干擾抑制門(mén)在線譜提取中的應(yīng)用

牛 芳，惠 娟，趙安邦,4

(1. 哈爾濱工程大學(xué) 水聲技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150001；2. 哈爾濱工程大學(xué) 海洋信息獲取與安全工信部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150001；3. 哈爾濱工程大學(xué) 水聲工程學(xué)院，哈爾濱 150001； 4. 中國(guó)船舶工業(yè)系統(tǒng)工程研究院水聲對(duì)抗技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100036)

對(duì)艦船類目標(biāo)識(shí)別主要分為兩大類方法，一種是從光學(xué)圖像中提取輪廓特征[1]，另一種是從艦船輻射噪聲中提取聲學(xué)特征。其中聲學(xué)特征可以是從艦船輻射噪聲連續(xù)譜中提取的功率、幅度、高階累積量以及一些非線性動(dòng)力學(xué)特征，也可以是從線譜中提取的軸頻、葉頻以及葉片數(shù)等特征量。針對(duì)艦船輻射噪聲中連續(xù)譜的方法主要有：功率譜分析法[2]、小波變換法[3]、希爾伯特黃變換相關(guān)方法[4-5]、非線性動(dòng)力學(xué)法[6-7]以及仿人耳聽(tīng)覺(jué)分析法[8-9]等。螺旋槳空化噪聲往往會(huì)產(chǎn)生幅度調(diào)制，通過(guò)解調(diào)處理的調(diào)制譜中存在許多離散線譜，線譜位置對(duì)應(yīng)著螺旋槳的軸頻(基頻)、葉頻以及其諧波(軸頻與葉片數(shù)的乘積)[10]，利用這些離散線譜可估計(jì)螺旋槳的軸頻[11-12]。螺旋槳軸頻與艦船排水量和航速有關(guān)[13]，當(dāng)航速和排水量不變時(shí)，螺旋槳軸頻不變。故螺旋槳軸頻可以為被動(dòng)聲吶目標(biāo)檢測(cè)和分類識(shí)別提供重要依據(jù)。螺旋槳軸頻物理意義明確，相對(duì)于連續(xù)譜特征，軸頻作為艦船目標(biāo)識(shí)別特征具有更高的穩(wěn)定性和可區(qū)分性。

艦船輻射噪聲和海洋環(huán)境噪聲十分復(fù)雜，寬帶干擾給線譜提取帶來(lái)了困難。在線譜提取和檢測(cè)中，一般使用自適應(yīng)線譜增強(qiáng)器(Adaptive Line Enhancer, ALE)[14]來(lái)增強(qiáng)線譜，抑制寬帶干擾。然而ALE有以下幾種固有缺陷：① 收斂速度和穩(wěn)態(tài)失調(diào)量構(gòu)成一對(duì)矛盾；② 收斂性能受輸入信號(hào)功率的影響；③ 計(jì)算復(fù)雜，運(yùn)算量大，實(shí)時(shí)性較差。利用相干累加算法[15-16]改進(jìn)的ALE僅能提高線譜增強(qiáng)性能，羅斌等[17]提出的歸一化頻域批處理最小均方算法[17]也僅能夠在一定程度上減小其計(jì)算量，不能彌補(bǔ)其他固有缺陷。

本文提出了一種新的寬帶干擾抑制算法——干擾抑制門(mén)算法。該算法此算法步驟簡(jiǎn)潔，運(yùn)算速度快，且性能穩(wěn)定。文中通過(guò)對(duì)單頻信號(hào)和諧波信號(hào)的仿真，分析了其干擾抑制性能，并將其用于實(shí)測(cè)螺旋槳噪聲的線譜提取中。

1 干擾抑制門(mén)原理

干擾抑制門(mén)是利用單頻信號(hào)和寬帶噪聲不相關(guān)時(shí)噪聲分量只存在于相關(guān)峰處這一特征，通過(guò)對(duì)相關(guān)峰做置零處理，來(lái)抑制寬帶干擾。圖1給出了算法流程：將輸入信號(hào)進(jìn)行自相關(guān)運(yùn)算，再通過(guò)一個(gè)干擾抑制門(mén)，得到輸出后進(jìn)行譜分析。本文給出的干擾抑制算法可抑制寬帶干擾，用于線譜提取或檢測(cè)中，能夠降低線譜的提取難度或提高線譜檢測(cè)概率。

圖1 干擾抑制算法流程圖

假設(shè)輸入信號(hào)x(t)包括有用信號(hào)s(t)和噪聲n(t)，且信號(hào)和噪聲不相關(guān)，即x(t)=s(t)+n(t)，那么其自相關(guān)函數(shù)有

(1)

式(1)說(shuō)明，當(dāng)信號(hào)與噪聲完全不相關(guān)時(shí)，輸入信號(hào)進(jìn)行自相關(guān)運(yùn)算后，噪聲分量只存在于相關(guān)峰處(即t=T處)?；诖它c(diǎn)特征，只要將相關(guān)峰附近一定時(shí)間寬度內(nèi)的輸出置零，即可抑制干擾。所以，這里將干擾抑制門(mén)函數(shù)W(t)設(shè)置為一個(gè)加權(quán)窗，表達(dá)式為

(2)

式中：2β為置零時(shí)間寬度。圖2中顯示了干擾抑制門(mén)時(shí)間窗函數(shù)。經(jīng)過(guò)干擾抑制門(mén)加權(quán)后，得系統(tǒng)輸出

z(t)=p(t)·W(t)

(3)

圖2 干擾抑制門(mén)窗函數(shù)

干擾抑制門(mén)窗函數(shù)的置零時(shí)間寬度2β略寬于相關(guān)峰寬度，跟處理頻帶B有關(guān)，一般取2β=2/B。

2 干擾抑制門(mén)算法仿真

1.1 輸入為單頻信號(hào)

采樣率為2 kHz，正弦信號(hào)頻率為15 Hz，處理頻帶為0～100 Hz，帶寬內(nèi)信噪比為-10 dB。圖3(a)為輸入波形，圖3(b)為自相關(guān)輸出，將相關(guān)峰處放大得圖3(c)，其中虛線為抑制門(mén)，窗函數(shù)的置零寬度為20 ms，圖3(d)為原信號(hào)和抑制后信號(hào)的頻譜。圖3中信號(hào)都做了歸一化處理。從圖3(d)中可以看出該輸入信號(hào)在頻域只有一根15 Hz的線譜，經(jīng)過(guò)干擾抑制處理后的線譜旁瓣大大降低，說(shuō)明該算法起到了抑制寬帶噪聲的作用。

(a) 輸入信號(hào)波形

(b) 自相關(guān)輸出

(c) 自相關(guān)輸出(相關(guān)峰處)

(d) 信號(hào)功率譜

1.2 輸入為諧波信號(hào)

輸入信號(hào)為基頻15 Hz的單頻信號(hào)和其二至四次諧波的疊加，幅度分別為0.5、0.6、1、0.4，處理頻帶不變，帶寬內(nèi)信噪比為-5 dB。

(a) 輸入信號(hào)波形

(b) 自相關(guān)輸出

(c) 自相關(guān)輸出(相關(guān)峰處)

(d) 信號(hào)功率譜

1.3 干擾抑制門(mén)性能分析

對(duì)單頻和諧波兩種輸入信號(hào)進(jìn)行了多次仿真，并對(duì)干擾抑制門(mén)輸出信噪比增益進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。這里的信噪比增益是指抑制門(mén)頻域輸出信噪比與輸入信號(hào)頻域信噪比之差。圖5為輸入信噪比與干擾抑制門(mén)輸出信噪比增益之間的關(guān)系曲線，是100次統(tǒng)計(jì)平均值。從圖中可以看出，當(dāng)輸入為單頻信號(hào)時(shí)，系統(tǒng)增益在輸入信噪比為-7 dB時(shí)達(dá)到最大值。而對(duì)于諧波輸入，系統(tǒng)增益在輸入信噪比為-6 dB時(shí)達(dá)到最大，且小于單頻輸入時(shí)最大增益。隨著輸入信噪比的增加，系統(tǒng)輸出增益呈近似線性反比降低，當(dāng)輸入信噪比大于0 dB時(shí)，兩種輸入具有幾乎相同的輸出增益。當(dāng)輸入信噪比足夠高(如圖5中8 dB)時(shí)，系統(tǒng)對(duì)信號(hào)的抑制大于對(duì)噪聲的抑制，增益為負(fù)值，此時(shí)干擾抑制門(mén)失去意義。另外，圖5中的統(tǒng)計(jì)結(jié)果都是在能夠檢測(cè)到線譜的條件下計(jì)算得出的。從圖中可以看出，干擾抑制門(mén)對(duì)單頻輸入信號(hào)具有更好的寬容性，具有更優(yōu)異的干擾抑制性能。表1中列出了其中10次結(jié)果，并計(jì)算得出其均值，輸入信噪比分別為-10 dB和-5 dB。

圖5 干擾抑制門(mén)輸出信噪比增益

表1 干擾抑制門(mén)輸出信噪比增益

3 干擾抑制門(mén)在線譜提取中的應(yīng)用

將艦船輻射噪聲進(jìn)行帶通濾波、解調(diào)、低通濾波處理后，在頻域會(huì)得到離散的、分布在葉片速率倍數(shù)上的“葉片速率”線譜系列。將干擾抑制算法用于低通濾波之后，在信號(hào)時(shí)域進(jìn)行干擾抑制處理，如圖6中虛線框中所示。用平均周期圖法得到功率譜，功率譜通過(guò)自適應(yīng)門(mén)限分離出線譜后可繼續(xù)提取軸頻。

圖6 螺旋槳噪聲線譜提取流程

對(duì)湖試中采集的一大型貨船的輻射噪聲信號(hào)進(jìn)行處理。貨船航行速度為10節(jié)，信號(hào)采樣率為8 kHz。由于解調(diào)譜中的“葉片速率”線譜系列大多集中在100 Hz以下，為了減少線譜丟失，處理帶寬設(shè)為0～200 Hz，抑制門(mén)置零時(shí)間寬度為10 ms。圖7(a)為輻射噪聲信號(hào)低通濾波后時(shí)間波形。從圖7(d)功率譜中可以發(fā)現(xiàn)，本文的算法明顯起到了抑制寬帶干擾的效果。三次諧波34.25 Hz處線譜最強(qiáng)，各階諧波分量皆有一定損失，但考慮到其干擾抑制效果，損失可忽略。經(jīng)計(jì)算得抑制門(mén)輸出信噪比增益為8.65 dB。采用參考文獻(xiàn)[18]中提出的最大公約數(shù)法提取螺旋槳軸頻，得到軸頻為11.25 Hz。

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)干擾抑制門(mén)，對(duì)寬帶噪聲干擾進(jìn)行抑制。

(1) 對(duì)單頻和諧波兩種輸入信號(hào)的仿真證明了干擾抑制門(mén)的有效性。通過(guò)多次仿真，對(duì)干擾抑制門(mén)輸出信噪比增益進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。結(jié)果表明系統(tǒng)增益與輸入信噪比有關(guān)，隨著輸入信噪比增大，系統(tǒng)增益有一最大值，當(dāng)輸入信噪比足夠高時(shí)，系統(tǒng)對(duì)信號(hào)的抑制大于對(duì)噪聲的抑制，增益為負(fù)值，此時(shí)干擾抑制門(mén)失去意義。干擾抑制門(mén)對(duì)單頻輸入信號(hào)具有更好的寬容性，且具有更優(yōu)異的干擾抑制性能。

(a) 輸入信號(hào)波形

(b) 自相關(guān)輸出

(c) 自相關(guān)輸出(相關(guān)峰處)

(d) 功率譜

(2) 對(duì)艦船輻射噪聲解調(diào)信號(hào)進(jìn)行干擾抑制處理，再?gòu)墓β首V中分離線譜并提取了螺旋槳軸頻。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文提出的干擾抑制門(mén)算法能夠有效抑制寬帶干擾，為線譜分離提取和線譜檢測(cè)提供了便利。螺旋槳軸頻可用于艦船目標(biāo)識(shí)別。