具有抑制噪聲，增強(qiáng)線譜的功能，適合于強(qiáng)噪聲背景下弱信號(hào)的檢測(cè)。但實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)僅通過一級(jí)ALE得到的信號(hào)中線譜增強(qiáng)不明顯，因此本文提出了基于兩級(jí)ALE的線譜檢測(cè)方法，仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方法較一級(jí)ALE方法更能實(shí)現(xiàn)線譜的有效檢測(cè)。

1 自適應(yīng)線譜增強(qiáng)器基本原理

自適應(yīng)線譜增強(qiáng)器（adaptive line enhancement，ALE）是在存在寬帶噪聲背景下將正弦信號(hào)或窄帶信號(hào)檢測(cè)出來的自適應(yīng)譜估計(jì)技術(shù)，它無須獨(dú)立的參考信號(hào)，廣泛應(yīng)用于頻譜估算、譜線檢測(cè)及窄帶檢測(cè)等領(lǐng)域［3－7］。圖1給出了ALE的原理框圖。

圖1中，x（n）為輸入信號(hào);s（n）為正弦或窄帶信號(hào);υ（n）為寬帶白噪聲。且

式中:L為自適應(yīng)濾波器階數(shù);ωi（n）為濾波器在n時(shí)刻的第i個(gè)權(quán)系數(shù)值。

圖1 ALE的原理框圖Fig.1Block figure of ALE

當(dāng)延時(shí)Δ選為小于υ（n）的時(shí)間相關(guān)半徑而大于s（n）的時(shí)間相關(guān)半徑時(shí)，s（n）與s（n－Δ）相關(guān)，υ（n）與υ（n－Δ）不相關(guān)。當(dāng)自適應(yīng)地調(diào)整濾波器權(quán)系數(shù)，使誤差e（n）的均方差極小時(shí)，自適應(yīng)濾波器的輸出y（n）中的寬帶噪聲成分極小，而其正弦或窄帶成分接近輸入信號(hào)x（n）中的正弦或窄帶成分s（n），從而實(shí)現(xiàn)了線譜增強(qiáng)，即輸出y（n）為s（n）的最優(yōu)估計(jì)，e（n）為υ（n）的最優(yōu)估計(jì)。

令

則根據(jù)最小均方（Least Mean Square，LMS）算法計(jì)算權(quán)系數(shù)ωi（n）的步驟為［8］:

其中:μ為自適應(yīng)學(xué)習(xí)步長(zhǎng)，且0＜μ＜1/λmax，λmax為X（n）的自相關(guān)陣RXX的最大特征值。

2 兩級(jí)自適應(yīng)線譜增強(qiáng)器原理

兩級(jí)ALE是在一級(jí)ALE的基礎(chǔ)上，將延時(shí)信號(hào)x（n－Δ）與誤差信號(hào)e（n）相減后作為第2級(jí)ALE的輸入。其具體框圖見圖2。含噪信號(hào)x（n）=s（n） +υ（n）經(jīng)一級(jí)ALE后得到信號(hào)估計(jì)s^1（n）和誤差信號(hào)ν^1（n），然后將x（n）的延時(shí)信號(hào)x（n－Δ）與ν^1（n）相減作為第2級(jí)ALE的輸入，最后得到兩級(jí)ALE的輸出信號(hào)s^（n），它將原信號(hào)x（n）的線譜進(jìn)一步增強(qiáng)。

圖2 兩級(jí)ALE結(jié)構(gòu)圖Fig.2Block figure of two-lever ALE

3 算法仿真

仿真信號(hào)為

式中:A1=1，A2=0.5，A3=0.3;f1=20 Hz，f2= 50 Hz，f3=75 Hz;φ1=0，φ2=0，φ3=π/3;ν（t）為高斯白噪聲，信噪比為－4.5 dB，信號(hào)采樣率為1000 Hz。圖3給出了采用一級(jí)ALE和兩級(jí)ALE對(duì)該信號(hào)線譜進(jìn)行檢測(cè)的結(jié)果。圖3（a）為原始信號(hào)，（b）、（c）和（d）分別為原始信號(hào)的功率譜圖、信號(hào)經(jīng)一級(jí)ALE后輸出信號(hào)的功率譜圖及信號(hào)經(jīng)兩級(jí)ALE后的功率譜圖。從圖3可明顯看出，兩級(jí)ALE比一級(jí)ALE對(duì)線譜檢測(cè)更準(zhǔn)確。

圖3 仿真信號(hào)及其線譜分析Fig.3Emulation signal and its line spectrum analysis

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

采用某艦船輻射噪聲的線譜檢測(cè)來驗(yàn)證兩級(jí)ALE算法。圖4為輻射噪聲及其線譜檢測(cè)結(jié)果。由圖可見，兩級(jí)ALE算法可準(zhǔn)確檢測(cè)出艦船輻射噪聲的線譜。

圖4 實(shí)測(cè)信號(hào)及其線譜分析Fig.4Test signal and its line spectrum analysis

5 結(jié)語

本文在一級(jí)自適應(yīng)線譜增強(qiáng)器的基礎(chǔ)上，提出采用兩級(jí)自適應(yīng)線譜增強(qiáng)器對(duì)艦船輻射噪聲線譜進(jìn)行檢測(cè)。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明兩級(jí)ALE較一級(jí)ALE在輸入信號(hào)信噪比較低時(shí)更能實(shí)現(xiàn)線譜的準(zhǔn)確測(cè)量。

［1］王菲，曾慶軍，黃國(guó)建，等．基于調(diào)制線譜特征提取的被動(dòng)聲吶目標(biāo)識(shí)別技術(shù)研究［J］．艦船科學(xué)技術(shù)，2002，24（2）:36－41．

WANG Fei，ZENG Qing-jun，HUANG Guo-jian，et al．Research on technique of passive sonar target recognition based modulation line spectrum feature extraction［J］．Ship Science and Technology，2002，24（2）:36－41．

［2］王之程，等．艦船噪聲測(cè)量與分析［M］．北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2004．

WANG Zhi-cheng，et al．Warship noise measuring and analyzing［M］．Beijing:NationalDefenceIndustry Publishing，2004．

［3］楊西林，周金，王炳和，等．自適應(yīng)譜線增強(qiáng)在艦船輻射噪聲線譜檢測(cè)中的應(yīng)用［J］．艦船科學(xué)技術(shù)，2009，31（3）:93－95，107．

YANG Xi-lin，ZHOUJin，WANGBing-he，etal．Application of adaptive line enhancement on testing the ship-radiated noise［J］．Ship Science and Technology，2009，31（3）:93－95，107．

［4］陶林偉，王英民，王成，等．基于定點(diǎn)DSP的自適應(yīng)線譜增強(qiáng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］．計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2007，43 （30）:101－103．

TAO Lin-wei，WANG Ying-min，WANG Cheng，et al．Design of adaptive line enhancement system based on fixedpoint DSP［J］．Computer Engineering and Applications，2007，43（30）:101－103．

［5］康春玉，章新華．兩級(jí)NLMS自適應(yīng)濾波的仿真與應(yīng)用研究［J］．系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2009，21（7）:1999－2001．

KANGChun-yu，ZHANGXin-hua．Simulationand application study based on two NLMS self-adaptation filter［J］．Journal of System Simulation，2009，21（7）:1999－2001．

［6］劉輝濤，叢衛(wèi)華，潘翔．窄帶弱信號(hào)的線譜檢測(cè)－相干累加頻域批處理自適應(yīng)線譜增強(qiáng)方法［J］．浙江大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2007，41（12）:2048－2051．

LIU Hui-tao，CONG Wei-hua，PAN Xiang．Line spectral detection of tone weak signal-an adaptive line enhancement technique using coherent addition and frequency domain batch［J］．Journal of ZheJiang University（Engineering Science），2007，41（12）:2048－2051．

［7］李啟虎．?dāng)?shù)字式聲吶設(shè)計(jì)原理［M］．合肥:安徽教育出版社，2003．

LI Qi-hui．Theory of digital sonar design［M］．Hefei:Anhui Education Publishing:2003．

［8］西蒙·赫金．自適應(yīng)濾波器原理（第四版）［M］．鄭寶玉，等譯．北京:電子工業(yè)出版社，2003．369－402．

HEJIN S．Theory of adaptive filter（Fourth Editor）［M］．ZHENG Bao-yu，et al translate．Beijing:Electronic and Industry Publishing，2003．369－402．