李 松,石 敏,杜 鑫
(海軍裝備研究院,北京 100085)
艦船軸頻電場數(shù)據(jù)的采集與處理研究
李 松,石 敏,杜 鑫
(海軍裝備研究院,北京 100085)
艦船軸頻電場是極其重要的目標(biāo)識(shí)別特征之一。為了對(duì)其開展深入研究,研制了一套基于MSP430單片機(jī)的艦船軸頻電場采集系統(tǒng),獲取海洋環(huán)境電場和艦船的軸頻電場信號(hào)。對(duì)數(shù)據(jù)分析后發(fā)現(xiàn):信號(hào)在近海港口易受強(qiáng)沖擊干擾的影響,給目標(biāo)檢測帶來困難。針對(duì)這種情況,首先對(duì)軸頻電場數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,利用一階差分法去除數(shù)據(jù)中的奇異項(xiàng),利用最小二乘法去除趨勢項(xiàng);然后通過自適應(yīng)線譜增強(qiáng)器輸出信號(hào),結(jié)果證明該方法有效壓制強(qiáng)沖擊背景噪聲,經(jīng)過處理后的數(shù)據(jù)可直接用于艦船目標(biāo)檢測。
MSP430;艦船;軸頻電場;預(yù)處理;自適應(yīng)線譜增強(qiáng)器;目標(biāo)檢測
艦船在海洋環(huán)境中引起的電場叫做艦船電場,由于艦船轉(zhuǎn)動(dòng)軸系接觸電阻的變化,使得海水中艦船腐蝕電流或腐蝕防護(hù)電流發(fā)生脈動(dòng),該脈動(dòng)電流在海水中產(chǎn)生了以螺旋槳轉(zhuǎn)速(即軸頻)頻率為基波的極低頻電磁場,稱為軸頻電場[1],根據(jù)螺旋槳的轉(zhuǎn)速,軸頻電場一般位于1~5 Hz頻段內(nèi),該電場信號(hào)特征明顯,區(qū)域性強(qiáng),在一定距離上易被探測到,而且不管是防腐電流還是腐蝕電流經(jīng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)制后均會(huì)產(chǎn)生軸頻電場,是很難被隱身的艦船特征信號(hào)。
艦船軸頻電場的區(qū)域性強(qiáng),其量級(jí)大小與傳感器和目標(biāo)艦船的相對(duì)位置有關(guān),并且跟艦船的大小、新舊程度以及采用的防腐措施有很大關(guān)系,不同個(gè)體,艦船軸頻電場的分布情況和幅值大小可能會(huì)存在很大的差異[2],實(shí)驗(yàn)室模擬或計(jì)算機(jī)仿真的數(shù)據(jù)與真實(shí)海洋環(huán)境下艦船軸頻信號(hào)差距較大,因此,獲取海洋環(huán)境噪聲背景下艦船軸頻電場實(shí)測數(shù)據(jù)十分重要。通過自行研制的艦船及海洋環(huán)境電場測量系統(tǒng),在不同的海洋環(huán)境電場噪聲下,對(duì)艦船軸頻段信號(hào)進(jìn)行測量,結(jié)果顯示,由于軸頻電場信號(hào)在傳播路徑上衰減很快,并且容易受環(huán)境電場干擾和測量系統(tǒng)噪聲的影響,若直接對(duì)信號(hào)進(jìn)行檢測,會(huì)降低檢測概率,增加虛警概率,所以在檢測前對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理十分必要。
艦船軸頻電場測量系統(tǒng)主要完成對(duì)電場信號(hào)的采集、濾波、放大、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及數(shù)據(jù)回收等功能。試驗(yàn)要求測量系統(tǒng)具有低噪聲、低功耗、高分辨率等功能。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示:測量系統(tǒng)主要由電場傳感器、信號(hào)調(diào)理模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、低功耗MSP430微處理器控制模塊、存儲(chǔ)電路、通訊及供電模塊等組成。
圖1 艦船軸頻電場測量系統(tǒng)原理框圖Fig.1 A theory chart for data acquiring system of the shaft-rate electric field
軸頻電場測量系統(tǒng)的工作原理為:電場傳感器測量的電信號(hào),首先經(jīng)由低噪聲前置放大器放大,然后通過低通濾波和帶通濾波濾除軸頻以外的噪聲信號(hào),再進(jìn)行后置放大,通過A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào),送入微控制器緩存,當(dāng)序列達(dá)到一定長度后,經(jīng)過微控制器將時(shí)間、電場軸頻信號(hào)數(shù)據(jù)重新編碼存入Flash存儲(chǔ)器,測量試驗(yàn)結(jié)束后,數(shù)據(jù)通過串口通信進(jìn)行回收,以文本文件的形式存入計(jì)算機(jī)。
目標(biāo)艦船檢測的一般方法是根據(jù)信號(hào)功率譜的大小來判別,它是一種基于能量檢測的方法,當(dāng)沒有艦船軸頻電場信號(hào)時(shí),該軸頻段的功率譜變化比較平穩(wěn),艦船出現(xiàn)時(shí),該頻段的功率譜的值會(huì)顯著增加,從而達(dá)到檢測艦船的目的。但是當(dāng)環(huán)境中出現(xiàn)非平穩(wěn)干擾時(shí),容易引起高虛警,所以在對(duì)目標(biāo)檢測前必須消除非平穩(wěn)的噪聲干擾影響。
2.1 海洋環(huán)境電場數(shù)據(jù)分析
海洋環(huán)境電場是艦船電場的背景噪聲,成分復(fù)雜,其產(chǎn)生有多種場源,主要分為自然源和人造源兩大類[3],其中由自然源產(chǎn)生的電場主要包括海水運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的電場,地球磁氣圈的變化引發(fā)的電場,電離層電流引發(fā)的電場,地震引起的電場,海洋生物活動(dòng)產(chǎn)生的電場等;人造源包括海底管道產(chǎn)生的電場,人類航運(yùn)活動(dòng)產(chǎn)生的電場等。海洋環(huán)境電場在近海港口與遠(yuǎn)海表現(xiàn)出不同的特性,圖2為軸頻電場遠(yuǎn)海海域?qū)崪y電場值及其頻譜圖,圖3為軸頻電場近海港口實(shí)測電場值及其頻譜圖。
圖2 近海環(huán)境電場及其頻譜圖Fig.2 The electric field signal and the spectrum far away from the port
圖3 近海環(huán)境電場及其頻譜圖Fig.3 The electric field signal and the spectrum near the port
從圖2可看出,遠(yuǎn)離港口海域環(huán)境電場噪聲較小,其1~5 Hz頻譜包含各種頻率,并且頻率成分較為平均(0 Hz和5 Hz附近頻譜的減小由帶通濾波器引起),噪聲可通過設(shè)定浮動(dòng)閾值來消除。由圖3(a)可看出,港口環(huán)境電場存在不明原因的強(qiáng)沖擊干擾,而且根據(jù)不同時(shí)間測得的環(huán)境電場數(shù)據(jù)來看,沖擊產(chǎn)生的時(shí)間間隔在5~25 s之間變化,每次沖擊持續(xù)時(shí)間為3 s左右,包含2個(gè)周期,其功率譜如圖3(b)所示。這種強(qiáng)沖擊干擾在艦船軸頻信號(hào)的檢測中容易引起誤判,而且它與艦船軸頻電場所在頻率段重合,無法用濾波的方法將其消除。
2.2 采樣數(shù)據(jù)的預(yù)處理[4-5]
數(shù)據(jù)中的奇異值是指采樣數(shù)據(jù)序列中有明顯錯(cuò)誤(丟失或粗大)的個(gè)別數(shù)據(jù)。這些奇異值的存在,會(huì)使數(shù)據(jù)處理后的誤差大大增加,所以如果存在奇異值,應(yīng)該首先予以消除。本文采用一階差分法剔除采樣數(shù)據(jù)中的奇異項(xiàng)。
去除趨勢項(xiàng)是數(shù)據(jù)處理中一個(gè)很重要的預(yù)處理步驟,數(shù)據(jù)中的趨勢項(xiàng)甚至可以使低頻部分的功率譜估計(jì)完全失去真實(shí)性,而艦船軸頻信號(hào)恰巧位于極低頻頻段,所以有必要消除趨勢項(xiàng)對(duì)數(shù)據(jù)的影響。本文采用最小二乘法消除艦船軸頻電場數(shù)據(jù)中的趨勢項(xiàng)。
2.3 自適應(yīng)線譜增強(qiáng)
自適應(yīng)線譜增強(qiáng)器(ALE)的原理在文獻(xiàn)[6~8]已有詳細(xì)闡述,其結(jié)構(gòu)如圖4所示,它的基本輸入為xj,參考輸入rj取為xj-Δ,線性相加器的輸入數(shù)據(jù)向量為xj=[x1j,…,xpj]=[xj-Δ,…,xj-Δ-n+1],濾波器系數(shù)W=[w1j,…,wnj],自適應(yīng)算法采用LMS算法。信號(hào)延遲的作用是使寬帶信號(hào)去相關(guān),而正弦信號(hào)或窄帶信號(hào)不去相關(guān),ALE就自適應(yīng)地與相關(guān)的正弦或窄帶信號(hào)進(jìn)行匹配,把寬帶和窄帶信號(hào)分離開來。利用自適應(yīng)線譜增強(qiáng)器,一方面,由于艦船軸頻信號(hào)在頻域表現(xiàn)為以螺旋槳轉(zhuǎn)速為基頻的線譜,屬于窄帶周期性信號(hào),利于信號(hào)的提?。涣硪环矫?,噪聲中的強(qiáng)沖擊干擾由于延遲的作用得到消除。
圖4 自適應(yīng)線譜增強(qiáng)器結(jié)構(gòu)圖Fig.4 The structure of the adaptive line enhancement
2.4 數(shù)據(jù)處理結(jié)果
艦船產(chǎn)生的軸頻電場易受強(qiáng)環(huán)境噪聲的影響,此外,由于海水的導(dǎo)電性,軸頻電場信號(hào)在傳播路徑上衰減很快,信號(hào)在一定距離上容易被環(huán)境噪聲掩蓋,從而導(dǎo)致虛警或者根本檢測不到目標(biāo),為了解決這個(gè)問題,一方面要研制低噪聲電場測量系統(tǒng),另一方面要對(duì)測量數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚?。本文?duì)近海和遠(yuǎn)海實(shí)測的2組數(shù)據(jù)先進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理,然后將信號(hào)通過自適應(yīng)線譜增強(qiáng)器輸出,結(jié)果如圖5和圖6所示。
圖5 遠(yuǎn)海艦船軸頻電場信號(hào)處理結(jié)果Fig.5 The processing result of the signal far away from the port
由圖5可知,遠(yuǎn)海軸頻電場受環(huán)境干擾較小,噪聲為寬帶隨機(jī)噪聲,經(jīng)自適應(yīng)線譜增強(qiáng)器處理后,寬帶噪聲得到了有效的抑制,軸頻信號(hào)特征得到了明顯的加強(qiáng)。由圖6(a)可知,近海港口環(huán)境電場存在不明原因的強(qiáng)沖擊干擾,這種強(qiáng)沖擊干擾在艦船軸頻信號(hào)的檢測中容易引起誤判,它不同于奇異值,所以在去奇異值的步驟中沒能將它去掉。圖6(b)為去趨勢項(xiàng)和線譜增強(qiáng)后的信號(hào),由于沖擊信號(hào)存在時(shí)間較短,自適應(yīng)線譜增強(qiáng)時(shí),選擇適當(dāng)?shù)难舆t時(shí)間,會(huì)使沖擊信號(hào)與寬帶噪聲信號(hào)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算,由于它們的非相關(guān)性,可以有效的消除這種沖擊噪聲。
艦船在航行狀態(tài)下會(huì)產(chǎn)生明顯的軸頻電場信號(hào),頻域上存在穩(wěn)定的線譜,該電場較易被探測到,具有很強(qiáng)的信號(hào)特征。但是受環(huán)境干擾、測量系統(tǒng)噪聲以及信號(hào)在傳播路徑上衰減等因素的影響,無法直接進(jìn)行檢測。通過對(duì)海上實(shí)測數(shù)據(jù)去奇異值,去趨勢項(xiàng)以及自適應(yīng)線譜增強(qiáng)處理,有效的將軸頻電場特征信號(hào)從環(huán)境背景噪聲中提取出來,從而提高艦船軸頻電場的探測能力。
圖6 近海艦船軸頻電場信號(hào)處理結(jié)果Fig.6 The processing result of the shaft-rate electric field signal near the port
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Data acquisition and processing for the shaft-rate electric field of a ship
LI Song,SHI Min,DU Xin
(Naval Academy of Armament,Beijing 100161,China)
Shaft-rate electric field of a ship is one of the important target recognition features.In the course of the real-time detection, the electric signature of the ship is easily influenced by the noise.Based on msp430, a data acquiring system of the shaft-rate electric field of a ship is introduced.Electric Fields in Marine Environment and the shaft-rate electric field of a ship are measured.By analyzing the data, it is found that electric signal is strongly noised near the coast.So here propose a method that the data is preprocessed firstly, and then enhanced by adaptive line enhancement (ALE).Practical results show that the method is effective.
MSP430; ships; shaft-rate electric field; data preprocessing; adaptive line spectrum enhancement
2013-12-02;
2014-03-21
國防預(yù)研基金資助項(xiàng)目
李松(1979-),男,博士,工程師,主要研究領(lǐng)域?yàn)槲⑷跣盘?hào)檢測,導(dǎo)電媒質(zhì)中的電磁場等。
TP274
A
1672-7649(2015)12-0100-04
10.3404/j.issn.1672-7649.2015.12.020