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基于EMD和短時(shí)拷貝相關(guān)分析方法的物體濺落聲檢測(cè)研究

2012-01-10 01:40邵建軍
海洋技術(shù)學(xué)報(bào) 2012年2期
關(guān)鍵詞:背景噪聲拷貝水聲

孫 昕,邵建軍,薛 飛

(中國人民解放軍91439部隊(duì)96分隊(duì),遼寧 大連 116041)

基于EMD和短時(shí)拷貝相關(guān)分析方法的物體濺落聲檢測(cè)研究

孫 昕,邵建軍,薛 飛

(中國人民解放軍91439部隊(duì)96分隊(duì),遼寧 大連 116041)

采用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(Empirical Mode Decomposition,簡(jiǎn)稱EMD)和短時(shí)拷貝相關(guān)分析的方法,將經(jīng)過EMD處理得到的濺落聲信號(hào)作為拷貝信號(hào),利用拷貝信號(hào)與海上實(shí)測(cè)信號(hào)的波形相關(guān)性實(shí)現(xiàn)濺落聲檢測(cè)研究。通過對(duì)海試實(shí)測(cè)的輻射噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,表明利用EMD和短時(shí)相關(guān)分析方法可以在較低信噪比下檢測(cè)出濺落聲信號(hào)的存在,從而提高了信號(hào)檢測(cè)的準(zhǔn)確性。

經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解;短時(shí)相關(guān)分析;濺落聲

由于條件所限,無法在被測(cè)目標(biāo)上加裝合作信標(biāo),因此水中兵器海上試驗(yàn)的落點(diǎn)測(cè)量無法采用精度較高的主動(dòng)測(cè)量方法,只能依靠被動(dòng)測(cè)量方法實(shí)現(xiàn)落點(diǎn)的定位測(cè)量。傳統(tǒng)的被動(dòng)定位方法一般是依靠目標(biāo)自身的特征信息(如目標(biāo)的輻射噪聲、物體入水信號(hào)等)實(shí)現(xiàn)定位測(cè)量,因此實(shí)現(xiàn)對(duì)入水信號(hào)的穩(wěn)健檢測(cè)就成為落點(diǎn)定位測(cè)量關(guān)鍵之一。一般稱物體發(fā)射入水過程中產(chǎn)生的突發(fā)瞬態(tài)信號(hào)為濺落聲[1](包括物體擊水聲、氣泡脈動(dòng)聲及物體結(jié)構(gòu)振動(dòng)產(chǎn)生的輻射噪聲)。研究表明[2],濺落聲的強(qiáng)度與物體的入水角度、速度、外形等都有一定關(guān)系,特別是在淺海使用環(huán)境下,由于受到淺海較強(qiáng)背景噪聲的影響,濺落聲的信噪比較低,因此,利用傳統(tǒng)的信號(hào)處理技術(shù)對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)具有較大的難度。

EMD是一種基于信號(hào)的局部特征時(shí)間尺度把多分量信號(hào)分解為若干個(gè)具有某種物理意義單分量信號(hào)的數(shù)據(jù)處理方法[3]。各階單分量信號(hào)(固有模態(tài)函數(shù),Intrinsic Mode Function簡(jiǎn)稱IMF)突出了數(shù)據(jù)的局部特征,通過對(duì)其分析,可以準(zhǔn)確地把握原始信號(hào)的特征信息,具有非常好的局部適應(yīng)性,適用于非線性、非穩(wěn)態(tài)過程信號(hào)分析。在信號(hào)處理、特征提取等方面具有廣闊的應(yīng)用前景[4-8]。

拷貝相關(guān)檢測(cè)通常用于主動(dòng)信號(hào)處理,將發(fā)射信號(hào)的拷貝波形和接收信號(hào)作互相關(guān)運(yùn)算,實(shí)質(zhì)上利用信號(hào)波形的相似度來實(shí)現(xiàn)低信噪比條件下的信號(hào)快速檢測(cè)??截愊嚓P(guān)檢測(cè)需要對(duì)信號(hào)有足夠的先驗(yàn)知識(shí)。魚雷等水中兵器在作戰(zhàn)使用中,為了減少入水拍擊對(duì)雷體的損害,雷體在一定范圍內(nèi)以某種角度和速度入水時(shí)產(chǎn)生的濺落信號(hào)波形結(jié)構(gòu)就會(huì)比較固定。如果能夠有良好的拷貝信號(hào),利用短時(shí)相關(guān)法可以在較低的信噪比條件下檢測(cè)到入水聲。此檢測(cè)方法不需要已知背景噪聲的分布形態(tài),只需要背景噪聲的相關(guān)程度較低即可具備檢測(cè)條件。采用EMD和短時(shí)拷貝相關(guān)分析方法進(jìn)行濺落聲檢測(cè)研究很少見到報(bào)道。本文將經(jīng)過EMD預(yù)處理得到足夠樣本的濺落聲信號(hào)作為拷貝信號(hào),利用短時(shí)拷貝相關(guān)分析方法進(jìn)行了檢測(cè)高速物體入水的濺落聲信號(hào)研究。

1 入水濺落聲特征分析

物體自空中入水是一類特殊的流體動(dòng)力問題,相關(guān)研究表明[2]入水通??煞譃?個(gè)階段:

(1)初始擊水階段,從物體撞擊水面起到物體尾部空腔開始形成時(shí)為止。此階段由于水的突然作用,物體承受很大的沖擊力和阻尼,物體具有很大的負(fù)加速度,但物體速度仍接近入水速度。

(2)空腔形成階段,隨著物體在水中的運(yùn)動(dòng),其尾部拖著一個(gè)延伸到水面的空腔,然后在水面附近封閉,在封閉的同時(shí)往往伴隨著水柱或水花的升起。

(3)氣泡脈動(dòng)階段,空腔封閉后形成的氣泡在環(huán)境壓力作用下多次脈動(dòng),在該階段物體速度已降至最低,且在某一時(shí)刻與氣泡脫離。

魚雷入水屬于高速物體入水問題,而且魚雷是一個(gè)頭部為流線型的細(xì)長(zhǎng)柱體,其入水角度與其質(zhì)心運(yùn)動(dòng)速度有一定夾角。因此,其入水過程較前面所描述的更為復(fù)雜[9]。與入水過程相聯(lián)系,不難理解魚雷入水過程中所產(chǎn)生的濺落聲主要包括擊水聲和氣泡脈動(dòng)聲這兩種主要的聲源。除此之外,魚雷入水還可能產(chǎn)生雷體的振動(dòng)輻射、高溫水汽化效應(yīng)及濺起的水花落下時(shí)所產(chǎn)生的二次擊水聲。但是它們所包含的能量較低,產(chǎn)生的信號(hào)弱,對(duì)總噪聲的貢獻(xiàn)不大,通??梢院雎圆挥?jì)。因此,魚雷入水所產(chǎn)生的濺落聲在接收信號(hào)波形上表現(xiàn)為擊水聲、“寂靜”區(qū)間和衰減震蕩信號(hào)3部分。

“寂靜”區(qū)間的長(zhǎng)度只能一定程度上反映入水物體的尺度特征,沒有更多有價(jià)值的信息。所以,研究?jī)?nèi)容著重分析擊水聲脈沖的聲輻射特性。設(shè)流線型物體以速度v與水面成θ角入水,聲壓接收點(diǎn)相對(duì)入水點(diǎn)的矢徑為r,其幾何關(guān)系如圖1所示。

圖1 物體入水的幾何關(guān)系

由于擊水聲脈沖由雷頭撞擊水面產(chǎn)生,所以其輻射聲源緊貼水面,具有偶極子型聲源的特點(diǎn)。根據(jù)運(yùn)動(dòng)偶極子聲源理論,在文獻(xiàn)[2]中描述了聲壓幅度為:

式中:ρ0為物體密度;D為物體尺度;K(θ)為依賴入水角θ的某一系數(shù)。其聲壓自譜為:

式中:g(St)為無因次頻譜函數(shù)。由(1)式、(2)式可見,當(dāng)v<<C時(shí),聲壓的幅度和入水速度的3次冪成比例,其能量與入水速度5/2次冪及物體尺度的3/2次冪成正比。水中兵器發(fā)射入水時(shí)速度較高,其能量將集中在相對(duì)較高頻帶。

2 經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解和短時(shí)拷貝相關(guān)檢測(cè)

2.1 經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解方法

EMD方法作為希爾伯特—黃變換(簡(jiǎn)稱:HHT)的核心,其實(shí)質(zhì)是利用信號(hào)在時(shí)間序列上下包絡(luò)的平均值確定瞬時(shí)平衡位置,進(jìn)而把非平穩(wěn)信號(hào)分解為一組有限個(gè)IMF和一個(gè)余項(xiàng)之和的形式。盡管EMD方法的正交性無法證明,但在文獻(xiàn)[4]中,Huang等在數(shù)值上對(duì)EMD方法進(jìn)行了正確性檢驗(yàn)。IMF必須滿足以下兩個(gè)特征:(1)極值點(diǎn)(極大值或極小值)與過零點(diǎn)數(shù)目相等或最多差一個(gè);(2)由局部極大值和極小值所擬合的上、下包絡(luò)曲線的均值曲線處處為零,即關(guān)于時(shí)間軸局部對(duì)稱。IMF的上述兩個(gè)特征,也是EMD分解的最終收斂準(zhǔn)則。原始信號(hào)s(t)經(jīng)過EMD分解后,可以表示為:

式中:ci(t)稱為固有模態(tài)函數(shù);rn(t)稱為殘余函數(shù),代表信號(hào)的平均趨勢(shì)。

2.2 短時(shí)拷貝相關(guān)檢測(cè)

相關(guān)分析技術(shù)是應(yīng)用噪聲隨機(jī)性的特點(diǎn),通過自相關(guān)或互相關(guān)運(yùn)算去除噪聲,從而有效實(shí)現(xiàn)信號(hào)檢測(cè)的一種技術(shù)[10-12]。為了檢測(cè)信號(hào)的瞬變特點(diǎn),將輸入信號(hào)分成和拷貝信號(hào)長(zhǎng)度一樣的段來和拷貝信號(hào)進(jìn)行相關(guān)計(jì)算,所以稱此相關(guān)檢測(cè)為短時(shí)拷貝相關(guān)檢測(cè)。

一般情況下,定義N點(diǎn)的短時(shí)相關(guān)函數(shù)[13]:

在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)和信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展下,短時(shí)拷貝相關(guān)檢測(cè)可以利用DSP技術(shù)實(shí)現(xiàn),寄存器存儲(chǔ)和濺落聲信號(hào)拷貝Simf(t)相同長(zhǎng)度的采樣點(diǎn)。每次采樣后,只要將移位寄存器中的數(shù)據(jù)和存儲(chǔ)拷貝信號(hào)波形數(shù)據(jù)作內(nèi)積,就可以輸出當(dāng)前時(shí)刻的相關(guān)值,實(shí)現(xiàn)寄存器中的數(shù)據(jù)更新。如果將背景噪聲認(rèn)為均值μ,方差σ2的高斯噪聲,其密度函數(shù)為:

濺落信號(hào)達(dá)到之前,接收到的都是背景噪聲,此時(shí)檢測(cè)器輸出的期望值為:

信號(hào)的波形認(rèn)為確知,而且與噪聲統(tǒng)計(jì)獨(dú)立,所以(6)式可以寫成:

信號(hào)Simf(t)中的氣泡脈動(dòng)震蕩波形是對(duì)稱的,其均值為0,而且擊水聲脈沖的持續(xù)時(shí)間很短,對(duì)相關(guān)輸出的貢獻(xiàn)不大,所以當(dāng)μ=0時(shí),檢測(cè)其輸出的期望值為0。在信號(hào)完全達(dá)到并且和拷貝信號(hào)達(dá)到匹配時(shí),檢測(cè)器輸出的相關(guān)峰值即為信號(hào)的能量E0。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

為了驗(yàn)證EMD和短時(shí)拷貝相關(guān)檢測(cè)在低信噪比情況下對(duì)濺落聲檢測(cè)的有效性,試驗(yàn)選取某次海試中所測(cè)輻射噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。原始信號(hào)聲壓波形(采樣率約為41 kHz)如圖2所示。

根據(jù)海上試驗(yàn)紀(jì)錄,物體濺落聲約2.6 s出現(xiàn),此前均為背景噪聲。從圖3對(duì)擊水聲出現(xiàn)前后各20 ms的噪聲數(shù)據(jù)分析獲得的時(shí)頻圖可見,濺落聲及其后出現(xiàn)的輻射噪聲均淹沒在較強(qiáng)的背景噪聲中,對(duì)其進(jìn)行瞬態(tài)信號(hào)檢測(cè)較為困難。

圖2 信號(hào)時(shí)域波形

圖3 局部信號(hào)時(shí)域波形和時(shí)頻圖

為便于問題分析,試驗(yàn)截取包含濺落聲的0.8 s的輻射噪聲數(shù)據(jù)加以分析。從本文的前部分可知,高速物體入水速度較高,其能量將集中在相對(duì)較高頻帶(一般為幾kHz以上),首先對(duì)信號(hào)進(jìn)行5 kHz的高通濾波的預(yù)處理。將濾波后的數(shù)據(jù)經(jīng)EMD分解結(jié)果如圖4所示,其中IMF0為原始數(shù)據(jù),IMF1~I(xiàn)MF13為分解的各階模態(tài)分量。由于EMD分解會(huì)產(chǎn)生一些不屬于原始信號(hào)的IMF成分,例如:EMD過分解現(xiàn)象會(huì)產(chǎn)生“偽成分”,為了消除這種現(xiàn)象,可以利用原始信號(hào)與IMF進(jìn)行相關(guān)分析,選取適當(dāng)?shù)南嚓P(guān)系數(shù),將低于此系數(shù)的IMF分量去除,從而實(shí)現(xiàn)“偽成分”剔除。表1為經(jīng)過相關(guān)處理后的IMF與信號(hào)的互相關(guān)系數(shù),可見,在1~4階的IMF分量中可以明顯檢測(cè)到濺落聲信號(hào),對(duì)前四階累加信號(hào)Simf(t)進(jìn)行時(shí)頻分析,其中:

其結(jié)果如圖5所示,濺落聲(包含擊水聲、氣泡脈動(dòng)聲)的持續(xù)時(shí)間大約在幾十毫秒以內(nèi),其中擊水聲信號(hào)的持續(xù)時(shí)間一般在2~3 ms以內(nèi),濺落聲能量峰值滯后于擊水聲時(shí)刻,可以認(rèn)為濺落聲的能量來源主要來源于氣泡振蕩向外輻射的能量。

為了檢驗(yàn)短時(shí)拷貝相關(guān)檢測(cè)的效果,選取經(jīng)EMD分解后的“良好”濺落信號(hào)作為拷貝樣本Simf(t),將拷貝樣本信號(hào)Simf(t)與待檢測(cè)信號(hào)(如圖6所示)進(jìn)行短時(shí)相關(guān)檢測(cè),檢測(cè)結(jié)果如圖7所示,可見利用短時(shí)相關(guān)可以在較低信噪比下檢測(cè)出濺落聲信號(hào)的存在。

表1 IMF與信號(hào)的互相關(guān)系數(shù)表

圖4 信號(hào)EMD分解

4 結(jié)論

將EMD和短時(shí)拷貝相關(guān)檢測(cè)相結(jié)合的方法可以有效實(shí)現(xiàn)對(duì)具有典型局部特征的瞬態(tài)信號(hào)檢測(cè)。采用短時(shí)拷貝相關(guān)檢測(cè)方法要求拷貝信號(hào)準(zhǔn)確性的條件,可通過對(duì)大量的實(shí)測(cè)信號(hào)分析從而總結(jié)濺落信號(hào)的典型波形結(jié)構(gòu)作為拷貝信號(hào)實(shí)現(xiàn)。在理論上,濺落聲信號(hào)與接收基陣和物體入水點(diǎn)的空間相對(duì)位置等因素有關(guān);在實(shí)際測(cè)量中,由于測(cè)量點(diǎn)一般均滿足遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量條件,濺落聲脈沖波形結(jié)構(gòu)就會(huì)相對(duì)固定。因此,在實(shí)際工程應(yīng)用中,可以利用EMD方法對(duì)大量實(shí)測(cè)信號(hào)的提取和分析,從而確立良好的濺落聲拷貝信號(hào)結(jié)構(gòu)并預(yù)先存儲(chǔ)在檢測(cè)系統(tǒng),將拷貝信號(hào)與測(cè)量信號(hào)進(jìn)行短時(shí)拷貝相關(guān),即可在較低的信噪比的條件下實(shí)現(xiàn)對(duì)濺落聲的快速檢測(cè)。這種檢測(cè)方法免除了已知背景噪聲的分布形態(tài)條件,只要背景噪聲的相關(guān)程度較低即可實(shí)現(xiàn)。

圖5 擊水信號(hào)及時(shí)頻圖

圖6 信號(hào)與拷貝信號(hào)波形

圖7 短時(shí)拷貝相關(guān)檢測(cè)結(jié)果

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Research on the Detection of Splashing Signal of Object Based on EMD and Short-time Correlation Analysis Method

SUN Xin,SHAO Jian-jun,XUE Fei
(Unit 96,Navy Forces 91439,PLA,Dalian Liaoning 116041,China)

EMD and short-time correlation analysis were used to detect the splashing signal of object,which was preprocessed by EMD and then duplicated to be analyzed the waveform correlation with sea trial signal.The method was tested using the radiation noise on the sea trial.The result shows that EMD and short-time correlation analysis could detect the splashing signal in lower SNR.It can improve the accuracy of signal detection.

EMD;short-time correlation analysis;splashing signal

TB566

A

1003-2029(2012)02-0022-05

2011-10-20

孫昕(1972-),男,碩士,工程師,主要從事水聲測(cè)量與靶標(biāo)技術(shù)研究。Email:sunxin_1972@163.com

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