矢量线阵目标调制谱提取及模板生成方法

王易川 李海涛 陈 喆

(海军潜艇学院 青岛 266199)

0 引言

船舶辐射噪声调制谱(DEMON 谱)由连续谱和线谱两部分组成。普遍认为，DEMON 谱线谱的物理意义基本比较明确，而连续谱尚未有比较明确的物理解释。船舶辐射噪声DEMON谱线谱由轴频线谱、轴频谐波线谱、叶频线谱、叶频谐波线谱按一定规律分布组成，其中稳定的线谱主要由基频及其谐波组成[1−2]。虽然现代军用船舶降噪技术发展使得这种节奏有所减弱，但对于海上航行的大多数船舶来说，船舶辐射噪声在听觉感觉上仍然具备节奏特性。基于DEMON谱特征的桨叶数识别也是船舶辐射噪声特征提取的重要组成部分[3]，对于舰船噪声识别研究具有重要意义。稳定的目标DEMON谱有利于后续桨叶数的识别，如何获取目标DEMON谱模板国内目前研究较少。矢量水听器可同步、共点拾取声场的声压和质点振速信息[4]，提供较传统声压水听器更多的信息量。在单矢量水听器低频线谱和DEMON谱提取研究方面，国内学者做了很多研究工作[5−7]。由矢量水听器组成的矢量线阵(Vector senor line array, VLA)在信号检测和方向估计方面更有优势，VLA的波束域信号相比于单矢量水听器信号，信噪比更高，干扰较小，对于目标检测识别有更好的作用。

VLA 一定程度上可以解决目标方位估计的左右舷模糊问题，但是在左右舷对称角度均存在目标的时候，波束域信号中会同时包含两个目标的特征，造成跟踪波束信号特征的左右舷模糊问题。为了有效地将VLA 跟踪目标DEMON 谱提取出来，更好地用于后续螺旋桨转速提取和桨叶数识别，本文研究了VLA 波束域信号的DEMON 谱提取方法和DEMON谱模板的生成方法。

1 DEMON谱提取流程

文献[8]基于VLA 最小方差无畸变响应(Vector array minimum variance distortionless response, VTAMVDR)算法实现了对跟踪目标的听测，在提取得到的声压和振速信号的基础上，研究了VLA 跟踪目标低频线谱的提取问题。本文是该研究工作的进一步延续，研究了VLA 跟踪目标的DEMON 谱特征提取，DEMON 谱特征提取流程如图1所示。

图1 VLA 跟踪目标DEMON 谱提取框图Fig.1 DEMON spectrum extraction block diagram of VLA tracking target

DEMON谱特征提取流程为

(1)对声压、振速通过中心化预处理并且经过带通滤波分别得到信号p(t)、vx(t)和vy(t)。

(2)利用声压、声能流分别求得多时刻谱值累积DEMON 谱，按照线谱信噪比加权的方式求得DEMON 谱和，同样对低通滤波后信号应用自适应线谱增强算法来提高信号的信噪比。

(3)得到目标谱图后，进行线谱拉平和谱峰筛选等操作来提取特征线谱，方法类似于低频线谱提取过程，可参考文献[8]。对于提取的每根线谱进行互谱方位估计，来剔除干扰线谱，并且利用谐波关系确定特征线谱。DEMON谱分析中有用的线谱是螺旋桨轴频及谐波对应的谱峰，因此提取DEMON 线谱的过程其实是提取一组成倍数的谐波线谱，这是与传统线谱提取方法最大的区别。

(4)对目标进行长时间跟踪分析得到DEMON谱历程图D(t,f)。

2 DEMON谱线谱测向原理

考虑单频载波的调制信号可以写为

其中：A是信号的幅值；m是调制度，满足0

平面波条件下，假设无噪声干扰理想条件下，VLA跟踪后得到的声压和振速信号分别为

声强流：

对声强流Ix低通滤波后，得到辐射噪声信号的调制频率成分：

同理可以得到：

对解调出来的信号进行频谱分析，可以得到DEMON线谱。DEMON线谱方位估计原理与互谱方位估计相似，互谱法是利用频域线谱测向，而后一种是利用DEMON谱线测向。分别对目标DEMON线谱根据下面的公式测定方位：

对DEMON 线谱进行测向，与目标跟踪方位进行比对，误差较大的则认为不是目标DEMON 谱，可以实现干扰线谱剔除。这种方法有助于解决VLA左右舷对称角度同时存在目标造成DEMON 谱混淆的问题。

3 DEMON谱模板生成

船舶DEMON 特征具有稳定性好、物理意义明确的优点，能有效识别叶片数、转数、桨数，进而用于类型识别及航速估计等，是目标识别的关键特征之一。单次计算所获取的DEMON谱存在稳定性不足的问题，在实际使用过程中，影响螺旋桨桨叶数的识别。为了获取目标稳定的DEMON 谱，基于目标多时刻DEMON谱历程图，对DEMON谱历程进行谱峰提取、谱峰合并、峰值调整等，最终得到目标DEMON谱模板。处理步骤如下：

(1)将历程图D(t,f)中存在线谱的点设置为1，得到E(t,f)，

(2)E(t,f)按照频率点求和得到TD(f)，同时将D(t,f)按照频率点求和得到TD′(f)

计算各频率点的平均幅值：

其中，F(f)表示有线谱存在时，线谱的平均幅值。

(3)谱峰合并，设置频率范围门限∆gate，将频率范围∆gate内的线谱看作一个线谱，将频率范围门限∆gate内的点求和作为局部最大值点的值。

同时对包含线谱幅度信息的F(f)进行处理得到F1(f)

(4)TD1(f)归一化得到TD2(f)，过门限处理得到TD3(f)，得到目标低频线谱频率，此时的TD3(f)中没有考虑幅值的信息。

其中，ς表示选取的门限值。

为了引入各特征线谱的幅值信息，做如下处理：

最后对F2(f)做归一化处理得到目标DEMON谱线谱模板图F3(f)。

4 海试数据分析

选用2015年11月VLA 实测海试数据，南中国海海域，水深70 m，VLA 为32 阵元矢量水听器阵列，布放在海底，间距2 m，长62 m，分析目标为海上民船目标，采用VTAMVDR 算法对阵元域信号处理，处理频段300～500 Hz。

4.1 左右舷对称方位仅一个方位存在目标

选取其中一段数据，数据开始时刻目标位于126◦方位，如图2所示。

图2 波束输出Fig.2 Beam output char

图3 给出了VLA 跟踪目标DEMON 谱提取的图像处理的过程，利用声压、声能流分别求得多时刻谱值累积DEMON 谱。本文中采用文献[8]提出的利用拉平后线谱的均方差乘比例因子设为阈值，由于线谱提取结果与阈值选择有关系，4 个DEMON谱提取结果会有细微的差别，通过4 个DEMON 谱的综合提取会对DEMON 谱提取结果进行补全，保证不会漏掉线谱，然后对提取出的线谱进行测向，结果如表1 所示。从提取出来的频率特征线谱可以得到目标的DEMON谱基频为4.8 Hz。

图3 DEMON 谱提取Fig.3 DEMON spectrum extraction

表1 提取DEMON 谱频率及估计方位Table 1 Extraction of DEMON spectrum frequency and estimation of orientation

对目标进行长时间跟踪分析，以期得到目标稳定的DEMON 谱模板，幅值特征谱图采用声压DEMON 和声压振速和DEMON，图4 给出了对目标跟踪100 s的历程图，通过处理得到对应的目标的DEMON谱线谱历程图，见图5。按照第3 节所述方法对DEMON谱线谱历程图进行处理。

图4 目标跟踪历程Fig.4 Beam output course

图5 DEMON 谱线谱历程Fig.5 DEMON spectrum course

图6 给出了目标DEMON 谱模板图，表2 给出了各谱线的相对值。在提取出来的模板图中，保留了各频率线谱的幅值信息，最终求得目标的DEMON谱模板可以用于后续的桨叶数识别。

表2 目标DEMON 谱模板频率与幅值Table 2 Target DEMON spectral template frequency and amplitude

4.2 左右舷对称方位均存在目标情况

对于单目标情形，本文方法可以准确提取出目标的DEMON 谱幅值特征，在实际情况下，由于VLA发现目标较多，难免会遇到左右舷两个角度同时存在的情形，这时两个目标DEMON谱会互相干扰，需要将两个目标的DEMON谱特征分开。

选择一段数据，数据开始时刻目标1 位于108◦方位，左右舷对称角度附近255◦也有一目标2，如图7 所示，分别对这两个方位的目标进行跟踪分析，首先对108◦方位目标1 按照上述流程进行处理，所得结果如图8和表3所示。

表3 提取DEMON 线谱频率及估计方位Table 3 Extraction of DEMON spectrum frequency and estimation of orientation

图7 波束输出图Fig.7 Beam output char

图8 DEMON 谱特征线谱提取Fig.8 DEMON spectrum extraction

通过分析可以得到跟踪目标的DEMON 谱，DEMON 谱基频为6.5 Hz，并且得到目标的DEMON谱幅值特征。

左右舷对称方位目标2 位于255◦方位，处理结果如图9和表4所示。

表4 提取DEMON 线谱频率及估计方位Table 4 Extraction of DEMON spectrum frequency and estimation of orientation

图9 DEMON 谱特征线谱提取Fig.9 DEMON spectrum extraction

在未用DEMON 互谱测向剔除干扰时，存在6.5 Hz 及其倍频线谱，由前面的分析知道其为此频率线谱为108◦方位目标的，应用DEMON 互谱测向可以将这些线谱排除出去，通过分析可以分辨此目标DEMON 谱基频为3.3 Hz，并且得到目标的DEMON谱相对幅值特征。

为了验证本文方法的正确性，本文分析了两目标不再存在左右舷对称方位时的情形，经过1000 s 之后，目标1 运动到122◦方位，目标2 运动到266◦方位，见图10，此时的目标无左右舷对称目标干扰，经过同样的分析可得DEMON 谱如图11 和图12所示。

图10 波束输出Fig.10 Beam output char

图11 目标1 DEMON 谱特征线谱Fig.11 DEMON spectrum of Target1

图12 目标2 DEMON 谱特征线谱Fig.12 DEMON spectrum of Target2

根据图11和图12可以得到目标的DEMON 谱基频分别为6.5 Hz 和3.3 Hz，对比图8 与图11、图9与图12 的DEMON 谱基频，可以看出基频是相同的，分开时所得到的两目标DEMON 谱线谱基频与两目标相互干扰时应用本文方法所得到的结果一致，证明了本文方法是一种有效的提取目标DEMON谱线谱的方法。

5 结论

本文研究了基于VLA 的目标DEMON 谱提取方法，经过预处理得到声压DEMON 谱、声能流DEMON 谱以及声压振速和DEMON 谱，经过去除趋势项、谱线拉平、谱峰提取等方法，分别得到特征线谱，然后进一步利用DEMON谱互谱剔除干扰DEMON线谱，得到净化后的目标特征DEMON谱，并且提出了一种DEMON 谱模板的生成方法。通过仿真和海试数据验证了提取方法的有效性，解决了左右舷对称方位同时存在目标时的特征混淆的问题。