艦船地震波數(shù)據(jù)分析

車振

【摘要】本文利用功率譜分析、短時(shí)傅立葉變換方法對(duì)艦船地震波數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，得出了“艦船地震波具有良好的‘通過(guò)特性、較明顯的頻譜特征和較好的區(qū)域特性”的結(jié)論，表明艦船地震波在引信技術(shù)中具有較好的應(yīng)用前景。

【關(guān)鍵詞】艦船;引信;地震波

1.引言

地震波指由于地震活動(dòng)而引起的經(jīng)由大地傳播的極低頻聲波，艦船地震波指由于艦船航行而引起的通過(guò)海底傳播的低頻聲波[2，3]。在淺水區(qū)，由于海洋混響和多途效應(yīng)的影響，艦船水聲信號(hào)傳播非常復(fù)雜，對(duì)水中兵器引信提出了較大挑戰(zhàn)。地震波沿海底傳播，損耗小，傳播距離較遠(yuǎn)，可以作為一種較理想的艦船物理場(chǎng)[1]。艦船地震波的來(lái)源主要是艦船噪聲，包括機(jī)械噪聲、螺旋槳噪聲和水動(dòng)力噪聲。

2.譜分析

2.1 功率譜

功率譜是譜分析中一種常用方法。自相關(guān)函數(shù)間接地給出了隨機(jī)過(guò)程中的頻率信息，根據(jù)自相關(guān)函數(shù)的傅立葉變換及其逆變換，并依據(jù)自相關(guān)函數(shù)的定義，可得到：

（1）

式中：為隨機(jī)過(guò)程;Wi（f）為等效的單邊譜密度函數(shù)，f為頻率。

由式（1）能夠看出，的均方值由譜密度Wi（f）對(duì)f下的面積來(lái)確定。一般意義上，功和能量與振幅的平方成正比，所以譜密度Wi（f）可以看作隨機(jī)信號(hào)在單位頻帶內(nèi)的諧波分量的能量按頻率f分布的度量，稱為功率譜密度函數(shù)。

2.2 短時(shí)傅立葉變換

用一個(gè)在時(shí)間上可滑動(dòng)的“窗”來(lái)進(jìn)行傅立葉變換，可實(shí)現(xiàn)在時(shí)域和頻域上均具有較好局部分辨力的分析方法，即短時(shí)傅立葉變換。h（t）是中心位于且寬度有限的時(shí)窗函數(shù)，x（t）是通過(guò)h（t）觀察到的平穩(wěn)信號(hào)，加窗信號(hào)的傅立葉變換即短時(shí)傅立葉變換，表示如下：

（2）

式中：STFT是將信號(hào)x（t）映射到時(shí)頻平面上的二維函數(shù)。隨著的變化，h（t）所確定的時(shí)窗在時(shí)間軸上滑移，對(duì)信號(hào)進(jìn)行分段截取，將其轉(zhuǎn)化為若干段局部平穩(wěn)信號(hào)，分別進(jìn)行傅立葉變換后得到一組信號(hào)的局部頻譜。從不同時(shí)刻局部頻譜上的差異便可得到信號(hào)的時(shí)變特征。反映了x（t）在時(shí)刻的頻率為f的信號(hào)成分的相對(duì)含量。

3.艦船地震波

作者利用自研的地震波傳感器在湖上開(kāi)展了測(cè)試試驗(yàn)，傳感器布深20m，采樣率為100Hz，被測(cè)目標(biāo)為100t的民用船只。目標(biāo)直線航行，其中三個(gè)航次的數(shù)據(jù)如圖1～圖3所示。圖中，橫軸為時(shí)間（采樣點(diǎn)數(shù)），縱軸為幅值;紅線指示目標(biāo)通過(guò)正橫的時(shí)刻。對(duì)數(shù)據(jù)的最大值進(jìn)行分析，如表1所示。

可見(jiàn)，地震波振幅與距離之間具有較強(qiáng)的相關(guān)性，即距離越遠(yuǎn)振幅越小，這也符合直觀理解。

4.結(jié)果分析

4.1 曲線擬合

對(duì)地震波數(shù)據(jù)取絕對(duì)值，利用鐘形信號(hào)對(duì)其進(jìn)行擬合，結(jié)果如圖4～圖6所示，橫軸為采樣點(diǎn)數(shù)，縱軸為信號(hào)幅度?？梢钥闯觯灤卣鸩ň哂蟹浅Ａ己玫摹巴ㄟ^(guò)特性”，許多傳統(tǒng)的引信技術(shù)[4]可以直接類比應(yīng)用到地震波引信中。

表1 地震波振幅對(duì)比表

航次 最大振幅（單位：μg） 正橫距離（單位：m）

1 96.03 11.34

2 41.40 44.24

3 26.66 61.03

4.2 功率譜分析

航次1～航次3的功率譜如圖7～圖9所示，橫軸為頻率，縱軸為幅度。可以看出艦船地震波具有“連續(xù)譜+線譜”的特征，具體的處理方法可以借鑒水聲信號(hào)處理技術(shù)。針對(duì)本次的被測(cè)目標(biāo)，可以看出在5Hz和10Hz處有兩個(gè)較大的峰值，識(shí)別特征明顯。

4.3 短時(shí)傅立葉變換分析

航次1～航次3的短時(shí)傅立葉變換結(jié)果如圖10～圖12所示，橫軸為時(shí)間，縱軸為頻率?？梢钥闯?，在被測(cè)目標(biāo)通過(guò)正橫時(shí)刻的前后具有明顯的陰影區(qū)，表明地震波具有較好的區(qū)域特性。

5.結(jié)束語(yǔ)

本文利用曲線擬合、功率譜分析和短時(shí)傅立葉變換方法對(duì)艦船地震波數(shù)據(jù)進(jìn)行了初步分析，結(jié)果表明：地震波具有良好的“通過(guò)特性”、較明顯的頻譜特征和較好的區(qū)域特性，非常適合作為引信的信息源使用。

參考文獻(xiàn)

[1]葉平賢，龔沈光.艦船物理場(chǎng)[M].北京：兵器工業(yè)出版社，1992.

[2]陳云飛等.航行艦船地震波及其在水中目標(biāo)探測(cè)中的應(yīng)用[J].艦船科學(xué)技術(shù)，2005（3）：62-66.

[3]董立等.地震波引信設(shè)計(jì)方案的探討[J].探測(cè)與控制學(xué)報(bào)，2008（5）：4-6.

[4]蔡鹍.水雷引信技術(shù)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2012.