参数未知的舰船辐射噪声检测方法

舰船辐射噪声的检测方法已有广泛研究,其中线谱特征是检测的重要依据。基于线谱特征的舰船辐射噪声检测方法常需要线谱数目、频率等参数作为检测的先验信息,这些信息不准确或无法确知时,检测方法的性能会受到显著影响。针对实际应用中对于未知舰船无法获得其参数信息的情况,研究基于连续谱谱峰特征的更为一般性的信号存在性检测方法。将窄带信号瞬时频率分析的思想扩展到舰船辐射噪声这类宽带信号,从信号频率与能量分布的角度推导得到宽带信号"瞬时频率"的近似表示式。构建宽带信号的瞬时频率检测器,并对其性能进行理论分析,结果表明该检测器的性能主要受舰船辐射噪声瞬时频率方差以及接收信噪比影响。通过计算机仿真和实际数据对算法的性能进行了验证。     

舰船辐射噪声的动态识别

以舰船辐射噪声的包络谱分析为基础,讨论了舰船包络谱的特点和提取的方法。据此提出了一种新的目标识别方法。该方法能有效提高舰船噪声识别系统的识别准确率,还可同时获得有关目标舰船的重要运动要素。     

舰船辐射噪声的子波分析

本文把子波变换多分辨的特点应用于舰船噪声的分析中。这种新的分析方法克服了短时间谱在时频平面上均匀分割带来低频域频率分辨率低,而高频域时间分辨低的缺点。船辐射噪声的尺度谱保留了传统倍频程方法在频率域分割的优点,且还有高频域时间分辨高的特点。从大庆31号油船辐射噪声的尺度谱上可清楚看到在低频域上有二根横线,其尺度值换算为频率后为27.8 Hz和44.1 Hz,反映在此频率附近,信号能量较高;同时还可清楚看到在高频域上有9.5 Hz叶片频的调幅现象。在它的短时谱图中是无法同时看到这二个特征的。本文在描述和显示船辐射噪声的谱特征时充分利用它们符合局部平稳过程的特点,把平稳谱和非平稳谱拆开描述和显示,获得很好的结果     

匹配场处理舰船辐射噪声级估计方法

针对水声信道对舰船辐射噪声声传播的影响,进而导致声源级测量结果不准确的问题,提出了基于匹配场处理的舰船辐射噪声级估计方法。在海洋环境噪声为空间均匀高斯白噪声的假设下,当海洋环境参数已知、信噪比满足一定要求时,匹配场处理能有效地给出被测噪声源的位置信息及该位置处的能量响应。从能量估计角度出发,推导了声源位置处匹配场输出响应的能量修正因子计算公式,从理论上证明了匹配场处理在被测声源位置处输出响应与能量修正因子的乘积为真实声源级的最小方差无偏(MVU)估计。该方法首先选择合适的声场计算模型计算拷贝场向量,对接收到的辐射噪声信号进行匹配场处理,得出接收信号级和被测声源位置;其次利用该位置所对应的拷贝场向量替换能量修正因子公式中的真实信道传输函数以计算能量修正因子的估计值;最后由接收信号级与能量修正因子估计值相乘得出舰船辐射噪声声源级的MVU估计。针对典型的浅海水声信道,进行了计算机仿真试验,结果表明:该方法能有效地进行舰船辐射噪声测量,当信噪比满足一定要求时,测量得到的声源级与实际声源级相比,误差小于1 dB。     

舰船辐射噪声的分形布朗运动模型

通过对分形布朗运动的研究,建立了舰船辐射噪声的分形布朗运动模型。在此模型基础上,提取了舰船辐射噪声的分数维参数,并构造了基于分形布朗随机场的分形特征矢量,在水声目标识别系统中提供了一种新的特征分析手段、通过分类对比实验,表明分形特征矢量可以成为水声目标分类的重要依据,能够有效地补充其他特征提取方法的不足.     

背景噪声中检测舰船辐射噪声的周期调制的性能估算

为了估算在高斯背景噪声中检测舰船噪声的周期调制的性能,本文导出了在平稳高斯白噪声中检测周期性局部平稳窄带高斯信号的周期调制的最小可检测信号（MDS）的一个简洁公式（19）。式（19）表明,检测性能基本取决于四个因素;信号的周期调制的深度（m_p）,前置处理器带通滤波器的带宽B,后置处理器中窄带滤波器带宽B₂和低通滤波器的积分时间T₂。若实际背景噪声偏离平稳,检测性能差于（19）式的估算值。为了减小误差,用实测的参数B_eqN代替式（19）中的B来修正式（19）。在非平稳背景噪声时检测性能不仅取决于上面所述的因素,而且与背景噪声非平稳性的强弱有关。     

舰船辐射噪声超混沌现象研究

水下弱目标探测和识别一直是水声信号处理领域中研究的难点。从Lyapunov指数谱、吸引子相空间轨迹的演化、分形维数等方面，对船舶辐射噪声是否存在超混沌现象进行了研究。实验结果表明，船舶辐射噪声信号确实存在至少两个正的Lyapunov指数，即存在超混沌现象。辐射噪声吸引子在相空间中的轨迹具有多方向伸展的趋势，且不同类型目标的吸引子具有不同的分形维数。研究结果为建立精确描述辐射噪声信号的非线性模型、为水下弱目标信号探测和识别提供一定的理论依据。     

舰船辐射噪声线谱的幅度起伏模型

本文讨论在海中传播的舰船辐射噪声线谱和海洋环境噪声的幅度起伏模型。当线谱信号模型取正弦波加窄带高斯噪声时,窄带检测系统的输出起伏满足2 BT个自由度的非中心卡埃平方分布,起伏方差为声源特性和传播过程造成的起伏方差与处理器引起的方差之和;而海洋环境噪声采用平稳的白色高斯噪声模型时,通过窄带处理系统后的输出起伏满足2 BT个自由度的卡埃平方分布,方差仅由处理器决定。最后给出相应的实验结果,与理论计算符合良好。     

基于高阶谱的舰船辐射噪声特征提取

在对现有舰船辐射噪声信号分布研究的基础上,使用可抑制高斯噪声的高阶谱（双谱和三谱）对其特征进行了分析。分析结果表明,不同类的舰船,其主频范围有其固定的区域。Ｉ类船其主频一般在１２０Ｈｚ以下,Ⅱ类船一般在１３０～３２０Ｈｚ之间。对于双谱图,不同的ω１与ω２的关系,其频谱特征有所不同,对于三谱也有同样的结果。本文中双僧取ω１＝ω２,三谱取ω１＝ω２＝ω３两种关系,以它们最大谱值对应的ω１以及Ｂ（ω１,ω２）中极大值所对应的ω１、ω２组成特征向量．     

舰船辐射噪声模拟发射系统的设计研究

本文依据典型舰船噪声的频谱特性规律,设计研制了一套舰船辐射噪声发射系统实验样机,包括信号结构设计、换能器选择配置、系统构成设计等,本噪声模拟发射系统具有100Hz～16kHz频带噪声的模拟发射功能,包括线谱、连续谱成分,频谱分配和谱线形式可调可控,信号总声源级动态范围达60dB。     

一种重构辐射噪声调制谱的方法

在进行辐射噪声信号的仿真研究中,希望利用经滤波、特征提取等处理所得到的反映目标特性的线谱、连续谱、调制谱来重构辐射噪声,以便于研究辐射噪声在声场中的传播特性。本文提出了利用迭代算法估算调制深度谱的算法,给出了时域辐射噪声的重构模型,以实测数据的调制谱为出发点,来重构其时域信号,并对重构前后的调制谱进行了误差分析,取得了较好的效果。     

一种从辐射噪声中提取调制谱的方法

在水下航行器的辐射噪声中,螺旋桨节拍对航行器的宽带辐射噪声存在着明显的振幅调制,调制频率与航行器螺旋桨的转速有关。该特征可用于估计航行器的速度及目标分类与识别。本文利用子波变换原理,从实测的航行器辐射噪声中提取了它的调制谱,并据此对螺旋桨转速进行了估计,计算机仿真结果与实测的螺旋桨的转速具有良好的一致性。     

遗传算法优化变分模态分解提取舰船辐射噪声特征线谱方法

特征线谱提取是舰船目标识别的一个重要研究环节,常采用传统的DEMON谱分析方法,处理过程中,一般对舰船噪声时域信号未予抑噪,低信噪比情况下,传统DEMON谱分析性能差。对此,提出一种采用遗传算法优化变分模态分解方法,用于分解舰船噪声原时域信号,获得抑制噪声后的舰船噪声重构信号,进而有效提取了舰船目标噪声幅度调制特征线谱。该方法首先采用遗传算法优化变分模态分解的两个关键输入参数(分解所取模态个数和惩罚因子),对变分模态分解得到的各阶固有模态分量加以判别,去除噪声主导分量,保留信号主导分量,使重构舰船噪声信号显著抑制了干扰噪声,然后对降噪后的重构信号进行频谱分析,获得目标噪声调制特征线谱。理论分析、仿真和实验数据处理结果表明,相比传统DEMON谱分析法,基于遗传算法优化变分模态分解的舰船噪声特征线谱提取方法具有更好的噪声抑制能力,所获取的舰船噪声幅度调制特征线谱信噪比明显高于传统DEMON方法,具有一定优势,前景良好。     

利用辐射噪声多线谱的多普勒进行距离估计

提出了一种利用辐射噪声多线谱的多普勒频移去估计直线匀速运动目标正横距离的方法,这种方法用单水听器进行无源测距,且不需要知道海深和其它环境参数。先用Wigner-Ville分布作为瞬时频率估计器估计出多线谱瞬时频率随时间变化作为一个信号,再定义多普勒频移的基函数,依据一种匹配投影原理,在五维空间中用一种可变步长的搜索策略去寻找该信号与多普勒频移基函数之间的最小空间距离。所找到最小距离的基函数对应于目标距离和速度的估计值。计算机模拟给出不同强度干扰噪声下的测距测速的统计误差。当干扰噪声的标准差为最大多普勒频移的10%及时间窗宽度为1.47倍的参考时宽时,测距相对误差小于5.4%,测速相对误差小于1.4%。对某海上实际目标的距离估计为42 m,速度为52 kn,与实际航行的值相符。此单点无源测距方法可应用于声呐浮标、水雷、水声实验中水声目标的运动分析和水下目标声源级测量。     

浅析水下高速航行体对转螺旋桨辐射噪声线谱建模

分析了某水下高速航行体辐射噪声线谱统计特性,指出对转螺旋桨水下高速航行体线谱主要由螺旋桨“叶片速率”线谱及其谐波频率线谱组成。在此基础上,以周期信号为模型建立了航行体辐射噪声线谱数学模型,并应用该模型对不同转速航行体辐射噪声线谱频率进行了预测。     

船舶侧斜螺旋桨空化噪声调制谱模型

针对侧斜螺旋桨船舶建立了一种螺旋桨空化噪声调制谱理论模型。将螺旋桨旋转过程中崩溃的空泡体积的周期性变化近似为空化噪声能量的变化,根据船尾伴流速度与空泡噪声体积成比例以及螺旋桨转速与空泡数量成比例的关系,推导出了空化噪声调制谱数学表达式。理论分析和仿真验证了桨叶之间的差异性是调制谱轴频线谱存在的主要原因,而影响调制谱叶频强度的主要因素为螺旋桨侧斜角度以及转速。研究结论为辐射噪声调制谱特征分析与提取提供了理论依据,同时对螺旋桨结构设计和船舶降噪也具有一定的参考价值。     

船舶侧斜螺旋桨空化噪声调制谱模型

针对侧斜螺旋桨船舶建立了一种螺旋桨空化噪声调制谱理论模型。将螺旋桨旋转过程中崩溃的空泡体积的周期性变化近似为空化噪声能量的变化,根据船尾伴流速度与空泡噪声体积成比例以及螺旋桨转速与空泡数量成比例的关系,推导出了空化噪声调制谱数学表达式。理论分析和仿真验证了桨叶之间的差异性是调制谱轴频线谱存在的主要原因,而影响调制谱叶频强度的主要因素为螺旋桨侧斜角度以及转速。研究结论为辐射噪声调制谱特征分析与提取提供了理论依据,同时对螺旋桨结构设计和船舶降噪也具有一定的参考价值。     

舰船辐射噪声贝叶斯方法反演浅海底层结构及地声参数EI北大核心CSCD

针对以舰船辐射噪声为参考声源的浅海海底分层结构及地声参数反演问题,研究了一种基于贝叶斯理论的浅海多层海底地声参数反演方法。反演中以舰船辐射噪声的线谱成分为研究对象,进而采用非线性贝叶斯反演方法反演浅海底层结构、层中声速、声速衰减和密度,并对反演结果的不确定性进行分析。反演结果的最大后验概率估计值和边缘概率分布分别通过拨正模拟退火算法和Metropolis-Hastings采样法在各参数先验区间内计算获得,并根据贝叶斯信息准则确定最佳海底分层结构。海上实验表明:根据该方法反演获得海底分层结构及地声参数,计算得到的声压场与实测舰船辐射噪声传播损失误差不超过10%,反演结果能够准确表征实验海区海底特征。反演结果不确定性分析表明:海底纵波声速、横波声速以及密度的不确定性更小,对声压场变化更加敏感,反演结果更有效、准确。