王順杰，劉啟軍，戴衛(wèi)國(guó)

(海軍潛艇學(xué)院，山東 青島266044)

0 引 言

瞬態(tài)信號(hào)是一種沖擊衰減 (振蕩或非振蕩)信號(hào)，其在時(shí)間上非常短暫，反映的是系統(tǒng)突變的信息，它可以是確定性信號(hào)也可以是非平穩(wěn)的隨機(jī)信號(hào)。目前，對(duì)瞬態(tài)信號(hào)的檢測(cè)方法眾多，小波分析在瞬態(tài)信號(hào)檢測(cè)中已得到廣泛應(yīng)用［1－2］。Nuttall 提出了一種魯棒性較好的非參數(shù)瞬態(tài)信號(hào)檢測(cè)器——基于DFT 的Power-Law 檢測(cè)器，特別適用于檢測(cè)未知物理過程產(chǎn)生的瞬態(tài)信號(hào)［3］。Stefannia研究了基于高階矩瞬態(tài)信號(hào)的檢測(cè)性能［4］。韓建輝研究了基于小波變換的Power-Law 水聲瞬態(tài)信號(hào)檢測(cè)［5］。

遠(yuǎn)程水下高速目標(biāo)從出管或空投入水到轉(zhuǎn)入正常的高速航行，會(huì)發(fā)出極為復(fù)雜的噪聲，這一突發(fā)的瞬態(tài)過程能量集中，低頻特征明顯，噪聲強(qiáng)度遠(yuǎn)高于發(fā)射船舶的輻射噪聲，因此在遠(yuǎn)距離情況下，聲吶系統(tǒng)無法有效探測(cè)船舶噪聲時(shí)。利用瞬態(tài)信號(hào)對(duì)來襲高速目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)、報(bào)警，保證自身安全性具有重要意義。

另外，海洋中還會(huì)存在其他瞬態(tài)信號(hào)，例如鯨魚的鳴叫聲，其也具有能量集中，強(qiáng)度遠(yuǎn)高于海洋環(huán)境噪聲等特點(diǎn)。此時(shí)利用前述各種瞬態(tài)信號(hào)檢測(cè)方法雖然可以成功地檢測(cè)出瞬態(tài)信號(hào)，但對(duì)于特定目標(biāo)類型的檢測(cè)、報(bào)警問題，海洋中其他瞬態(tài)信號(hào)的存在會(huì)造成虛警等問題。本文針對(duì)水下高速目標(biāo)出管瞬態(tài)信號(hào)的檢測(cè)問題，檢測(cè)前根據(jù)目標(biāo)噪聲特征判斷是否對(duì)目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，降低檢測(cè)的虛警率。

1 基于低頻特征的瞬態(tài)信號(hào)檢測(cè)方法

1.1 Power-Law 檢測(cè)方法

Nuttal 認(rèn)為，高斯背景條件下瞬態(tài)信號(hào)的檢測(cè)問題是在N 點(diǎn)DFT 數(shù)據(jù)中任意M 點(diǎn)信號(hào)的檢測(cè)問題。這里M 指的是瞬態(tài)信號(hào)所占譜成分。由于信號(hào)強(qiáng)度未知，因此對(duì)這類似于檢測(cè)未知譜形狀的信號(hào)，Nuttal 提出了以下非參量Power-Law 檢測(cè)方法:

將時(shí)域信號(hào)每間隔N 個(gè)點(diǎn)分成一小段，對(duì)每段數(shù)據(jù)利用下式進(jìn)行檢測(cè):

式中，Xk為時(shí)間序列信號(hào)x(t)的DFT 結(jié)果中第k 個(gè)點(diǎn)幅度的平方，即

其中:T 為整個(gè)積分時(shí)間;m 為非負(fù)實(shí)數(shù)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)，Nuttal 提出m=2.5 時(shí)檢測(cè)性能最佳?？梢钥吹?，此檢測(cè)統(tǒng)計(jì)量?jī)H是周期圖譜值m 次方的和，不需要任何與信號(hào)相關(guān)的先驗(yàn)知識(shí)，因此對(duì)信號(hào)及噪聲的先驗(yàn)知識(shí)要求很少。

另外，上述Power-Law 檢測(cè)方法需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)白化處理。為了避免對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)白化，Nuttal提出不需要預(yù)白化的恒虛警檢測(cè)表達(dá)式:

Power-Law 檢測(cè)器是非參量檢測(cè)器，并且不需要信號(hào)的先驗(yàn)知識(shí)，因而非常吸引人。然而Power-Law 檢測(cè)器假定噪聲n(t)是白噪聲，而在實(shí)際應(yīng)用中如果噪聲是有色噪聲，則Power-Law 檢測(cè)器的性能將下降很快。

1.2 基于低頻特征的瞬態(tài)信號(hào)檢測(cè)流程

通常將對(duì)水下高速目標(biāo)的報(bào)警分為“預(yù)報(bào)警”和“報(bào)警”2 個(gè)階段，圖1 為對(duì)水下高速目標(biāo)進(jìn)行報(bào)警的系統(tǒng)流程圖［6］，從圖中可以看出，對(duì)出管瞬態(tài)信號(hào)的檢測(cè)是預(yù)報(bào)警的一個(gè)重要組成部分。

圖1 目標(biāo)報(bào)警系統(tǒng)流程圖Fig.1 Flow chart of target alert system

水下高速目標(biāo)出管時(shí)能量主要集中在幾百赫茲以下的低頻段［7］，為了避免對(duì)不必要的信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，盡可能排除非水下高速目標(biāo)出管瞬態(tài)噪聲的干擾。本文提出如圖2所示的瞬態(tài)信號(hào)檢測(cè)方法，其具體檢測(cè)流程如下:

1)對(duì)噪聲信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻分析，得到其時(shí)頻圖;

2)若中高頻部分能量變化明顯，則直接判斷為非水下高速目標(biāo);

3)若中高頻部分無明顯能量變化，對(duì)信號(hào)進(jìn)行低通濾波的降噪處理;

4)對(duì)濾波后的信號(hào)利用式(3)進(jìn)行Power-Law檢測(cè)，并給出檢測(cè)結(jié)果。

根據(jù)該檢測(cè)流程，不但可直接排除中高頻特征明顯的水聲瞬態(tài)信號(hào)，而且通過濾波進(jìn)行降噪處理，提高檢測(cè)能力。

圖2 信號(hào)檢測(cè)方法流程圖Fig.2 Flow chart of signal detection method

2 實(shí)測(cè)瞬態(tài)信號(hào)檢測(cè)

圖3 和圖4 分別為鯨魚的鳴叫聲和某水下高速目標(biāo)出管時(shí)的噪聲。從圖中可以看出，均具有波包前沿陡峭、能量集中等瞬態(tài)信號(hào)所具有的時(shí)域特點(diǎn)。圖5 和圖6 分別是經(jīng)信號(hào)處理后的鯨魚的鳴叫聲和某水下高速目標(biāo)出管時(shí)的功率譜歷程圖。從圖中可以明顯看出2 個(gè)信號(hào)的能量分布情況，鯨魚的鳴叫聲主要在中高頻段，而某水下高速目標(biāo)出管時(shí)的能量主要集中在低頻段，二者具有一定的差異性。

本文期望檢測(cè)的瞬態(tài)信號(hào)是高速目標(biāo)出管時(shí)的瞬態(tài)信息，因此利用圖2所示信號(hào)檢測(cè)方法，可直接判斷圖5所示的信號(hào)為非高速目標(biāo)噪聲，無需進(jìn)入瞬態(tài)信號(hào)檢測(cè)流程，避免了虛警的出現(xiàn)。圖7 為對(duì)圖4所示某高速目標(biāo)出管噪聲進(jìn)行處理后的檢測(cè)結(jié)果，圖中①表示不經(jīng)過低通濾波直接利用Power-Law 進(jìn)行檢測(cè)的結(jié)果，②表示經(jīng)低通濾波后利用Power-Law 進(jìn)行檢測(cè)的結(jié)果。從圖中可以看出，低通濾波后可以濾除不必要的噪聲成分，進(jìn)而提高檢測(cè)性能。

圖3 鯨魚鳴叫噪聲Fig.3 Cetacean tweet noise

圖4 高速目標(biāo)出管噪聲Fig.4 High speed target exceed tube noise

圖5 鯨魚鳴叫噪聲功率譜歷程圖Fig.5 Power-spectrum course figure of cetacean tweet noise

圖6 高速目標(biāo)出管噪聲功率譜歷程圖Fig.6 Power-spectrum course figure of high speed target exceed tube noise

圖7 高速目標(biāo)出管噪聲檢測(cè)Fig.7 Detection of high speed target exceed tube noise

3 結(jié) 語(yǔ)

在對(duì)水下高速目標(biāo)檢測(cè)、報(bào)警過程中，做到遠(yuǎn)程報(bào)警至關(guān)重要。檢測(cè)其出管瞬態(tài)信號(hào)是對(duì)目標(biāo)進(jìn)行預(yù)報(bào)警的關(guān)鍵，但海洋中存在多種瞬態(tài)信號(hào)，本文根據(jù)水下高速目標(biāo)出管噪聲的頻域特性，拒絕對(duì)不具有低頻特征的瞬態(tài)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，直接判斷其為非高速目標(biāo)，從一定程度上避免了虛預(yù)警的出現(xiàn)。

需要指出的是，在實(shí)際海洋環(huán)境中，不僅僅水下高速目標(biāo)出管瞬態(tài)噪聲具有低頻特征，其他瞬態(tài)信號(hào)也可能具有低頻特征，如海洋生物的嗚叫聲。因此本文的方法對(duì)處理具有高頻特征或同時(shí)具有低頻和高頻特征的瞬態(tài)信號(hào)是有效的，對(duì)于其他只具有低頻特征的瞬態(tài)信號(hào)排除方法需要進(jìn)一步研究。

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