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        艦船地震波數(shù)據(jù)分析

        2014-10-21 12:55:13車振
        電子世界 2014年23期
        關(guān)鍵詞:縱軸傅立葉航次

        車振

        【摘要】本文利用功率譜分析、短時(shí)傅立葉變換方法對(duì)艦船地震波數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析,得出了“艦船地震波具有良好的‘通過特性、較明顯的頻譜特征和較好的區(qū)域特性”的結(jié)論,表明艦船地震波在引信技術(shù)中具有較好的應(yīng)用前景。

        【關(guān)鍵詞】艦船;引信;地震波

        1.引言

        地震波指由于地震活動(dòng)而引起的經(jīng)由大地傳播的極低頻聲波,艦船地震波指由于艦船航行而引起的通過海底傳播的低頻聲波[2,3]。在淺水區(qū),由于海洋混響和多途效應(yīng)的影響,艦船水聲信號(hào)傳播非常復(fù)雜,對(duì)水中兵器引信提出了較大挑戰(zhàn)。地震波沿海底傳播,損耗小,傳播距離較遠(yuǎn),可以作為一種較理想的艦船物理場[1]。艦船地震波的來源主要是艦船噪聲,包括機(jī)械噪聲、螺旋槳噪聲和水動(dòng)力噪聲。

        2.譜分析

        2.1 功率譜

        功率譜是譜分析中一種常用方法。自相關(guān)函數(shù)間接地給出了隨機(jī)過程中的頻率信息,根據(jù)自相關(guān)函數(shù)的傅立葉變換及其逆變換,并依據(jù)自相關(guān)函數(shù)的定義,可得到:

        (1)

        式中:為隨機(jī)過程;Wi(f)為等效的單邊譜密度函數(shù),f為頻率。

        由式(1)能夠看出,的均方值由譜密度Wi(f)對(duì)f下的面積來確定。一般意義上,功和能量與振幅的平方成正比,所以譜密度Wi(f)可以看作隨機(jī)信號(hào)在單位頻帶內(nèi)的諧波分量的能量按頻率f分布的度量,稱為功率譜密度函數(shù)。

        2.2 短時(shí)傅立葉變換

        用一個(gè)在時(shí)間上可滑動(dòng)的“窗”來進(jìn)行傅立葉變換,可實(shí)現(xiàn)在時(shí)域和頻域上均具有較好局部分辨力的分析方法,即短時(shí)傅立葉變換。h(t)是中心位于且寬度有限的時(shí)窗函數(shù),x(t)是通過h(t)觀察到的平穩(wěn)信號(hào),加窗信號(hào)的傅立葉變換即短時(shí)傅立葉變換,表示如下:

        (2)

        式中:STFT是將信號(hào)x(t)映射到時(shí)頻平面上的二維函數(shù)。隨著的變化,h(t)所確定的時(shí)窗在時(shí)間軸上滑移,對(duì)信號(hào)進(jìn)行分段截取,將其轉(zhuǎn)化為若干段局部平穩(wěn)信號(hào),分別進(jìn)行傅立葉變換后得到一組信號(hào)的局部頻譜。從不同時(shí)刻局部頻譜上的差異便可得到信號(hào)的時(shí)變特征。反映了x(t)在時(shí)刻的頻率為f的信號(hào)成分的相對(duì)含量。

        3.艦船地震波

        作者利用自研的地震波傳感器在湖上開展了測(cè)試試驗(yàn),傳感器布深20m,采樣率為100Hz,被測(cè)目標(biāo)為100t的民用船只。目標(biāo)直線航行,其中三個(gè)航次的數(shù)據(jù)如圖1~圖3所示。圖中,橫軸為時(shí)間(采樣點(diǎn)數(shù)),縱軸為幅值;紅線指示目標(biāo)通過正橫的時(shí)刻。對(duì)數(shù)據(jù)的最大值進(jìn)行分析,如表1所示。

        可見,地震波振幅與距離之間具有較強(qiáng)的相關(guān)性,即距離越遠(yuǎn)振幅越小,這也符合直觀理解。

        4.結(jié)果分析

        4.1 曲線擬合

        對(duì)地震波數(shù)據(jù)取絕對(duì)值,利用鐘形信號(hào)對(duì)其進(jìn)行擬合,結(jié)果如圖4~圖6所示,橫軸為采樣點(diǎn)數(shù),縱軸為信號(hào)幅度。可以看出,艦船地震波具有非常良好的“通過特性”,許多傳統(tǒng)的引信技術(shù)[4]可以直接類比應(yīng)用到地震波引信中。

        表1 地震波振幅對(duì)比表

        航次 最大振幅(單位:μg) 正橫距離(單位:m)

        1 96.03 11.34

        2 41.40 44.24

        3 26.66 61.03

        4.2 功率譜分析

        航次1~航次3的功率譜如圖7~圖9所示,橫軸為頻率,縱軸為幅度??梢钥闯雠灤卣鸩ň哂小斑B續(xù)譜+線譜”的特征,具體的處理方法可以借鑒水聲信號(hào)處理技術(shù)。針對(duì)本次的被測(cè)目標(biāo),可以看出在5Hz和10Hz處有兩個(gè)較大的峰值,識(shí)別特征明顯。

        4.3 短時(shí)傅立葉變換分析

        航次1~航次3的短時(shí)傅立葉變換結(jié)果如圖10~圖12所示,橫軸為時(shí)間,縱軸為頻率??梢钥闯?,在被測(cè)目標(biāo)通過正橫時(shí)刻的前后具有明顯的陰影區(qū),表明地震波具有較好的區(qū)域特性。

        5.結(jié)束語

        本文利用曲線擬合、功率譜分析和短時(shí)傅立葉變換方法對(duì)艦船地震波數(shù)據(jù)進(jìn)行了初步分析,結(jié)果表明:地震波具有良好的“通過特性”、較明顯的頻譜特征和較好的區(qū)域特性,非常適合作為引信的信息源使用。

        參考文獻(xiàn)

        [1]葉平賢,龔沈光.艦船物理場[M].北京:兵器工業(yè)出版社,1992.

        [2]陳云飛等.航行艦船地震波及其在水中目標(biāo)探測(cè)中的應(yīng)用[J].艦船科學(xué)技術(shù),2005(3):62-66.

        [3]董立等.地震波引信設(shè)計(jì)方案的探討[J].探測(cè)與控制學(xué)報(bào),2008(5):4-6.

        [4]蔡鹍.水雷引信技術(shù)[M].北京:國防工業(yè)出版社,2012.

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