張海波，蘇瑞群，鄒清府，胡偉凡，劉培培，王 斌

（江南工業(yè)集團(tuán)，湖南 湘潭 411207）

0 引言

當(dāng)前近海水下防御進(jìn)入新的階段，其他各國也對近海防御表現(xiàn)出很高的關(guān)注度?；鸺l(fā)動機(jī)相比傳統(tǒng)的電推力等發(fā)動機(jī)具備結(jié)構(gòu)簡單、爆發(fā)力強(qiáng)、可快速提高水下裝備航行速度等優(yōu)勢，使其應(yīng)用較為廣泛[1]。然而，火箭發(fā)動機(jī)工作時產(chǎn)生的強(qiáng)背景噪聲會淹沒任何水下聲信號[2]，傳統(tǒng)方法難以檢測出高信噪比脈沖信號，因此固體火箭發(fā)動機(jī)水下脈沖信號檢測研究具有重要的意義，這將為水下火箭發(fā)動機(jī)強(qiáng)背景噪聲下目標(biāo)信號檢測提供新的思路。

1 火箭發(fā)動機(jī)噪聲機(jī)理分析

固體火箭發(fā)動機(jī)在水下工作時，發(fā)動機(jī)開機(jī)后，由于火藥燃燒，在腔體內(nèi)產(chǎn)生高能射流。該射流具備較強(qiáng)的壓強(qiáng)，從噴管口噴出[3]，推動載體向前高速運(yùn)動，包裹發(fā)動機(jī)噴口的水向后方推開。與此同時，強(qiáng)大的射流產(chǎn)生具備一定速度的空氣氣泡[2]，這種大氣泡在水壓的作用下不斷地破裂，演變?yōu)檩^大的多個氣泡。然后，這些較大的氣泡在沿火箭噴口相反方向高速運(yùn)動的過程中，又不斷地破裂，產(chǎn)生更多的小氣泡。在此過程中，氣泡破裂會產(chǎn)生復(fù)雜的噪聲，這些噪聲的頻率復(fù)雜多變。其中，噪聲強(qiáng)度與火箭發(fā)動機(jī)能量有關(guān)，發(fā)動機(jī)振動也會帶來低頻方面的能量。圖1（a）包括了火箭發(fā)動機(jī)開機(jī)前后的時域數(shù)據(jù)變換情況，發(fā)動機(jī)開機(jī)前，水下噪聲平穩(wěn)安靜，點(diǎn)火后，噪聲水平迅速抬升。圖1（b）是對應(yīng)的本地噪聲和發(fā)動機(jī)開機(jī)后噪聲的頻譜。由圖中可以看出，水下火箭發(fā)動機(jī)噪聲遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于背景噪聲，且在整個頻段均高出本地噪聲約40 dB。

圖1 火箭發(fā)動機(jī)開機(jī)前后噪聲及頻譜Fig.1 Noise and frequency spectrum of rocket engine before and after ignition

2 自適應(yīng)消噪與濾波

自適應(yīng)濾波器可以根據(jù)環(huán)境的改變，使用自適應(yīng)算法來改變?yōu)V波器的參數(shù)和結(jié)構(gòu)，完成對輸入信號的濾波功能。其特征就是可以在未知和復(fù)雜環(huán)境下有效工作，并能夠跟蹤輸入信號的時變特征。其中，自適應(yīng)消噪和濾波為自適應(yīng)濾波器的2個主要應(yīng)用方向。

自適應(yīng)消噪流程如圖2所示，期望信號d(n)為信號與噪聲之和，即d(n) =x(n) +N(n)，作為自適應(yīng)消噪器的輸入，是與噪聲相關(guān)的另一個噪聲。當(dāng)x(n)和N(n)不相關(guān)時，利用噪聲的相關(guān)性，自適應(yīng)消噪器自調(diào)參數(shù)，以使得y(n)成為N(n)的最佳估計(jì)。此時e(n)將逼近信號x(n)，噪聲N(n)得到一定程度的抵消。如果參考通道除檢測到的噪聲N'(n)外，還收到信號分量，則自適應(yīng)干擾抵消器輸出中將包含信號分量，從而使噪聲對消效果變壞[4-5]。因此，為獲得良好的噪聲對消性能，應(yīng)使參考通道檢測到的信號盡可能小，在信號不可檢測的噪聲環(huán)境獲取參考信號。

圖2 自適應(yīng)消噪流程圖Fig.2 Flow chart of adaptive denoising

自適應(yīng)濾波流程圖如圖3所示，其中：[x(n)x(n- 1 ) …x(n-L)]為輸入信號向量；d(n)為標(biāo)準(zhǔn)信號；e(n)為濾波后的誤差；y(n)為最終的輸出信號。

圖3 自適應(yīng)濾波流程圖Fig.3 Flow chart of adaptive filtering

將上述參數(shù)統(tǒng)一用向量表示為

采用合適的自適應(yīng)算法實(shí)時更新w權(quán)值，使得E[e2]最小，即可完成信號的自適應(yīng)濾波[6]，最終信號輸出為

火箭發(fā)動機(jī)噪聲的處理過程中，自適應(yīng)消噪選擇發(fā)動機(jī)實(shí)時噪聲（不含脈沖信號）作為標(biāo)準(zhǔn)信號，輸入信號為采集到的實(shí)時噪聲（包含有脈沖信號）；在自適應(yīng)濾波時，選擇發(fā)射脈沖信號作為標(biāo)準(zhǔn)信號，輸入信號為自適應(yīng)消噪后的輸出信號。

3 正交解調(diào)與互相關(guān)處理

火箭發(fā)動機(jī)載體可以接收來自外部的脈沖信號。該脈沖信號是通過中頻信號加載到基頻信號上的，可以通過正交解調(diào)的方法，減少信號處理時間。之后，再通過同類型的基頻信號與目標(biāo)信號進(jìn)行互相關(guān)處理，提取出脈沖信號的基頻。

圖4為正交解調(diào)原理流程圖。

圖4 正交解調(diào)原理流程圖Fig.4 Principle flow chart of quadrature demodulation

正交解調(diào)處理是將實(shí)信號經(jīng)過復(fù)調(diào)制，然后對2個正交分量分別進(jìn)行低通濾波處理后輸出為

上式中[·]LP為低通濾波算子[7]。

互相關(guān)接收的原理如圖5所示。

圖5 互相關(guān)流程圖Fig.5 Flow chart of cross correlation

圖5中，x(t)為輸入信號，表示為

式中：s(t-tr)為相對于發(fā)射起點(diǎn)，即為接收到的脈沖信號；tr=R/c為信號經(jīng)歷的時間；n(t)為平穩(wěn)白噪聲過程；s(t)為參考信號，通常取為發(fā)射信號；τ為參考信號延遲；相關(guān)接收輸出為互相關(guān)函數(shù)，即

式中，Rss和Rns分別為信號的自相關(guān)函數(shù)和信號與噪聲的互相關(guān)函數(shù)。當(dāng)τ=tr時，Rxs(τ)取得最大值[8]。

4 火箭發(fā)動機(jī)噪聲背景脈沖信號檢測及試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 試驗(yàn)方法

火箭發(fā)動機(jī)噪聲背景脈沖信號檢測的傳統(tǒng)常規(guī)處理方法是：將含有脈沖信號的發(fā)動機(jī)強(qiáng)噪聲信號通過帶通濾波器，再將信號進(jìn)行正交解調(diào)和互相關(guān)方法處理。

本文采用自適應(yīng)處理方法對火箭發(fā)動機(jī)噪聲背景脈沖信號進(jìn)行檢測，具體操作如下：

1）將含有脈沖信號的發(fā)動機(jī)強(qiáng)噪聲信號利用自適應(yīng)消噪算法進(jìn)行處理。其中，消噪選取的噪聲信號來自于火箭發(fā)動機(jī)開機(jī)后自身產(chǎn)生的強(qiáng)噪聲，參考信號為發(fā)動機(jī)開機(jī)前的安靜水紋噪聲。

2）將消噪后的信號利用自適應(yīng)濾波進(jìn)行處理。

3）最后，將脈沖信號進(jìn)行正交解調(diào)和互相關(guān)處理。當(dāng)自適應(yīng)濾波和信號解調(diào)互相關(guān)時，脈沖信號作為參考輸入信號。

對火箭發(fā)動機(jī)噪聲背景下脈沖信號進(jìn)行檢測時，傳統(tǒng)常規(guī)方法與本文自適應(yīng)處理方法流程對比如圖6所示。

圖6 自適應(yīng)方法與傳統(tǒng)常規(guī)方法流程對比圖Fig.6 Comparative flow chart of adaptive method and traditional conventional method

4.2 試驗(yàn)過程

試驗(yàn)在湖上進(jìn)行，水下20 m處吊放帶有火箭發(fā)動機(jī)的柱狀載體，頭部裝有接收水聽器，發(fā)射換能器距離接收水聽器10 m，試驗(yàn)現(xiàn)場布置如圖7所示。發(fā)動機(jī)開機(jī)后，每間隔1 s發(fā)射時寬5 ms、頻率為15 kHz的脈沖信號?；鸺l(fā)動機(jī)工作 5 s左右，采集到的時域數(shù)據(jù)見圖8。可以看出，由于發(fā)動機(jī)強(qiáng)噪聲原因，噪聲迅速增大。經(jīng)時序分析，其中有2個脈沖信號落在了發(fā)動機(jī)強(qiáng)噪聲背景中，發(fā)動機(jī)關(guān)閉后才能看到后續(xù)的脈沖信號，但周圍泯滅的氣泡噪聲仍然有比較強(qiáng)的背景噪聲。

圖7 試驗(yàn)布置示意圖Fig.7 Schematic diagram of test layout

圖8 發(fā)動機(jī)時域噪聲Fig.8 Engine time domain noise

4.3 結(jié)果驗(yàn)證與分析

提取含有脈沖信號的火箭發(fā)動機(jī)強(qiáng)背景噪聲信號進(jìn)行分析，圖9（a）為火箭發(fā)動機(jī)開機(jī)后含有脈沖信號的時域信號，9（b）圖為通過自適應(yīng)消噪后的輸出，9（c）是經(jīng)過自適應(yīng)濾波后的信號。從圖9（a）明顯看出發(fā)動機(jī)強(qiáng)背景噪聲完全淹沒了脈沖信號。當(dāng)采用自適應(yīng)消噪后，可以清晰地看到脈沖信號，并且本底噪聲降低了 34倍，2組脈沖信號的信噪比分別為18.9 dB和19.0 dB。信號再進(jìn)行自適應(yīng)濾波后，本底噪聲有效值降到 0.07，2組脈沖信號的幅度有效值分別放大了 22.1倍和18.4倍。結(jié)果表明：通過采用自適應(yīng)消噪和自適應(yīng)濾波2種方法，可以顯著提高信號的強(qiáng)度、降低強(qiáng)背景噪聲干擾。

圖9 發(fā)動機(jī)開機(jī)后自適應(yīng)消噪和濾波Fig.9 Adaptive denoising and filtering after engine ignition

為了進(jìn)一步對比自適應(yīng)消噪和濾波方法與傳統(tǒng)常規(guī)方法的處理效果，選取發(fā)動機(jī)開機(jī)后含有脈沖的時域信號，分別經(jīng)過自適應(yīng)消噪和濾波、帶通濾波器。其中，圖10（a）是發(fā)動機(jī)強(qiáng)背景噪聲經(jīng)過自適應(yīng)消噪和濾波處理后的信號，圖10（b）是發(fā)動機(jī)強(qiáng)背景噪聲經(jīng)過帶通濾波器處理后的結(jié)果。

圖10 發(fā)動機(jī)強(qiáng)背景噪聲不同處理方法對比Fig.10 Comparison of different processing methods for engine strong background noise

使用了帶通濾波的方法在強(qiáng)背景發(fā)動機(jī)噪聲情況下，脈沖信號清晰可見，但時域信號夾雜了復(fù)雜的干擾，信噪比低。相比于傳統(tǒng)常規(guī)的濾波方法，使用自適應(yīng)消噪和濾波方法處理的脈沖信號，噪聲得到極大的抑制，同時脈沖信號得到了放大。比對2種工況環(huán)境下2組脈沖信號的信噪比，見表1。計(jì)算結(jié)果表明：經(jīng)過自適應(yīng)消噪和自適應(yīng)濾波的信號相比于帶通濾波器處理的結(jié)果，信噪比分別提高了34 dB和33.7 dB。

表1 2種工況條件下的脈沖信噪比Table 1 Pulse signal-to-noise ratio under 2 working conditions

依據(jù)圖6中本文自適應(yīng)方法與傳統(tǒng)常規(guī)2種方法對火箭發(fā)動機(jī)脈沖信號進(jìn)行檢測的流程，對自適應(yīng)處理和常規(guī)濾波后的 2種工況時域信號進(jìn)行正交解調(diào)和互相關(guān)處理，得到其目標(biāo)信號的脈沖檢測結(jié)果，如圖11所示。圖中表明：經(jīng)過自適應(yīng)消噪和濾波的脈沖信號本底噪聲在-70 dB，經(jīng)過帶通濾波的信號本底噪聲在-30 dB，在同等情況下，使用自適應(yīng)處理方法，脈沖信號檢測能力提高了40 dB。

圖11 脈沖信號檢測結(jié)果對比Fig.11 Comparison of pulse signal detection results

5 結(jié)束語

火箭發(fā)動機(jī)開機(jī)后，噪聲信號快速增大，從頻率角度可以看出整個噪聲頻帶比發(fā)動機(jī)開機(jī)前平均高出40 dB。

淹沒在火箭發(fā)動機(jī)高強(qiáng)度背景噪聲中的脈沖信號通過自適應(yīng)消噪和自適應(yīng)濾波級聯(lián)的方式降低了背景噪聲的幅度，提高了脈沖信號的強(qiáng)度。與傳統(tǒng)常規(guī)帶通濾波器處理方法相比，自適應(yīng)方法可以提高約30 dB信噪比。

通過后期信號的正交解調(diào)和互相關(guān)處理，在降低運(yùn)算量的同時，仍可以實(shí)現(xiàn)提取出包含脈沖信號的有效包絡(luò)信息，達(dá)到了火箭發(fā)動機(jī)強(qiáng)背景噪聲下脈沖信號更優(yōu)檢測的目的，為水下火箭發(fā)動機(jī)的應(yīng)用提供了新的思路和可能。