本發(fā)明涉及的是一種水下航行器的分類與識別方法，具體地說是一種用于目標(biāo)分類與識別的調(diào)制系數(shù)的估計方法。

背景技術(shù)：

陣列信號被動檢測問題是水聲技術(shù)研究中的一個經(jīng)典課題。水平布放在海底的水聽器直線陣能夠接收到船舶輻射噪聲，并通過陣列信號處理，獲得空間處理增益，從而得到比單水聽器更加優(yōu)異的檢測性能。另一方面，水面船舶輻射噪聲除了其空間特性外，還具有調(diào)制譜等不同于環(huán)境噪聲的特征，有利于信號的被動檢測。

船舶輻射噪聲是被動聲吶的目標(biāo)信號源，聲吶設(shè)備利用它進行目標(biāo)探測以及目標(biāo)類型與參數(shù)識別、提取目標(biāo)的方位、距離和深度等信息。船舶輻射噪聲的包絡(luò)線譜是一個重要的特征，通過對包絡(luò)線譜特征的提取分析，可以得到對應(yīng)的螺旋槳轉(zhuǎn)速和葉片數(shù)，有利于目標(biāo)信號的檢測與識別。

文獻“淺海信道中船舶輻射噪聲包絡(luò)線譜傳播特性”(凌青，宋文華，趙春梅，等.中國科學(xué):物理學(xué)力學(xué)天文學(xué)，2014(2):134-141.)將船舶輻射噪聲建模成為周期性局部平穩(wěn)過程，在包絡(luò)譜估計和包絡(luò)線譜特性分析基礎(chǔ)上，得到包絡(luò)線譜高度等特征參數(shù)的具體表示，然后從傳播過程中接收信噪比變化的角度，該方法分析了包絡(luò)線譜傳播特性及其特征參數(shù)的變化。

文獻“船舶輻射噪聲調(diào)制度對調(diào)制譜的影響”(劉建波，韓樹平，劉立國。四川兵工學(xué)報，2011，02:96-97)是基于調(diào)制譜理論和船舶輻射噪聲是高斯過程的假定，把調(diào)制譜諧波信號與非諧波分量分別當(dāng)作信號與噪聲，定量地討論了調(diào)制系數(shù)與調(diào)制譜諧波信號信噪比的關(guān)系，該方法分析了背景噪聲對調(diào)制譜諧波信號信噪比的影響。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種能夠得到可用于目標(biāo)分類的調(diào)制系數(shù)的船舶輻射噪聲調(diào)制系數(shù)估計方法。

本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的：

(1)水平布放在海底的水聽器直線陣接收到船舶輻射噪聲和海洋環(huán)境噪聲；利用功率譜分析技術(shù)得到船船舶輻射噪聲的主要頻帶及帶寬，并進行帶通濾波；

(2)計算船舶輻射噪聲信噪比；

首先利用波束形成技術(shù)對水聽器直線陣下的船舶輻射噪聲源方位進行估計，并利用所估計的方位所對應(yīng)波束估計船舶輻射噪聲功率；然后將總噪聲功率減去船舶輻射噪聲功率得到背景噪聲功率，進而計算船舶輻射噪聲的信噪比；

(3)計算包絡(luò)譜的信噪比；

首先對帶通濾波后的信號取絕對值，低通濾波，然后進行功率譜分析，提取包絡(luò)譜和包絡(luò)譜背景，得到包絡(luò)譜信噪比；

(4)利用調(diào)制系數(shù)與船舶輻射噪聲信噪比、分析帶寬及包絡(luò)譜信噪比的數(shù)學(xué)關(guān)系計算船舶輻射噪聲的調(diào)制系數(shù)。

目標(biāo)輻射噪聲模型中調(diào)制系數(shù)攜帶了豐富的目標(biāo)特征信息，主要涉及利用高斯假設(shè)條件下調(diào)制系數(shù)與船舶輻射噪聲信噪比及包絡(luò)譜信噪比之間確定的數(shù)學(xué)關(guān)系，實現(xiàn)利用水聽器陣估計輻射噪聲調(diào)制系數(shù)的方法，調(diào)制系數(shù)估計可用于目標(biāo)分類與識別。

為實現(xiàn)本發(fā)明的目的，需要利用水平布放的水聽器直線陣接收遠場條件下的船舶輻射噪聲信號。

為實現(xiàn)本發(fā)明的目的，假設(shè)船舶輻射噪聲在分析頻帶內(nèi)服從帶限高斯分布。

本發(fā)明的優(yōu)點在于僅需通過水平水聽器直線陣接收到的船舶輻射噪聲，即可估計其船舶輻射噪聲信噪比和譜分析后軸頻處的信噪比值，從而根據(jù)高斯假設(shè)條件下調(diào)制系數(shù)與船舶輻射噪聲信噪比及包絡(luò)譜信噪比之間確定的數(shù)學(xué)關(guān)系，實現(xiàn)利用水聽器陣估計輻射噪聲調(diào)制系數(shù)的方法，調(diào)制系數(shù)估計結(jié)果可用于目標(biāo)分類。

附圖說明

圖1是船舶輻射噪聲調(diào)制系數(shù)提取方法流程圖；

圖2是某時刻船舶輻射噪聲的包絡(luò)譜估計結(jié)果；

圖3是船舶輻射噪聲調(diào)制系數(shù)估計的試驗數(shù)據(jù)驗證結(jié)果。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖舉例對本發(fā)明作更詳細的描述。

船舶輻射噪聲通常含有螺旋槳葉片速率線譜分量的低頻幅度調(diào)制信號，通過處理提取調(diào)制信號的包絡(luò)譜后可以有效的實現(xiàn)對目標(biāo)的辨識。船舶輻射噪聲調(diào)制包絡(luò)譜的頻帶大多集中在低頻頻段。絕對值法提取信號包絡(luò)是工程中采取的最常見也是最簡單的一種方法，絕對值法提取包絡(luò)的主要過程為：首先將接收到的船舶輻射噪聲經(jīng)過帶通濾波后將信號取絕對值，然后將取絕對值后的信號通過低通濾波器，最后進行功率譜分析就可以得到該信號的包絡(luò)譜。

對于周期性局部平穩(wěn)過程的船舶輻射噪聲，其包絡(luò)譜一般有多根線譜，對應(yīng)不同的調(diào)制頻率和倍頻分布，首先這里考慮單根線譜的情況。在文獻“淺海信道中船舶輻射噪聲包絡(luò)線譜傳播特性”(凌青，宋文華，趙春梅，等.中國科學(xué):物理學(xué)力學(xué)天文學(xué)，2014(2):134-141.)中給出了包絡(luò)譜功率的定量關(guān)系式，數(shù)學(xué)模型可以表示為

S(t)＝(1+mcos2πf₀t)x(t) (1)

其中，x(t)是窄帶平穩(wěn)白色高斯隨機過程，m為調(diào)制系數(shù)，0＜m＜1，記平穩(wěn)高斯過程x(t)的方差為船舶輻射噪聲包絡(luò)譜中零頻率的譜強度S(0)、連續(xù)譜的均值μ₀和標(biāo)準(zhǔn)差σ₀分別為

其中，B是寬帶噪聲x(t)的帶寬，B₀為頻率分辨率，T為信號長度，且船舶輻射噪聲包絡(luò)譜中軸頻f₀處的譜強度為

它與調(diào)制系數(shù)m和被調(diào)制噪聲信號方差有關(guān)，數(shù)值越大輻射噪聲包絡(luò)譜軸頻f₀處線譜越明顯，就越有利于進行船舶輻射噪聲的被動檢測。

對于實際接收到的船舶輻射噪聲Y(t)，包含方差為的海洋環(huán)境背景噪聲n(t)，數(shù)學(xué)模型可表示為

Y(t)＝(1+mcos2πf₀t)·x(t)+n(t) (4)

因為局部平穩(wěn)高斯過程Y(t)加上平穩(wěn)高斯噪聲Y(t)得到的n(t)仍然可近似視為一個局部平穩(wěn)高斯過程，上式可化為

Y(t)＝(1+mαcos2πf₀t)·r(t) (5)

其中r(t)為窄帶平穩(wěn)白色高斯過程，其方差為

比例因子α為

它與輻射噪聲信噪比snr_ship有關(guān)，直接影響輻射噪聲包絡(luò)譜的調(diào)制深度，當(dāng)snr_ship＞1時，α≈1，當(dāng)snr_ship＜＜1時，α≈snr_ship。

這種情況下對應(yīng)的船舶輻射噪聲包絡(luò)譜零頻率譜強度、連續(xù)譜均值和標(biāo)準(zhǔn)差分別為

以及包絡(luò)譜軸頻f₀處譜強度為

包絡(luò)譜軸頻f₀處譜信噪比為

那么，如果已知船舶輻射噪聲信噪比和包絡(luò)譜信噪比，就可以根據(jù)下式來推算出輻射噪聲的調(diào)制系數(shù)m

下面結(jié)合附圖舉例對本發(fā)明作更為詳細的說明：

第一步，一條N元等間距直線水聽器陣水平布放在海底，海深100m。某一時間段內(nèi)一艘水面船在水面以10節(jié)速度直線航行，相對于直線陣中心點的最近距離為5km。對船舶輻射信號進行功率譜分析，獲取其主要頻帶和帶寬，對線陣各通道數(shù)據(jù)進行帶通濾波。

第二步，船舶輻射噪聲信噪比估計。對N元水聽器陣列接收信號s_i(t),i＝1...N進行波束形成處理，估計出船舶輻射噪聲的水平方位，利用該方位所對應(yīng)波束估計出船舶輻射噪聲功率；濾波后的信號功率與船舶輻射噪聲功率的差值即為環(huán)境噪聲的功率；計算船舶輻射噪聲信噪比snr_ship＝W₁/W₂。

第三步，計算包絡(luò)譜的信噪比。選取陣列任一通道接收到的信號依次進行在帶通濾波后進行絕對值運算、低通濾波和功率譜分析處理，估計線譜信噪比。低通濾波器選128階用巴特沃茲濾波器，上限頻率為100Hz，功率譜分析選用函數(shù)韋爾奇法，信號采樣率為f_s，窗類型選取漢寧窗，窗長f_s點，重疊長度點，軸頻f₀處的功率值為S(f₀)，提出線譜后采用32階巴特沃茲低通濾波可得到連續(xù)譜的均值為μ₀，包絡(luò)譜軸頻處信噪比為snr_env＝S(f₀)/μ₀。

第四步，船舶輻射噪聲調(diào)制系數(shù)估計。根據(jù)式(12)可以估計得到船舶輻射噪聲的調(diào)制系數(shù)。

下面對某日的海試實驗采集到的船舶輻射噪聲進行調(diào)制系數(shù)的估計。接收基陣為48元垂直布放線陣，陣元間距0.25m，聲速1500m/s，采樣頻率25kHz，濾波頻段為1kHz-2kHz。由AIS數(shù)據(jù)得知船1的航行速度為26km/h，航行軌跡為直線，距垂直陣布放位置最近距離10km，最遠距離48km。根據(jù)輻射噪聲信噪比、調(diào)制系數(shù)和包絡(luò)譜信噪比三者間的數(shù)學(xué)關(guān)系，可以得到船舶輻射噪聲的調(diào)制系數(shù)m。

圖2為某一時刻接收到的船舶輻射噪聲經(jīng)1kHz-2kHz帶通濾波處理后的包絡(luò)譜，其第一根線譜出現(xiàn)在9Hz處，包絡(luò)譜信噪比為17dB，輻射噪聲信噪比為-14dB，帶入式(12)，可得出調(diào)制系數(shù)m＝0.55。

圖3為船舶輻射噪聲的調(diào)制系數(shù)估計的試驗結(jié)果，給出了160分鐘內(nèi)調(diào)制系數(shù)的時間歷程，包絡(luò)譜分析處理后的第一根線譜的調(diào)制系數(shù)穩(wěn)定在在0.08～0.23范圍內(nèi)。