摘要：多普勒計(jì)程儀包含聲學(xué)測(cè)速和電磁測(cè)速兩個(gè)通道。在聲學(xué)測(cè)速通道中，針對(duì)多普勒效應(yīng)引起信號(hào)失真的難題，提出了一種基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的聲學(xué)測(cè)速方法，在不需要信號(hào)校正的前提下，直接構(gòu)建聲信號(hào)與船舶速度診斷決策之間的函數(shù)關(guān)系，顯著提升了聲學(xué)測(cè)速精度。在電磁測(cè)速通道中，為了保證船速發(fā)送電機(jī)能夠精準(zhǔn)對(duì)外發(fā)送所測(cè)船速信息，在故障樣本不平衡的情況下，僅利用健康數(shù)據(jù)樣本，通過(guò)支持矢量數(shù)據(jù)算法（SVDD）為船速發(fā)送電機(jī)建立安全域模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)船速發(fā)送電機(jī)的持續(xù)健康監(jiān)測(cè)。

關(guān)鍵詞：多普勒計(jì)程儀；多普勒效應(yīng)；BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；船速發(fā)送電機(jī)；安全域

一、前言

多普勒計(jì)程儀廣泛應(yīng)用于軍民船舶中，最主要功能是測(cè)量船舶的實(shí)時(shí)船速信息，并將船速信息輸出給船舶其他所需崗位，以保障船舶的安全航行和靈活機(jī)動(dòng)，具有不可撼動(dòng)的意義和地位[1]。多普勒計(jì)程儀通常有兩個(gè)測(cè)速通道，分別為聲學(xué)測(cè)速通道和電磁測(cè)速通道，可以根據(jù)海域或海況變化選擇合適的測(cè)量通道。

聲學(xué)測(cè)速的核心部件是換能器，它可以周期性地向海底發(fā)射并接受回波信號(hào)，通過(guò)比較發(fā)射頻率和接收頻率之間的頻率變化，利用聲波頻率差和速度之間的關(guān)系解算出當(dāng)前的船速值。這種測(cè)量方式的弊端在于船舶上的換能器和海底反射點(diǎn)之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，采集到的聲信號(hào)相對(duì)發(fā)出的聲信號(hào)會(huì)出現(xiàn)多普勒效應(yīng)，引起信號(hào)失真，從而導(dǎo)致解算出的船速值不夠精確。為了解決這個(gè)問(wèn)題，張翱[2]等人提出了一種時(shí)域插值重采樣（TIR）方法，然而這種方法需要預(yù)先測(cè)量出相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)模型。蔡博[3]等人建立了基于反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（BPNN）的柴油機(jī)故障診斷模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械的故障診斷，但迄今為止很少有人應(yīng)用在多普勒計(jì)程儀的測(cè)速診斷中。

電磁測(cè)速通道的核心部件是電磁傳感器和船速發(fā)送電機(jī)。電磁傳感器測(cè)量得到船舶的實(shí)時(shí)船速值，再由船速發(fā)送電機(jī)將航速相關(guān)值發(fā)送至用戶(hù)。船速發(fā)送電機(jī)存在兩大難題：第一，目前難以實(shí)現(xiàn)對(duì)船速發(fā)送電機(jī)的健康監(jiān)測(cè)。第二，故障樣本數(shù)據(jù)不充足且各故障類(lèi)別數(shù)據(jù)不平衡?；诖耍踩蚰Ｐ停⊿RM）逐漸應(yīng)用在相關(guān)場(chǎng)景中，其關(guān)鍵是通過(guò)Tax等人[4]提出的支持向量數(shù)據(jù)描述（SVDD）算法，尋找數(shù)據(jù)集的球面邊界，通過(guò)邊界將所有健康數(shù)據(jù)包裹起來(lái)，從而構(gòu)建SRM模型。

綜上所述，本文針對(duì)多普勒計(jì)程儀兩個(gè)測(cè)速通道現(xiàn)存難題分別建立不同的學(xué)習(xí)模型。聲學(xué)測(cè)速通道主要是規(guī)避了多普勒效應(yīng)對(duì)船速測(cè)算的影響，利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)直接構(gòu)建聲信號(hào)和船速之間的函數(shù)關(guān)系。電磁測(cè)速通道使用SVDD算法，僅利用健康數(shù)據(jù)建立船速發(fā)送電機(jī)安全域模型，有效監(jiān)測(cè)對(duì)外發(fā)送狀態(tài)是否正常。

二、多普勒效應(yīng)對(duì)多普勒計(jì)程儀測(cè)速的影響

聲學(xué)測(cè)速多普勒效應(yīng)的基本示意圖如圖1所示，包括一個(gè)換能器采集系統(tǒng)和一個(gè)海底反射聲源。

由于船舶與海底反射點(diǎn)之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，采集到的聲信號(hào)會(huì)產(chǎn)生多普勒效應(yīng)，使得聲學(xué)測(cè)速通道船速解算存在一定誤差。其影響具體如式（1）所示。

其中，r 表示換能器在發(fā)射聲信號(hào)前，海底聲信號(hào)反射點(diǎn)與船舶換能器之間的水平距離，r表示船舶在行進(jìn)過(guò)程中，海底聲信號(hào)反射點(diǎn)距離船舶換能器的垂直距離。

式中f0是由換能器設(shè)置的，而c表示聲波在海水中的傳播速度，這在多普勒計(jì)程儀中是預(yù)先設(shè)定完成的，一般忽略海水的溫度、鹽度、密度等對(duì)其傳播速度的影響，將其設(shè)置為一個(gè)常數(shù)1500m/s。因此，可以將原先存在的{r， X0， VS， c， f0}5個(gè)影響變量化簡(jiǎn)為以下3個(gè)影響參數(shù)：

為了直觀展示多普勒效應(yīng)對(duì)聲源信號(hào)的影響，使用仿真數(shù)據(jù)來(lái)研究多普勒效應(yīng)對(duì)聲信號(hào)的影響，將參數(shù)設(shè)置如下：X0=5m，r=50m，c=1500m/s。船舶行駛速度VS按照間隔設(shè)置3個(gè)不同的值，聲源信號(hào)采用4種不同的發(fā)出頻率。其短時(shí)傅里葉變換得到的模擬信號(hào)時(shí)頻分布圖如圖2所示，可以看出，盡管聲源初始頻率不同，但隨著船舶行進(jìn)速度的改變，產(chǎn)生的多普勒效應(yīng)給信號(hào)時(shí)頻域帶來(lái)了獨(dú)特的失真，并且隨著船速的增加，其聲源頻率失真程度也在增加。

三、多普勒計(jì)程儀雙通道測(cè)速模型的建立

針對(duì)多普勒計(jì)程儀聲學(xué)測(cè)速和電磁測(cè)速兩個(gè)通道現(xiàn)存問(wèn)題分別建立學(xué)習(xí)模型，下面針對(duì)雙通道模型分別詳細(xì)介紹。

（一）聲學(xué)測(cè)速通道

在聲學(xué)測(cè)速通道中，利用聲信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特征和衛(wèi)導(dǎo)所測(cè)對(duì)應(yīng)船速建立函數(shù)關(guān)系，在模型建立以后，在不使用衛(wèi)導(dǎo)的前提下，可以根據(jù)聲信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特性識(shí)別對(duì)應(yīng)的船速信息，規(guī)避了多普勒效應(yīng)對(duì)聲學(xué)測(cè)速的影響。本研究共有8個(gè)統(tǒng)計(jì)特征見(jiàn)表1。F1-F8分別表示波形因數(shù) （WF）、方差 （μ）、余量因數(shù) （MF）、峰度 （K）、脈沖因數(shù) （IF）、波峰因數(shù) （CF）、頻率集中度 （FC）、頻率標(biāo)準(zhǔn)偏差 （FSD） 。si 代表第 i 條譜線(xiàn)的幅度，fi是第 i 條譜線(xiàn)所對(duì)應(yīng)的頻率值。

本文采用具有兩個(gè)隱藏層結(jié)構(gòu)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)進(jìn)行模型訓(xùn)練，輸入層x1-xi表示前述統(tǒng)計(jì)特征，輸出層y1-yn表示對(duì)應(yīng)的船速值。根據(jù)數(shù)據(jù)量設(shè)置訓(xùn)練次數(shù)，通過(guò)多次迭代訓(xùn)練，直接構(gòu)建輸入層統(tǒng)計(jì)參數(shù)和輸出層船速值之間的函數(shù)關(guān)系。訓(xùn)練完模型以后，在沒(méi)有衛(wèi)導(dǎo)等外界手段獲知船速的情況下，通過(guò)聲學(xué)測(cè)速通道采集聲信號(hào)后，訓(xùn)練模型直接根據(jù)信號(hào)統(tǒng)計(jì)特征診斷出對(duì)應(yīng)的船速信息。

（二）電磁測(cè)速通道

在電磁測(cè)速通道中，核心部件是電磁傳感器和船速發(fā)送電機(jī)。電磁傳感器測(cè)量結(jié)果需通過(guò)船速發(fā)送電機(jī)對(duì)外發(fā)送船速信息，船速發(fā)送電機(jī)工作環(huán)境惡劣且需長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)，存在故障風(fēng)險(xiǎn)。由于船速發(fā)送電機(jī)故障樣本少且不均衡，健康數(shù)據(jù)占大多數(shù)，因此，本文僅利用健康數(shù)據(jù)樣本，通過(guò)SVDD為船速發(fā)送電機(jī)建立安全域模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)船速發(fā)送電機(jī)的持續(xù)健康監(jiān)測(cè)。

作為一種有監(jiān)督的機(jī)器學(xué)習(xí)方法，在采集船速發(fā)送電機(jī)健康樣本的情況下，SVDD可以利用這些參數(shù)建立安全域模型（SRM）。SRM是一個(gè)二分類(lèi)模型，它的基本思想如圖3所示。

首先，要分析的樣本以一組“特征向量”為特征。其次，健康樣本的特征向量被一個(gè)“邊界”限制在一個(gè)“安全區(qū)域”中。該邊界約束了屬于具有最小空間的健康狀況的特征向量。若待識(shí)別樣本的特征向量在這個(gè)空間內(nèi)時(shí)，認(rèn)為該樣本是安全的、健康的，反之則認(rèn)為是不安全、存在故障隱患的。

在船速發(fā)送電機(jī)運(yùn)行的早期，構(gòu)建由這些健康樣本組成的安全區(qū)，并使用式（3）所示決策函數(shù)來(lái)判斷樣本是否屬于安全區(qū)。

F=（F1， F2，…， Fn）∈Rn 是樣本的特征向量，n是特征個(gè)數(shù)，Bound（x）是邊界函數(shù)。可以利用SVDD找到一個(gè)以a為圓心，T 為半徑的最小體積超球面，為了找到健康樣本數(shù)據(jù)所在的安全邊界，其邊界區(qū)域應(yīng)滿(mǎn)足式（4）所示關(guān)系：

對(duì)式（4）求解可以得到式（5）：

根據(jù)沃夫?qū)ε级ɡ?，可以得到式?）：

通過(guò)求解上式，可以得到球半徑R和a的關(guān)系為：

如果船速發(fā)送電機(jī)樣本到a的距離小于R，則認(rèn)為處于健康運(yùn)行狀態(tài)，反之，認(rèn)為有故障的可能性。

四、模型驗(yàn)證

本文針對(duì)多普勒計(jì)程儀雙測(cè)速通道分別建立學(xué)習(xí)模型，下面就建立模型進(jìn)行驗(yàn)證。

（一）聲學(xué)測(cè)速通道

在聲學(xué)測(cè)速通道中建立了輸入聲信號(hào)統(tǒng)計(jì)特征和輸出船速之間的學(xué)習(xí)模型。數(shù)據(jù)集包含8種不同頻率的聲信號(hào)源、20種不同船速總共800個(gè)信號(hào)樣本，每種頻率聲信號(hào)源在同一船速下制作5個(gè)信號(hào)樣本，這樣每種頻率聲信號(hào)源具有不同船速下的樣本100個(gè)。每個(gè)樣本包含表1中8個(gè)統(tǒng)計(jì)特征和船速標(biāo)簽，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)雙隱藏層的神經(jīng)元個(gè)數(shù)設(shè)置為100，學(xué)習(xí)率是0.1。4次訓(xùn)練情況下測(cè)試集的識(shí)別準(zhǔn)確率分別為100%、98%、100%、100%。

由測(cè)試結(jié)果可知，利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的輸入聲信號(hào)統(tǒng)計(jì)特征和輸出船舶速度之間的函數(shù)關(guān)系，有效規(guī)避了多普勒頻移帶來(lái)的船速解算誤差問(wèn)題，具有精準(zhǔn)的診斷識(shí)別率。

（二）電磁測(cè)速通道

在電磁測(cè)速通道中主要對(duì)船速發(fā)送電機(jī)建立安全域模型。數(shù)據(jù)集包括200個(gè)健康狀態(tài)下船速發(fā)送電機(jī)樣本和100個(gè)故障狀態(tài)下樣本，每個(gè)樣本包含表1中8個(gè)統(tǒng)計(jì)特征和相應(yīng)標(biāo)簽，標(biāo)簽“0”表示處于健康狀態(tài)，標(biāo)簽“1”表示處于非健康狀態(tài)。160個(gè)健康樣本用于訓(xùn)練SRM模型，剩下40個(gè)健康樣本和100個(gè)故障樣本用于測(cè)試模型的準(zhǔn)確率，最終達(dá)到了96.8623%的診斷識(shí)別率，SRM模型可視化如圖4所示。

由圖4可知，利用SVDD對(duì)船速發(fā)送電機(jī)構(gòu)建的SRM模型具有較高的診斷識(shí)別率，訓(xùn)練出的模型可以在缺乏故障樣本的情況下，直接對(duì)船速發(fā)送電機(jī)的輸入信號(hào)特征進(jìn)行監(jiān)測(cè)，判斷船速發(fā)送電機(jī)是否處于健康運(yùn)行狀態(tài)。

五、結(jié)論

多普勒計(jì)程儀由聲學(xué)測(cè)速和電磁測(cè)速兩個(gè)通道組成，針對(duì)兩個(gè)測(cè)速通道存在的難題，本文利用深度學(xué)習(xí)分別建立了相應(yīng)的學(xué)習(xí)模型。在聲學(xué)測(cè)速通道，利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立輸入聲信號(hào)和輸出船速的函數(shù)關(guān)系。在電磁測(cè)速通道，僅利用健康數(shù)據(jù)樣本，通過(guò)SVDD為船速發(fā)送電機(jī)建立了SRM模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)船速發(fā)送電機(jī)健康運(yùn)行的有效監(jiān)測(cè)，具有良好的實(shí)際工程應(yīng)用前景。

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作者單位：海軍士官學(xué)校

■ 責(zé)任編輯：王穎振、楊惠娟