基于功率譜估計(jì)的目標(biāo)檢測(cè)方法

基于功率譜估計(jì)的目標(biāo)檢測(cè)方法

檢測(cè)目標(biāo)信號(hào)的關(guān)鍵是提取信號(hào)的特征。能否提取目標(biāo)的本質(zhì)特征直接關(guān)系到目標(biāo)信號(hào)識(shí)別的成敗。事實(shí)上，目標(biāo)信號(hào)總是被各種無(wú)序干擾和干擾。目標(biāo)信號(hào)的振幅或功率值小于無(wú)序波或干擾信號(hào)，需要有效的數(shù)據(jù)處理方法。許多科學(xué)家已經(jīng)提出了提取信號(hào)特征的各種方法。例如，使用高階譜法確定兩艘船的目標(biāo)。時(shí)頻分析方法確定了發(fā)動(dòng)機(jī)的氣量。利用波場(chǎng)合平衡法提取了水中目標(biāo)輻射噪聲的線譜和調(diào)幅譜。利用小波分解和分離，提取水下目標(biāo)輻射噪聲的線性譜和調(diào)整譜。小波分解和減速帶識(shí)別方法的目的是識(shí)別的。這里有船旗噪聲噪聲信號(hào)中包絡(luò)譜特征的提取，以及動(dòng)態(tài)神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)分類器來(lái)識(shí)別船旗噪聲。在本文中，我們提出了提取二次船上噪聲和所謂的浮動(dòng)閾值的方法，并對(duì)實(shí)驗(yàn)船模型的水壓站信號(hào)進(jìn)行了檢測(cè)和驗(yàn)證，并在不同情況下研究了目標(biāo)信號(hào)的提取和檢測(cè)方法的影響。1船模水壓場(chǎng)低頻信號(hào)特征的檢測(cè)在高海況下,由于海浪波動(dòng)而引起海底水壓場(chǎng)幅值變化比艦船運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的水壓場(chǎng)幅值變化大幾倍甚至幾十倍,因此,利用水壓場(chǎng)幅值的變化是根本無(wú)法檢測(cè)到目標(biāo)信號(hào)的,再加上艦船水壓場(chǎng)與這些環(huán)境干擾產(chǎn)生的壓力場(chǎng)頻譜相近,給水壓引信檢測(cè)艦船信號(hào)帶來(lái)了困難.文獻(xiàn)利用小波分解提取艦船水壓場(chǎng)低頻信號(hào)特征對(duì)目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè),通過(guò)仿真計(jì)算,驗(yàn)證了該方法的有效性.文中利用功率譜估計(jì)提取實(shí)驗(yàn)船模水壓場(chǎng)低頻信號(hào)特征,并提出浮動(dòng)閾值方法對(duì)目標(biāo)進(jìn)行滑動(dòng)檢測(cè),檢測(cè)按如下步驟進(jìn)行.1功率譜值的計(jì)算設(shè)第i時(shí)刻前記錄的水壓力數(shù)據(jù)信號(hào)為x1,x2,…,xN,則其加窗功率譜估計(jì)為P?k=1π(12γ?0+∑l=1mNγ?lwN(l)coslkπmN)k=0,1,?,mN(1)Ρ^k=1π(12γ^0+∑l=1mΝγ^lwΝ(l)coslkπmΝ)k=0,1,?,mΝ(1)式中:γ?k=1N∑l=1N?kxlxl+kk=0,1,?,N?1(2)wN(k)=K(kmN)k=0,1,2,?(3)γ^k=1Ν∑l=1Ν-kxlxl+kk=0,1,?,Ν-1(2)wΝ(k)=Κ(kmΝ)k=0,1,2,?(3)而K(t)為譜窗的核函數(shù),mN為滯后值.實(shí)際計(jì)算中,在頻率范圍[0,π]上共計(jì)算了65個(gè)點(diǎn)處的功率譜值,記為P?Ρ^1,P?Ρ^2,…,P?65.Ρ^65.2信號(hào)特征計(jì)算根據(jù)背景信號(hào)及目標(biāo)信號(hào)的功率譜分析,將低頻信號(hào)的能量作為信號(hào)特征.實(shí)際計(jì)算中,取特征量為T=∑k=14P?k(4)Τ=∑k=14Ρ^k(4)3特征量閾值閾值從初始時(shí)刻開(kāi)始,按照一定間隔,滑動(dòng)地對(duì)信號(hào)進(jìn)行功率譜估計(jì),并提取特征量.設(shè)第i時(shí)刻特征量值為Ti,假設(shè)特征量序列T1,T2,…,Tn,…是獨(dú)立正態(tài)序列,由于P{Ti≥ETi+3DTi????√}=0.0013(5)Ρ{Τi≥EΤi+3DΤi}=0.0013(5)即正態(tài)隨機(jī)變量超過(guò)其均值與三倍均方差之和的概率為0.0013,因此,取第i時(shí)刻特征量閾值為ui=1d∑j=1dTi?j+3[1d?1∑j=1d(Ti?j?1d∑j=1dTi?j)2]12i=d+1,d+2,?(6)ui=1d∑j=1dΤi-j+3[1d-1∑j=1d(Τi-j-1d∑j=1dΤi-j)2]12i=d+1,d+2,?(6)式中:d為某預(yù)定值.如果Ti>ui,則判定第i時(shí)刻檢測(cè)到目標(biāo).這里的特征量閾值是根據(jù)檢測(cè)前一段時(shí)間內(nèi)信號(hào)特征值來(lái)確定的,因此也稱為浮動(dòng)閾值方法.由于海浪所產(chǎn)生的水壓場(chǎng)在短時(shí)間內(nèi)可視為平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程,海浪水壓場(chǎng)的統(tǒng)計(jì)特性不會(huì)在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生突變,因此“浮動(dòng)閾值”方法能在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)對(duì)不同浪級(jí)海況下起到自動(dòng)調(diào)節(jié)的作用,對(duì)水壓場(chǎng)信號(hào)是適用的.2船沉浮目標(biāo)水處理廠信號(hào)檢測(cè)計(jì)算2.1船模水壓場(chǎng)壓力傳感器實(shí)驗(yàn)是在武漢理工大學(xué)船池進(jìn)行的,船池長(zhǎng)132m,寬10.8m,水深0～2m,可調(diào).水面船模主尺度為:設(shè)計(jì)水線長(zhǎng)2.4m,型寬0.475m,設(shè)計(jì)吃水0.125m,設(shè)計(jì)排水量65.5kg,棱形系數(shù)Cp0.629,水線面系數(shù)0.731.3個(gè)水壓場(chǎng)壓力傳感器分別放置在船模航道的正下方(記為傳感器A)、距離船模航道0.25倍船模水線長(zhǎng)(記為傳感器B)、距離船模航道0.5倍船模水線長(zhǎng)(記為傳感器C)的水底處(下文中,分別記為y=0,y=0.25L,y=0.5L.式中:L為船模水線長(zhǎng)),用于記錄水壓力變化.2.2船模水壓力信號(hào)檢測(cè)設(shè)水面船模航行速度為1.2m/s,水深為0.3倍船模水線長(zhǎng).在無(wú)波浪情況下,傳感器A,B,C記錄的船模水壓力信號(hào)曲線見(jiàn)圖1(量綱一因次化).從圖1可見(jiàn),在無(wú)波浪情況下,船模航道正下方的傳感器A記錄的水壓力信號(hào)最強(qiáng),距離船模航道0.25倍船模水線長(zhǎng)的傳感器B記錄的水壓力信號(hào)稍弱,距離船模航道0.5倍船模水線長(zhǎng)的傳感器C記錄的水壓力信號(hào)最弱.圖2、圖3、圖4中的圖a)分別給出了在有波浪情況下,傳感器A,B,C記錄的水壓力信號(hào)曲線.由圖中可見(jiàn),傳感器B記錄的水壓力信號(hào)與傳感器A記錄的水壓力信號(hào)強(qiáng)弱相當(dāng),而傳感器C記錄的水壓力信號(hào)中,幾乎無(wú)法辨別出船模信號(hào)是否存在.圖2、圖3、圖4中的圖b)分別給出了對(duì)傳感器A,B,C記錄的水壓力信號(hào)進(jìn)行滑動(dòng)檢測(cè)的效果.由圖中可見(jiàn),對(duì)3個(gè)傳感器記錄的水壓力信號(hào)均比較準(zhǔn)確地檢測(cè)到了船模的信號(hào).尤其是在對(duì)傳感器C記錄的水壓力信號(hào)的檢測(cè)中,盡管從幅值上看無(wú)法辨認(rèn)出船模的信號(hào),但用文中檢測(cè)方法,仍能比較準(zhǔn)確地檢測(cè)到了船模的信號(hào)(圖中實(shí)線為滑動(dòng)檢測(cè)信號(hào)的特征量值,虛線為滑動(dòng)檢測(cè)信號(hào)的特征閾值).在船模不同航速、不同水深等情況下,對(duì)船模水壓力信號(hào)進(jìn)行了檢測(cè),結(jié)果顯示文中提出的檢測(cè)方法是比較有效的.3特征提取和目標(biāo)檢測(cè)的有效性檢驗(yàn)1)文中提出的水中目標(biāo)信號(hào)檢測(cè)方法是有效的.用功率譜特征提取方法,對(duì)實(shí)驗(yàn)船模水壓場(chǎng)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)驗(yàn)證,討論各種不同情況下,目標(biāo)信號(hào)的特征提取及目標(biāo)檢測(cè)方法的效果.從效果上看,對(duì)水面船模水壓力信號(hào)的特征提取和目標(biāo)檢測(cè)還是比較有效的.對(duì)航速較慢的水面船模水壓力信號(hào)的特征提取和目標(biāo)檢測(cè),比對(duì)航速較快的水面船模水壓力信號(hào)的特征提取和目標(biāo)檢測(cè)來(lái)得有效.2