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舰船辐射噪声弱调制特征提取方法

饶柏斌  
【摘要】:在海洋中,目前已知的唯一可以有效地长距离传输的能量形式只有声波。声呐是通过水下声波对水声目标进行远距离探测和定位的装备。被动声呐通过在水下侦听舰船辐射噪声信号,从信号中提取目标特征,实现对水声目标的检测、定位和分类识别。宽带调制特征反映了舰船目标螺旋桨的桨叶数和主轴转速等物理参数,是舰船辐射噪声中的一种重要的特征。在声呐系统中,采用Detection of Envelope Modulation on Noise(DEMON)方法获取舰船辐射噪声宽带调制特征。当前,减振降噪技术的日益发展使得水声目标的辐射噪声强度和特征持续减弱,使得在实际海洋环境中,常规的DEMON方法检越来越难以提取舰船辐射噪声的调制特征,制约了声呐在水下的目标检测和分类识别性能。本文针对在舰船辐射噪声信号中弱调制特征的检测和提取,开展了如下研究。分析了舰船辐射噪声的产生机理和信号统计规律,考虑宽带调制信号的调制频段分布和目标机动带来的噪声起伏,建立了舰船辐射噪声精细模型,并设计了信号仿真方法。分析了DEMON算法对宽带调制信号的解调谱分析和线谱检测的原理,针对分频带解调算法频带划分造成频带增益损失提出了频段补偿的宽带解调方法,该方法根据各频段调制强度设计频段补偿滤波器对原始信号各频段加权,再进行全频带解调获取DEMON谱,实验证明该方法相对分频带解调可以获取质量更高的DEMON谱。分析了螺旋桨噪声的循环平稳特性,分析了宽带调制信号中调制函数和调制频带分布在循环谱中的表征。针对弱调制信号提出了一种基于循环谱和谱熵的解调方法(Cyclostationary Spectrum Entropy Algorithm,CSEA),通过谱熵判断循环谱各频段谱质量,设计合理的加权融合系数,获得较高信噪比的DEMON谱。实验证明CSEA相对分频带解调算法能有效的提高对弱信号的检测能力。提出了一种谐波转换算法(Harmonic Transform Algorith,HTA)用于解调谱中的轴频提取。HTA通过Harmonic-Transform变换,求解目标信号的谐波谱,并证明了在目标轴频出,谐波谱具有最大值。Harmonic-Transform将频率及其谐波的能量集中在一起,对于谐波丢失以及干扰线谱等情况有较好的抑制效果。HTA的优点除了对信噪比较低的信号有很好的轴频提取能力之外,HTA还可以对采样时间长度较短的信号进行内插,提升谱的频率分辨率。HTA通过设置转换矩阵的频率间隔,来得到高精度的谐波谱,并由此得到更精确的轴频。


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