基于線譜特征的水中航行物檢測(cè)方法

基于線譜特征的水中航行物檢測(cè)方法

線譜的頻率穩(wěn)定性和時(shí)頻分析技術(shù)利用船舶輻射噪聲特性提高聲門下的性能是前人的一個(gè)重要努力方向。利用譜特性中的線譜是很吸引人的,單從檢測(cè)性能講,由于線譜強(qiáng)度可以高出連續(xù)譜許多,有的可高出20dB以上,利用這些線譜可以使聲吶作用距離明顯增加。要利用線譜就要求對(duì)線譜的特性有深入的了解。線譜的非平穩(wěn)性是線譜特性的一個(gè)重要方面。線譜聲源產(chǎn)生的幅度和頻率的不穩(wěn)定,海洋信道的起伏和多普勒現(xiàn)象等是線譜非平穩(wěn)性的原因。線譜的頻率不穩(wěn)定使“用增加積分時(shí)間來(lái)獲得線譜增益”的方法受到限制。本文調(diào)查了許多水中目標(biāo)線譜頻率穩(wěn)定性的情況,可以看到有些目標(biāo)線譜頻率很穩(wěn)定,有利用長(zhǎng)積分時(shí)間的價(jià)值,有的卻不能。有的線譜非平穩(wěn)性中含有目標(biāo)的速度和距離信息,給提取目標(biāo)信息創(chuàng)造條件。文獻(xiàn)1研究了艦船噪聲線譜和環(huán)境噪聲起伏模型,文獻(xiàn)2分析了出現(xiàn)頻率大于50%的線譜的頻率和幅度穩(wěn)定性,文獻(xiàn)3—文獻(xiàn)11對(duì)線譜進(jìn)行多方面的研究。時(shí)頻分析技術(shù)近年來(lái)發(fā)展迅速,它把一個(gè)隨時(shí)間變化的信號(hào),用二維時(shí)頻平面上分布來(lái)表示。時(shí)譜分析的技術(shù)有短時(shí)傅氏變換、子波變換、Chirplet變換等,這些方法的基函數(shù)為線性函數(shù)。文獻(xiàn)12,13提出了Dopplerlet(多普勒小波)變換并用于噪聲背景下恢復(fù)原始信號(hào)獲得成功。本文利用Dopplerlet變換,分析水中移動(dòng)目標(biāo)的輻射噪聲信號(hào)。由于Dopplerlet能與噪聲中由多普勒產(chǎn)生的線譜非平穩(wěn)性相匹配,這就有可能從中估計(jì)到水中目標(biāo)的航行速度和距離。1正常通過(guò)線譜來(lái)估計(jì)距離圖1(a)和(b)分別示出m401水中航行物輻射噪聲的時(shí)變譜圖像和線譜圖。圖1(a)示出的時(shí)變譜圖像用灰度表示譜強(qiáng)度(dB),x軸表示時(shí)間,y軸表示頻率。在線譜圖中的平均時(shí)間很長(zhǎng),只有很穩(wěn)定的線譜才能跳出來(lái)。而頻率變化的線譜可以在時(shí)變譜圖像中看到。線譜頻率的變化反映了航行物航行狀態(tài)的變化,在圖1(a)中0到50s左右的時(shí)間段,線譜的劇烈變化反映了在這段時(shí)間內(nèi)航行狀況劇烈變化,在50到110s的時(shí)間段有穩(wěn)定的航行,線譜也較穩(wěn)定。110s以后又改變航行狀態(tài)。所以線譜頻率也隨著劇烈變化。另外請(qǐng)注意在85s左右鐘形的干涉圖像。圖2(a)和(b)分別示出m1201水中航行物的輻射噪聲的時(shí)變譜圖像和線譜圖。從線譜圖上可看到第一根線譜穩(wěn)定而尖銳,第二根線譜圖較粗。在時(shí)變圖圖像上可看到第二根線譜有幅度調(diào)制,在110s左右可看到有線譜的諧波組和一組鐘形密集的干涉條紋圖像。圖3(a)和(b)分別示出ls291c水中航行物輻射噪聲的時(shí)變譜圖像和線譜圖。從圖中可以看到該航行物低頻端的線譜穩(wěn)定,另外在190s左右可看到有鐘形的干涉圖像,波紋密集區(qū)則為航行物的正橫位置,與接收點(diǎn)位置距離最近。圖4(a)和(b)分別示出m301水中航行物輻射噪聲的時(shí)變譜圖像和線譜圖。從線譜圖上可看到有幾根穩(wěn)定線譜。另外從時(shí)變譜圖上可以看到非平穩(wěn)的線譜組,特別是在60s附近。在60s附近也有明顯的干涉條紋,條紋密集處為航線物航行的正橫點(diǎn)。以上給出的4個(gè)圖例中,已發(fā)現(xiàn)有二組特征蘊(yùn)藏目標(biāo)的距離信息。(1)干涉條紋的“粗線譜”,它由輻射噪聲與水聲信道相互作用產(chǎn)生,可以利用它估計(jì)到目標(biāo)距離。(2)線譜組,可以用本文提出的方法,估計(jì)出目標(biāo)距離信息。以下討論用Dopplerlet多普勒匹配投影法估計(jì)目標(biāo)距離的方法,模擬實(shí)驗(yàn)和利用海上實(shí)際數(shù)據(jù)的距離和速度估計(jì)。2樣本變換和匹配算法2.1聲源接收點(diǎn)的速度測(cè)量“小波”的概念可理解為用一段窗函數(shù)對(duì)諧波進(jìn)行調(diào)制產(chǎn)生。用墨西哥草帽函數(shù)對(duì)諧波進(jìn)行調(diào)制得到墨西哥草帽小波。Chirplet是用一小段窗函數(shù)對(duì)線性調(diào)頻信號(hào)進(jìn)行調(diào)制得到。Dopplerletk的定義可以這樣理解,設(shè)聲源以速度v做直線運(yùn)動(dòng),接收點(diǎn)距此運(yùn)動(dòng)直線的垂直距離為l,聲源為單頻線譜聲源,頻率為f0,介質(zhì)中傳輸速度為c。設(shè)聲源信號(hào)為:則接收點(diǎn)的信號(hào)為:其中A(t)為強(qiáng)度變化,t0為聲源運(yùn)動(dòng)到達(dá)接收點(diǎn)垂直與運(yùn)動(dòng)直線交叉點(diǎn)的時(shí)刻(把t0時(shí)刻假設(shè)為時(shí)間軸中心),f為接收點(diǎn)接收到的頻率,f可表示為:當(dāng)t<t0時(shí),f>f0,當(dāng)t>t0時(shí),f<f0。把強(qiáng)度A(t-t0)變化忽略,定義Dopplerlet為:其中f由式(3)表示,g(t-t0)為加權(quán)窗,若取歸一化高斯窗(詳見文獻(xiàn)14),則高斯Dopplerlet為:式中參數(shù)意義為:時(shí)間中心t0頻率中心f0,時(shí)寬△t,接收點(diǎn)與聲源運(yùn)動(dòng)方向的垂直距離l,聲源運(yùn)動(dòng)速度v,以及媒質(zhì)中的聲速c。2.2dopper禮賓變換用Dopplerlet作基函數(shù),定義任一平方可積信號(hào)s(t)∈L3(R)的連續(xù)Dopplerlet變換為:上式中,“<,>表示內(nèi)積。2.3基于約束的迭代分解匹配投影算法利用Dopplerlet基函數(shù)系{dγ}γ∈Γ(其中Γ表示指標(biāo)集)中的某些元素對(duì)應(yīng)的基函數(shù)與信號(hào)成分存在強(qiáng)相干,做迭代分解。在每次迭代過(guò)程中選擇一個(gè)與殘余信號(hào)最相關(guān)的基函數(shù)dγ,用m個(gè)Dropplerlet基函數(shù)的加權(quán)組合來(lái)充分逼近信號(hào)。算法詳細(xì)原理參看文獻(xiàn)12,13,15,16。3正橫穿過(guò)接收點(diǎn)時(shí)產(chǎn)生的不確定現(xiàn)象上面已經(jīng)介紹了水中目標(biāo)線譜的非平穩(wěn)性的時(shí)頻形態(tài),第1節(jié)給出的4個(gè)圖例都是水中目標(biāo)正橫穿過(guò)接收點(diǎn)時(shí)產(chǎn)生的情況。本文重點(diǎn)是從水中目標(biāo)橫穿過(guò)接收點(diǎn)的海上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中提取到當(dāng)時(shí)目標(biāo)的距離和速度。為了驗(yàn)證此方法的可行性,探索較好的算法及了解算法的性能,首先用模擬實(shí)驗(yàn)對(duì)此方法進(jìn)行研究。3.1時(shí)寬t的長(zhǎng)度對(duì)歸一化投影值的影響這里依據(jù)匹配投影值最大為準(zhǔn)則,去尋找與最強(qiáng)的非平穩(wěn)線譜相匹配的小波基。這個(gè)基函數(shù)是從一個(gè)包含這些基函數(shù)的冗余的基函數(shù)集中挑選出來(lái)的。尋找最佳基函數(shù)的問(wèn)題是一個(gè)全局優(yōu)化問(wèn)題,需要尋找5個(gè)最佳參數(shù),時(shí)間中心t0,頻率中心f0,時(shí)寬△t,接收點(diǎn)與聲源運(yùn)動(dòng)方向的垂直距離l,聲源運(yùn)動(dòng)速度v(介質(zhì)速度c假設(shè)為常數(shù))。若通過(guò)全面的五維搜索找到最佳投影基,計(jì)算量太大,也沒(méi)有必要。這里按照一定的搜索策略,進(jìn)行一系列的二維或三維搜索來(lái)逼近這個(gè)最佳基。本文處理的對(duì)象是水聲信號(hào),假設(shè)聲速c為常數(shù)1500m/s。本文采用以下搜索步驟:(1)粗略估計(jì)信號(hào)的最強(qiáng)線譜的頻率中心f0,選擇初始時(shí)寬為△t。①用l/v比值rlv來(lái)作為時(shí)寬△t的一個(gè)相對(duì)比例值是合適的,可以證明當(dāng)△T/rlv=±2時(shí)(△T為偏離正橫時(shí)刻的時(shí)間值),±△T時(shí)刻的瞬時(shí)頻率與中心頻率之差為最大多普勒頻移△f的0.9倍(△f=(v/c)f0)。例,設(shè)l=50m,v=25m/s,則rlv=2s,△T=±2rlv=±4s,則正橫時(shí)刻前后4秒時(shí)的瞬時(shí)頻率與中心頻率之差為±0.9△f。所以若取△t=8s,則截取的信號(hào)段(設(shè)Dpperlet的時(shí)間中心與正橫時(shí)間對(duì)準(zhǔn))正好覆蓋了多普勒頻變最劇烈的一段(-0.9△f～0.9△f)。②時(shí)寬△t的長(zhǎng)度對(duì)歸一化投影值的影響為見圖5。這是一個(gè)計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)的結(jié)果,信噪比為40dB,搜索結(jié)果使中心頻率f0,正橫距離l,速度v都達(dá)到精確值,圖中y軸為歸一化投影值,x軸表示滑動(dòng)窗的時(shí)間中心點(diǎn)。目標(biāo)在15s處達(dá)到正橫位置,所以這些圖中最大值都出現(xiàn)在15s。圖5(a)為時(shí)寬△t取1s的情況,圖5(b)為時(shí)寬△t取3s的情況,圖5(c)為時(shí)寬△t取8s的情況?？梢钥吹?當(dāng)取長(zhǎng)時(shí)間,波束尖銳,8s情況的旁瓣比3s情況的旁瓣要抬高許多。③產(chǎn)生一高斯窗,在信號(hào)的起始點(diǎn)截取一段長(zhǎng)度為△t的信號(hào)s(t1),其中t10為△t/2,計(jì)算與信號(hào)s(t1)的乘積的Fourier變換,找出頻譜上的峰值點(diǎn)頻率f01,該頻率就對(duì)應(yīng)于信號(hào)s(t1)的最強(qiáng)的線譜中心頻率。(2)在f0vl三維空間尋找最大投影值在以上估計(jì)的基礎(chǔ)上,在線譜頻率f01,速度v,和距離l構(gòu)成的三維空間進(jìn)行三維搜索,以投影值最大(即內(nèi)積最大)為準(zhǔn)則,搜索與信號(hào)S(t1)最匹配的Dopplerlet,得到相應(yīng)的最大投影值,速度和距離。(3)時(shí)間信號(hào)的截取向前滑動(dòng),重復(fù)(1)和(2)時(shí)間信號(hào)向前滑動(dòng)一定的步長(zhǎng),得到信號(hào)s(t2),重復(fù)(1)和(2),得到相應(yīng)的最大投影值,速度和距離。如此直到找出整個(gè)信號(hào)各步對(duì)應(yīng)的時(shí)間段信號(hào)(s(t1),s(t2),…,s(tn))各自最大的投影值()以及相應(yīng)的距離、速度和中心頻率。(4)精確估計(jì)△t依據(jù)步驟(3),已得到的各段信號(hào)S(t1),S(t2),…,S(tn)的最大的投影值()與時(shí)間的關(guān)系曲線,從中取最大投影值來(lái)確定精確的搜索范圍。利用對(duì)應(yīng)的時(shí)間段S(tm)的時(shí)間中心tm0,中心頻率fm0,以及在時(shí)間段tm搜索出來(lái)的速度和距離,根據(jù)投影值最大準(zhǔn)則,對(duì)△t進(jìn)行一維的搜索,搜索到最佳的△t作為△t的精確值。(5)精確估計(jì)f0,v,l在得到△t精確值和時(shí)間中心tm0兩參數(shù)的基礎(chǔ)上,對(duì)步驟(4)得到的中心頻率fm0,速度和距離在各自較小的鄰域內(nèi)做進(jìn)一步的三維細(xì)化搜索,實(shí)驗(yàn)中搜索中采用的步長(zhǎng):頻率為0.1Hz,速度為1m/s,距離為2m。(6)更小的區(qū)域精確估計(jì)v和l在步驟(5)的基礎(chǔ)上,對(duì)速度、距離在更小的區(qū)域進(jìn)行估計(jì)精確搜索,這時(shí)采用更小的步長(zhǎng)。本文模擬實(shí)驗(yàn)中搜索中采用的步長(zhǎng):速度為0.1m/s,距離為0.1m。3.2a算法與我國(guó)最大信噪比下的距離和速度估計(jì)為了檢驗(yàn)該方法,聲源假設(shè)為單頻線譜信號(hào),目標(biāo)做直線運(yùn)動(dòng),橫穿過(guò)觀測(cè)點(diǎn)?？紤]到將要分析的海上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中水下運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的實(shí)際運(yùn)動(dòng)情況,設(shè)目標(biāo)離觀測(cè)點(diǎn)最近距離為50m,目標(biāo)速度25m/s。線譜信號(hào)中心頻率300Hz,采樣頻率2000Hz。時(shí)間中心在10s處,加高斯噪聲,使信噪比為-0.36dB,實(shí)施3.1節(jié)的搜索策略。速度v取值范圍在1～30m/s,距離l在10～100m。時(shí)間段滑動(dòng)采用的步長(zhǎng)為100個(gè)采樣點(diǎn)。時(shí)寬△t的初始值設(shè)為16000采樣點(diǎn)(換算為模擬量為8s),經(jīng)過(guò)步驟(1),(2),(3)可得到最大投影值與時(shí)間的關(guān)系曲線如圖6所示,最大投影值位于10s處。根據(jù)該最大投影值進(jìn)行步驟(4),可得到時(shí)寬△t的精確值為17600采樣點(diǎn)(8.8s)。再經(jīng)過(guò)步驟(5),(6)可以估計(jì)到目標(biāo)距離和速度。距離估計(jì)均值為50.6m,均方根誤差為0.9661m,速度估計(jì)均值為25.08m/s,均方根誤差為0.1208m/s,蒙特卡羅環(huán)為10次。圖7示出歸一化投影值與目標(biāo)距離和速度的關(guān)系圖,圖7(a)用的是三維圖形,圖7(b)用的是二維灰度圖像。此三維圖形和二維圖像的最大峰值對(duì)應(yīng)的距離和速度就是要估計(jì)的目標(biāo)距離和速度。二種表示法各有優(yōu)點(diǎn),圖7(a)可清楚看到最大峰值的高度,圖7(b)可清楚看到誤差的走勢(shì)情況。為了進(jìn)一步了解該方法在不同信噪比下的性能,在不同信噪比(11.22dB,4.16dB,-1.81dB,-8.24dB,-10.69dB,-18.21dB)下分別做50次隨機(jī)白噪聲模擬計(jì)算,得到各信噪比下的距離和速度的均值和均方根差誤差。表1為在不同信噪比下的距離速度估計(jì)的均值和均方根差。從表1可以看出多普勒小波匹配法有較強(qiáng)的檢測(cè)能力。速度估計(jì)精度要比距離估計(jì)精度高。3.3時(shí)寬t的搜索實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的時(shí)變譜圖與圖4(a)所示的相似,也有一組線譜和干涉圖型。實(shí)驗(yàn)分析是1kHz以下的頻段,采樣頻率為2000Hz?？紤]到水下運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的實(shí)際運(yùn)動(dòng)情況,速度v取值范圍為1～30m/s,距離l取值范圍為10～100m。時(shí)寬△t的粗略值定為14000采樣點(diǎn)(換算為模擬量為7s),搜索步驟同上述的計(jì)算機(jī)模擬。圖8為由步驟(1),(2),(3)所獲得的海上實(shí)際數(shù)據(jù)歸一化投影值與時(shí)間的關(guān)系圖,在7.3s處投影值達(dá)到最大。步驟(4)搜索后的時(shí)寬△t的精確值為12000采樣點(diǎn)。圖9為搜索完的海上實(shí)際信號(hào)的歸一化投影值與距離和速度的關(guān)系圖,圖9(a)用的是三維圖形,圖9(b)用的是二維灰度圖像。估計(jì)的最近距離為35m,速度16m/s,與海上實(shí)驗(yàn)情況符合。實(shí)際資料處理采用的參數(shù)和搜索步