CN111220265B - 一种船舶辐射噪声谐波线谱增强方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种船舶辐射噪声谐波线谱增强方法。本发明利用船舶辐射噪声中存在高次谐波的频率和相位特征，针对船舶辐射噪声中离散分量能量强的特点，利用傅里叶变换求得离散分量频率，并进一步求得各谐波频率。利用频谱搬移矩阵解决了各信号频率不同的问题；将线谱增强问题转换为求最优解问题，并利用遗传算法进行求解，解决了各信号相位随机的问题，从而使得信号能量得到尽可能地集中，达到了线谱增强的效果。

Description

一种船舶辐射噪声谐波线谱增强方法

技术领域

本发明涉及的是一种线谱增强方法，具体地说是一种船舶辐射噪声谐波线谱增强方法。

背景技术

水面以及水下运动物体，在运动时会向水中辐射噪声。利用该噪声，可以实现对目标的检测、跟踪或识别，因而研究目标辐射噪声产生及增强技术具有重要意义。通常，可将目标辐射噪声从产生机理上分为由船上机械设备产生的机械噪声、由螺旋桨转动形成螺旋桨噪声以及由水流动力生成水动力噪声三类。

机械噪声是由主机、辅机及其它运动机械产生的，其所形成的噪声主要集中于辐射噪声的低、中频段。机械噪声的频谱特征包含由机械设备不平衡、不连续旋转、周期往复运动所产生的线谱以及由管道中流体运动、轴承轴颈机械摩擦产生的弱连续谱。在船舶上机械噪声的噪声源较多且情况非常复杂，一般情况下主机所形成的机械噪声最强。总体上来说，机械噪声主要来源有：

1)机械不平衡产生的噪声；

2)电磁力脉动噪声；

3)机械部件碰撞噪声；

4)往复机活塞拍击噪声；

5)轴承噪声；

其中，除轴承噪声与往复机活塞拍击噪声可形成连续谱分量外，其余几种噪声均为线谱形式，由此可见机，机械噪声的谱特征可描述为多种周期振动所形成的强线谱与弱连续谱的混合相加。

螺旋桨周期转动、拍水所形成的螺旋桨噪声同样是船舶的主要噪声源，它包含有低频直接辐射噪声、空化噪声、螺旋桨唱音、涡流噪声。螺旋桨空化噪声：当螺旋桨在水中旋转时，螺旋桨叶片周围水压力发生改变，螺旋桨表面产生局部低压区或负压区，随着压力的不断降低螺旋桨表面会形成小的气泡，小气泡(空穴)从生成到破碎的过程即为空化。这些小气泡在破碎时所形成的一种“咝咝”的声响即为空化噪声，一般用随机的尖锐声脉冲对船舶空化噪声进行描述，它的频谱表现为宽带连续谱形式，它是船舶辐射噪声连续谱的重要组成。一旦空化噪声形成它将成为船舶辐射噪声的主要噪声源。相比于空化前的，螺旋桨空化后的噪声会提高10-30dB。螺旋桨旋转动时，螺旋桨叶片及转轴周期运动都会形成低频的线谱，根据螺旋桨叶片数及转轴之间的运动关系，他们会在船舶辐射噪声低频端形成一系列有规律的线谱，它是由螺旋桨转动产生的，其频率关系如式(1)所示。

f_m＝mns (1)

式中，f_m是叶片速率线谱系列的第m次谐波，单位为赫兹(Hz)；n是螺旋桨叶片数；s是螺旋桨转速，单位为转/秒。叶片速率线谱的频率在1Hz-100Hz范围内，由于种种原因，一般声呐很难接收到这种低频线谱。

水动力噪声是因水流的不规则起伏特性所引起的，当水流经过船舶时其不规则性会造成目标周围压力起伏，可能会激励某些部件振动并辐射出去。通常情况下，相比于机械噪声与螺旋桨噪声，水动力噪声源的振动强度较弱，对辐射噪声贡献微弱，常被淹没在其他两种噪声源所形成的噪声之中，所以一般对目标辐射噪声进行检测时不考虑水动力噪声。

船舶辐射噪声中线谱分量因其幅度频率都相对稳定，常被作为检测的主要特征，其按照产生的机理可以分为两类：第一类线谱成分受螺旋桨转速影响，由螺旋桨旋转直接辐射出的低频螺旋桨速率谱，由前文描述可知，这部分线谱并不能明显被观测到；第二类线谱成分由船舶上的主机设备等周期振动形成，作用频段一般为100Hz-1000Hz。在目标辐射噪声建模中，常用式(2)描述此类噪声。

其中，a_iexp(j2πf_it+jφ_i)是机械噪声所产生离散分量，a_i、f_i分别表示第i个线谱的幅度与频率表；等式右侧第二项表示N个螺旋桨低频的谐波族加和形式，a_jn表示第j个谐波族内第n个分量的幅度、f_j分别表示j个谐波族的频率，这两个参数与船舶运动情况相关，其中a_jn数值较小。另外式中表φ_i、φ_jn表示均匀分布在[0,2π)上的随机相位。

传统的线谱增强方法往往关注于加强单个或某些频率的线谱的增强，忽略了线谱之间的谐波关系。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够使信号能量得到尽可能地集中，达到线谱增强效果的船舶辐射噪声谐波线谱增强方法。

本发明的目的是这样实现的：

步骤1：对接收信号做傅里叶变换，求幅度谱；

步骤2：找出幅度最大的M个线谱，得到线谱的频率，记为f_i(i＝1,…,M)；

步骤3：记循环变量为i＝1；

步骤4：计算f_i的谐波频率；

步骤5：令i←i+1，如果i≤M，则重复步骤4，否则执行步骤6；

步骤6：将步骤4～5中得到的频率按照从小到大的顺序排列，并去除重复的数值，记为f⁽¹⁾,f⁽²⁾,…,f^(L)；

步骤7：设计中心频率分别为f⁽¹⁾,f⁽²⁾,…,f^(L)的滤波器，对接收信号进行滤波，得到L个单频信号，分别记为s⁽¹⁾(t),s⁽²⁾(t),…,s^(L)(t)；

步骤8：构造信号矩阵S为

表示复数集；

步骤9：构造频谱搬移矩阵F为：

其中

频谱搬移矩阵F为对角阵；

max_wR(w)＝|w^HFSS^HF^Hw|²

步骤10：使用遗传算法求解优化问题：

其中，|·|表示取复数的模值，设问题的最优解为w₀，利用w₀消除各信号的随机相位；

步骤11：得到线谱增强结果

本发明还可以包括：

步骤4中所述的计算f_i的谐波频率得计算方法为f'_in＝nf_i,(

并且f'_in≤f_s)。

本发明提供了一种新型的线谱增强方法，充分利用各次谐波之间的关系，从而达到线谱增强的效果。本发明的主要特点体现在：

1.本发明利用了船舶辐射噪声中的离散分量和高次谐波；

2.本发明构造了频谱搬移矩阵F为

其中

3.本发明利用遗传算法求解优化问题

用以消除各信号的随机相位。

本发明针对船舶辐射噪声中离散分量能量强的特点，利用傅里叶变换求得离散分量频率，并进一步求得各谐波频率。利用频谱搬移矩阵解决了各信号频率不同的问题；将线谱增强问题转换为求最优解问题，并利用遗传算法进行求解，解决了各信号相位随机的问题，从而使得信号能量得到尽可能地集中，达到了线谱增强的效果。

附图说明

图1是本发明的执行流程图。

具体实施方式

下面举例对本发明做更详细的描述。

结合图1，本发明的船舶辐射噪声谐波线谱增强方法主要包括如下步骤：

步骤1：对接收信号做傅里叶变换，求幅度谱。

步骤2：找出幅度最大的M个线谱，得到线谱的频率，记为f_i(i＝1,…,M)。

步骤3：记循环变量为i＝1。

步骤4：计算f_i的谐波频率，计算方法为f'_in＝nf_i,(

并且f'_in≤f_s)。

步骤5：令i←i+1，如果i≤M，则重复步骤4，否则执行步骤6。

步骤6：将步骤4～5中得到的频率按照从小到大的顺序排列，并去除重复的数值，记为f⁽¹⁾,f⁽²⁾,…,f^(L)。

步骤7：设计中心频率分别为f⁽¹⁾,f⁽²⁾,…,f^(L)的滤波器，对接收信号进行滤波，得到L个单频信号，分别记为s⁽¹⁾(t),s⁽²⁾(t),…,s^(L)(t)。

步骤8：构造信号矩阵S为

此处，

表示复数集。

步骤9：构造频谱搬移矩阵F为：

其中

此处，频谱搬移矩阵F为对角阵。

步骤10：使用遗传算法求解优化问题：

其中，|·|表示取复数的模值。设问题的最优解为w₀。利用w₀可以消除各信号的随机相位。

步骤11：线谱增强结果为

计算结束。此时，船舶辐射噪声中的离散分量及其高次谐波都被利用，从而尽可能地提高信噪比。

下面解说本发明的原理：

根据式(2)可知，船舶辐射噪声往往包含多个单频信号，且单频信号可以分为2类。第1类为机械噪声产生的离散分量，他们彼此之间不存在固定关系，其频率与线谱数量由机械设备本身决定，具有较强能量；第2类为离散分量产生的谐波信号，同一个离散分量产生的多个谐波信号频率均为该离散分量的整数倍，具有较强规律性，其幅度较小。总体而言，往往随着谐波频率的增加，其能量也逐渐降低，直至消失。

利用谐波均为离散分量频率整数倍这一关系，可以设计新型的线谱增强方法，将高次谐波的频率也加以利用，从而尽可能地提高信噪比。设f₀为离散分量的频率，则其谐波频率依次为：

f₀＝f₀,f₁＝2f₀,…,f_N＝(N+1)f₀ (3)

由此可见，同一离散分量产生的N个谐波频率之间组成了等差数列，即相邻谐波频率之差为固定值，且都为f₀。根据式(2)可知，这些频率的幅度逐渐降低，频率f₀的幅度最大，检测较为简单。高次谐波的幅度较小，将会给检测带来困难。

利用谐波与离散分量之间的频率关系，可以用如下方式获得谐波频率：

1)对信号进行傅里叶变换，求幅度谱，找出能量较强的M个线谱f_i(i＝1,…,M)，认为f_i为都是离散分量的频率；

2)对于每个频率f_i，求其整数倍频率mf_i(m＝1,2,…)。由于萘奎斯特采样定理的限制，m不能无限大，应当满足mf_i≤f_s。其中，f_s为采样率。

如此，可以获得每个离散分量及其高次谐波。需要注意的是，在第1步骤中，可能会将某个离散分量的谐波也当作离散分量信号。下面将说明，产生这种情况时，对结果将不产生影响。设为f_i为离散分量频率，

为其谐波，但具有较强能量，也被当作了离散分量。此时，计算得到的高次谐波频率为

即，由f_i'计算得到的谐波频率，将包含在由f_i计算生成的谐波频率中，并没有因此漏掉谐波信号。故在第1步中选择离散分量时，应当尽可能地包含更多的频率，即使将谐波当作离散分量，也不影响结果。

在得到各个离散分量及其谐波频率数值以后，可以依次进行窄带滤波，得到不同频率的单频信号。设共得到L个单频信号，为方便起见，不妨将各单频信号频率按数值从小到大依次记为f⁽¹⁾,f⁽²⁾,…,f^(L)，设其幅度和相位分别为a⁽¹⁾,a⁽²⁾,…a^(L)和φ⁽¹⁾,φ⁽²⁾,…φ^(L)。

此时，第i个信号表达式为

s⁽ⁱ⁾(t)＝a⁽ⁱ⁾exp(j2πf⁽ⁱ⁾t+jφ⁽ⁱ⁾)+n⁽ⁱ⁾(t),φ⁽ⁱ⁾∈[0,2π) (5)

其中，n⁽ⁱ⁾(t)为噪声。

为了充分利用信号能量，提高信噪比，可以将信号进行频移，使得每个频移后信号频率均为f⁽¹⁾。

于是可以构造频谱搬移矩阵F如式(6)所示。此处，F为对角阵。

其中，

表示复数集；第i行第i列的元素为

且满足

其余元素均为0。构造信号向量为

则有

其中，

为噪声。

于是，可以构造相位加权向量w为

其中，θ₂,…,θ_L∈[0,2π)。利用相位加权向量，可以将谐波之间的随机相位消除。具体方法为，构造目标函数R(w)，在

空间中寻找w，使得目标函数达到极大值：

其中，|·|表示取复数的模值。

从式(8)可知，当θ_i＝φ⁽¹⁾-φ⁽ⁱ⁾,(i＝2,…,L)时，R(w)可取得极大值。此时可得增强后的线谱为

y(t)＝w^HFS (11)

为了求解式(10)，可以使用多种方法。为了增强算法的抗噪声性能，找到更加鲁棒的解，本发明中选用遗传算法求解式(10)，然后使用式(11)得到增强后的线谱。

Claims (2)

1.一种船舶辐射噪声谐波线谱增强方法，其特征是：

步骤1：对接收信号做傅里叶变换，求幅度谱；

步骤2：找出幅度最大的M个线谱，得到线谱的频率，记为f_i,i＝1,…,M；

步骤3：记循环变量为i＝1；

步骤4：计算f_i的谐波频率；

步骤5：令i←i+1，如果i≤M，则重复步骤4，否则执行步骤6；

步骤6：将步骤4～5中得到的频率按照从小到大的顺序排列，并去除重复的数值，记为f⁽¹⁾,f⁽²⁾,…,f^(L)；

步骤7：设计中心频率分别为f⁽¹⁾,f⁽²⁾,…,f^(L)的滤波器，对接收信号进行滤波，得到L个单频信号，分别记为s⁽¹⁾(t),s⁽²⁾(t),…,s^(L)(t)；

步骤8：构造信号矩阵S为

表示复数集；

步骤9：构造频谱搬移矩阵F为：

其中

频谱搬移矩阵F为对角阵；

max_wR(w)＝|w^HFSS^HF^Hw|²

步骤10：使用遗传算法求解优化问题：

其中，|·|表示取复数的模值，设问题的最优解为w₀，利用w₀消除各信号的随机相位；

步骤11：得到线谱增强结果

2.根据权利要求1所述的船舶辐射噪声谐波线谱增强方法，其特征是：步骤4中所述的计算f_i的谐波频率的计算方法为

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