CN105510969B - 一种判断航行舰船地震波信号线谱特征的方法 - Google Patents
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Abstract
一种判断航行舰船地震波信号线谱特征的方法，属于有效分辨航行舰船地震波线谱信号的分析技术。其特征是：对时域数据进行快速傅立叶变换，得到幅频曲线；将幅频曲线换算成地震波级形式，并计算地震波级的一次趋势项和二次趋势项；将地震波级频谱与地震波级频谱的二次趋势项相减，得到疑似线谱频率以及信噪比；设置线谱窄度，从地震波级频谱一次趋势项中确定满足窄度要求的线谱频率，从而最终确定航行舰船地震波信号的线谱频率、信噪比和线谱窄度。
Description
技术领域
本发明属于航行舰船地震波探测领域，涉及到一种判断航行舰船地震波信号线谱特征的方法，特别涉及一种利用线谱频率、线谱窄度和线谱信噪比进行综合判断的方法。
背景技术
随着新技术的不断应用，舰船辐射噪声得到很大的抑制，所以需要采用多种物理场进行综合探测。航行舰船地震波作为舰船辐射噪声在海底的二次传播，在某些特殊的海洋环境条件下，可以作为舰船声探测的重要补充手段。然而由于海水运动和海底微地震等干扰的存在，容易将目标信号混淆，使得数据的重要目标信息难以有效提取。
目前判断航行舰船地震波信号特征的主要方法是通过对时域信号进行频谱分析，在频谱图中观察所测数据的线谱特征，将这些线谱与其它稳定背景频点幅值进行比较，并设置一定的门限，从而得到相应的线谱特征。虽然传统的线谱特征提取方法容易操作，但也容易出现误判断，将海洋环境干扰线谱也纳入到信号特征中来，引起虚警，因此需要对航行舰船地震波信号线谱特征提取方法进行规范，减小虚警概率。
发明内容
本发明的目的是提供一种判断航行舰船地震波信号线谱特征的方法，解决利用地震波线谱信号准确检测航行舰船目标的问题。
本发明的技术方案是：表征线谱特征的三个基本要素为线谱频率、线谱窄度和线谱信噪比；首先对测试得到的时域数据，进行快速傅立叶变换，得到时域数据的幅频曲线；将幅频曲线换算成地震波级形式，采用双向曲线拟合方法计算地震波级的一次趋势项和二次趋势项；将地震波级频谱与地震波级频谱的二次趋势项相减，并设置门限，得到疑似线谱频率以及所对应的信噪比值；设置线谱窄度，从地震波级频谱一次趋势项中确定满足窄度要求的线谱频率；依据疑似线谱频率、设定的线谱窄度和地震波级频谱一次趋势项，确定航行舰船地震波真实的线谱频率和窄度，并由此从线谱频率参考曲线中确定线谱对应的信噪比值。
传统的判断航行舰船地震波线谱信号的方法主要是基于经验和简单分析，给出疑似线谱频率，并不能准确的判断航行舰船地震波信号的线谱特征；结合线谱频率、线谱窄度和线谱信噪比综合给出航行舰船地震波线谱信号特征，可以确定是否真正检测到信号而不是环境地震波干扰。
附图说明
图1航行舰船地震波级频谱曲线以及趋势项。
图中：1地震波级频谱曲线；2地震波级频谱一次趋势项；3地震波级频谱二次趋势项。
图2航行舰船地震波疑似线谱以及确定的线谱频率。
图中：4疑似线谱；5线谱频率参考曲线；6确定线谱；2地震波级频谱一次趋势项。
具体实施方式
第一步：幅频曲线提取
在采集得到的航行舰船地震波数据中截取长度为30s的数据，进行快速傅立叶变换的数据点数为整个数据的长度，快速傅立叶变换计算公式为：
式中，X为快速傅立叶变换值，k为正整数并在1和n之间取值，n为作快速傅立叶变换的点数，x为采集的原始数据，e为自然对数底，π为圆周率，i为虚数单位。计算之后得到快速傅立叶变换值X，对X取绝对值并利用公式 X/(n/2)计算得到二次变换值Fd，在Fd中取第一点到第n/2点的数值作为最终提取的频谱幅值Fa。频谱曲线对应的频点如下式所示：
Ff(r)＝r·fs/n(r＝0,1,...,n-1)
式中，Ff为快速傅立叶变换值对应频点，r为整数并在0和n-1之间取值， fs为数据采样频率，在Ff中取第一点到第n/2点的数值作为频谱幅值对应频点 Fw。得到了频谱幅值Fa和对应频点值Fw便可以确定航行舰船地震波信号的幅频曲线。
第二步：一次趋势项提取
将频谱幅值Fa换算成地震波级的形式，计算公式如下：
Ga＝20·log10(Fa)+60
选择趋势项拟合的频谱宽度参数Nf为0.2·(fs/n)并取整数部分，分别从幅频曲线的两端拟合各自的趋势项。从最低频点拟合的趋势项G1′的计算公式如下：
从上式中可以得到第1个至第N-Nf个点的地震波级G1′，为了保证G1′和Ga的数据长度一致，对于G1′的第N-Nf+1个点至第N个点的数值直接由Ga对应的第 N-Nf+1个点至第N个点的数值进行赋值。
从最高频点拟合的趋势项G2′的计算公式如下：
从上式中可以得到第Nf+1个至第N个点的地震波级G2′，为了保证G2′和Ga的数据长度一致，对于G2′的第1个点至第Nf个点的数值直接由Ga对应的第1个点至第Nf个点的数值进行赋值。
将G1′和G2′求和并取平均，最终得到地震波级频谱一次趋势项G′a为 (G1′+ G2′)/2。
第三步：线谱频点提取
线谱疑似频点筛选需要对地震波级频谱一次趋势项再次拟合趋势项，选择二次趋势项拟合的频谱宽度参数Nf2为2·(fs/n)并取整数部分，其它参数选择和计算方法与第二步相同，可以得到地震波级频谱的二次趋势项为G″a。
将Ga与G″a相减得到线谱频率参考曲线G″′a，设置门限为12dB，可以得到航行舰船地震波信号的疑似线谱频率以及所对应的信噪比值。
将提取得到的疑似线谱频点，在G′a所对应的曲线中找出对应位置，下一步便是在G′a中判断疑似线谱频率是否为航行舰船地震波真实的信号特征。真实线谱信号需要满足两个条件：一为非随机线谱干扰；二为满足线谱窄度要求。
通过两步实现：根据实测结果，线谱特征一般应至少连续2个频点大于所设门限，因此单一频点可以剔除出去，从而消除随机线谱干扰；在疑似线谱连续的多个频点中找出其中的最大值即为筛选出的线谱频点，从G′a中计算出线谱频点的窄度，即左右降低为6dB时的频点之差，根据实际航行舰船螺旋桨转动规律，设定线谱窄度小于1Hz，当筛选出的线谱频点的窄度小于1Hz时，可以判定其为真实的线谱。
第四步：线谱参数确定
依据疑似线谱频率、设定的线谱窄度和地震波级频谱一次趋势项G′a，确定航行舰船地震波真实的线谱频率和窄度，并由此从线谱频率参考曲线G″′a中确定线谱对应的信噪比值，从而最终确定航行舰船地震波信号的线谱频率、信噪比和线谱窄度。
Claims (1)
1.一种判断航行舰船地震波信号线谱特征的方法，其特征包括以下步骤，
第一步：幅频曲线提取
在采集得到的航行舰船地震波数据中截取长度为30s的数据，进行快速傅立叶变换的数据点数为整个数据的长度，快速傅立叶变换计算公式为：
式中，X为快速傅立叶变换值，k为正整数并在1和n之间取值，n为作快速傅立叶变换的点数，x为采集的原始数据，e为自然对数底，π为圆周率，i为虚数单位；计算之后得到快速傅立叶变换值X，对X取绝对值并利用公式X/(n/2)计算得到二次变换值Fd，在Fd中取第一点到第n/2点的数值作为最终提取的频谱幅值Fa；频谱曲线对应的频点如下式所示：
Ff(r)＝r·fs/n (r＝0,1,...,n-1)
式中，Ff为快速傅立叶变换值对应频点，r为整数并在0和n-1之间取值，fs为数据采样频率，在Ff中取第一点到第n/2点的数值作为频谱幅值对应频点Fw；得到了频谱幅值Fa和对应频点值Fw便可以确定航行舰船地震波信号的幅频曲线；
第二步：一次趋势项提取
将频谱幅值Fa换算成地震波级的形式，计算公式如下：
Ga＝20·log10(Fa)+60
选择趋势项拟合的频谱宽度参数Nf为0.2·(fs/n)并取整数部分，分别从幅频曲线的两端拟合各自的趋势项；从最低频点拟合的趋势项G1′的计算公式如下：
从上式中得到第1个至第N-Nf个点的地震波级G1′，为了保证G1′和Ga的数据长度一致，对于G1′的第N-Nf+1个点至第N个点的数值直接由Ga对应的第N-Nf+1个点至第N个点的数值进行赋值；
从最高频点拟合的趋势项G2′的计算公式如下：
从上式中得到第Nf+1个至第N个点的地震波级G2′，为了保证G2′和Ga的数据长度一致，对于G2′的第1个点至第Nf个点的数值直接由Ga对应的第1个点至第Nf个点的数值进行赋值；
将G1′和G2′求和并取平均，最终得到地震波级频谱一次趋势项G′a为(G1′+ G2′)/2；
第三步：线谱频点提取
线谱疑似频点筛选需要对地震波级频谱一次趋势项再次拟合趋势项，选择二次趋势项拟合的频谱宽度参数Nf2为2·(fs/n)并取整数部分，其它参数选择和计算方法与第二步相同，得到地震波级频谱的二次趋势项为G″a；
将Ga与G″a相减得到线谱频率参考曲线G″′a，设置门限为12dB，得到航行舰船地震波信号的疑似线谱频率以及所对应的信噪比值；
将提取得到的疑似线谱频点，在G′a所对应的曲线中找出对应位置，下一步便是在G′a中判断疑似线谱频率是否为航行舰船地震波真实的信号特征；真实线谱信号需要满足两个条件：一为非随机线谱干扰；二为满足线谱窄度要求；
通过两步实现：根据实测结果，线谱特征一般应至少连续2个频点大于所设门限，因此单一频点可以剔除出去，从而消除随机线谱干扰；在疑似线谱连续的多个频点中找出其中的最大值即为筛选出的线谱频点，从G′a中计算出线谱频点的窄度，即左右降低为6dB时的频点之差，根据实际航行舰船螺旋桨转动规律，设定线谱窄度小于1Hz，当筛选出的线谱频点的窄度小于1Hz时，判定其为真实的线谱；
第四步：线谱参数确定
依据疑似线谱频率、设定的线谱窄度和地震波级频谱一次趋势项G′a，确定航行舰船地震波真实的线谱频率和窄度，并由此从线谱频率参考曲线G″′a中确定线谱对应的信噪比值，从而最终确定航行舰船地震波信号的线谱频率、信噪比和线谱窄度。
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| 基于反对称高斯小波的水下目标回声信号检测;李雪耀 等;《哈尔滨工业大学学报》;20060630;第38卷(第6期);第950-953页 * |
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