王順杰，劉啟軍，戴衛(wèi)國

(海軍潛艇學(xué)院，山東 青島266044)

0 引 言

瞬態(tài)信號是一種沖擊衰減 (振蕩或非振蕩)信號，其在時間上非常短暫，反映的是系統(tǒng)突變的信息，它可以是確定性信號也可以是非平穩(wěn)的隨機信號。目前，對瞬態(tài)信號的檢測方法眾多，小波分析在瞬態(tài)信號檢測中已得到廣泛應(yīng)用［1－2］。Nuttall 提出了一種魯棒性較好的非參數(shù)瞬態(tài)信號檢測器——基于DFT 的Power-Law 檢測器，特別適用于檢測未知物理過程產(chǎn)生的瞬態(tài)信號［3］。Stefannia研究了基于高階矩瞬態(tài)信號的檢測性能［4］。韓建輝研究了基于小波變換的Power-Law 水聲瞬態(tài)信號檢測［5］。

遠程水下高速目標(biāo)從出管或空投入水到轉(zhuǎn)入正常的高速航行，會發(fā)出極為復(fù)雜的噪聲，這一突發(fā)的瞬態(tài)過程能量集中，低頻特征明顯，噪聲強度遠高于發(fā)射船舶的輻射噪聲，因此在遠距離情況下，聲吶系統(tǒng)無法有效探測船舶噪聲時。利用瞬態(tài)信號對來襲高速目標(biāo)進行檢測、報警，保證自身安全性具有重要意義。

另外，海洋中還會存在其他瞬態(tài)信號，例如鯨魚的鳴叫聲，其也具有能量集中，強度遠高于海洋環(huán)境噪聲等特點。此時利用前述各種瞬態(tài)信號檢測方法雖然可以成功地檢測出瞬態(tài)信號，但對于特定目標(biāo)類型的檢測、報警問題，海洋中其他瞬態(tài)信號的存在會造成虛警等問題。本文針對水下高速目標(biāo)出管瞬態(tài)信號的檢測問題，檢測前根據(jù)目標(biāo)噪聲特征判斷是否對目標(biāo)進行檢測，降低檢測的虛警率。

1 基于低頻特征的瞬態(tài)信號檢測方法

1.1 Power-Law 檢測方法

Nuttal 認(rèn)為，高斯背景條件下瞬態(tài)信號的檢測問題是在N 點DFT 數(shù)據(jù)中任意M 點信號的檢測問題。這里M 指的是瞬態(tài)信號所占譜成分。由于信號強度未知，因此對這類似于檢測未知譜形狀的信號，Nuttal 提出了以下非參量Power-Law 檢測方法:

將時域信號每間隔N 個點分成一小段，對每段數(shù)據(jù)利用下式進行檢測:

式中，Xk為時間序列信號x(t)的DFT 結(jié)果中第k 個點幅度的平方，即

其中:T 為整個積分時間;m 為非負(fù)實數(shù)。經(jīng)實驗，Nuttal 提出m=2.5 時檢測性能最佳。可以看到，此檢測統(tǒng)計量僅是周期圖譜值m 次方的和，不需要任何與信號相關(guān)的先驗知識，因此對信號及噪聲的先驗知識要求很少。

另外，上述Power-Law 檢測方法需要對數(shù)據(jù)進行預(yù)白化處理。為了避免對數(shù)據(jù)進行預(yù)白化，Nuttal提出不需要預(yù)白化的恒虛警檢測表達式:

Power-Law 檢測器是非參量檢測器，并且不需要信號的先驗知識，因而非常吸引人。然而Power-Law 檢測器假定噪聲n(t)是白噪聲，而在實際應(yīng)用中如果噪聲是有色噪聲，則Power-Law 檢測器的性能將下降很快。

1.2 基于低頻特征的瞬態(tài)信號檢測流程

通常將對水下高速目標(biāo)的報警分為“預(yù)報警”和“報警”2 個階段，圖1 為對水下高速目標(biāo)進行報警的系統(tǒng)流程圖［6］，從圖中可以看出，對出管瞬態(tài)信號的檢測是預(yù)報警的一個重要組成部分。

圖1 目標(biāo)報警系統(tǒng)流程圖Fig.1 Flow chart of target alert system

水下高速目標(biāo)出管時能量主要集中在幾百赫茲以下的低頻段［7］，為了避免對不必要的信號進行檢測，盡可能排除非水下高速目標(biāo)出管瞬態(tài)噪聲的干擾。本文提出如圖2所示的瞬態(tài)信號檢測方法，其具體檢測流程如下:

1)對噪聲信號進行時頻分析，得到其時頻圖;

2)若中高頻部分能量變化明顯，則直接判斷為非水下高速目標(biāo);

3)若中高頻部分無明顯能量變化，對信號進行低通濾波的降噪處理;

4)對濾波后的信號利用式(3)進行Power-Law檢測，并給出檢測結(jié)果。

根據(jù)該檢測流程，不但可直接排除中高頻特征明顯的水聲瞬態(tài)信號，而且通過濾波進行降噪處理，提高檢測能力。

圖2 信號檢測方法流程圖Fig.2 Flow chart of signal detection method

2 實測瞬態(tài)信號檢測

圖3 和圖4 分別為鯨魚的鳴叫聲和某水下高速目標(biāo)出管時的噪聲。從圖中可以看出，均具有波包前沿陡峭、能量集中等瞬態(tài)信號所具有的時域特點。圖5 和圖6 分別是經(jīng)信號處理后的鯨魚的鳴叫聲和某水下高速目標(biāo)出管時的功率譜歷程圖。從圖中可以明顯看出2 個信號的能量分布情況，鯨魚的鳴叫聲主要在中高頻段，而某水下高速目標(biāo)出管時的能量主要集中在低頻段，二者具有一定的差異性。

本文期望檢測的瞬態(tài)信號是高速目標(biāo)出管時的瞬態(tài)信息，因此利用圖2所示信號檢測方法，可直接判斷圖5所示的信號為非高速目標(biāo)噪聲，無需進入瞬態(tài)信號檢測流程，避免了虛警的出現(xiàn)。圖7 為對圖4所示某高速目標(biāo)出管噪聲進行處理后的檢測結(jié)果，圖中①表示不經(jīng)過低通濾波直接利用Power-Law 進行檢測的結(jié)果，②表示經(jīng)低通濾波后利用Power-Law 進行檢測的結(jié)果。從圖中可以看出，低通濾波后可以濾除不必要的噪聲成分，進而提高檢測性能。

圖3 鯨魚鳴叫噪聲Fig.3 Cetacean tweet noise

圖4 高速目標(biāo)出管噪聲Fig.4 High speed target exceed tube noise

圖5 鯨魚鳴叫噪聲功率譜歷程圖Fig.5 Power-spectrum course figure of cetacean tweet noise

圖6 高速目標(biāo)出管噪聲功率譜歷程圖Fig.6 Power-spectrum course figure of high speed target exceed tube noise

圖7 高速目標(biāo)出管噪聲檢測Fig.7 Detection of high speed target exceed tube noise

3 結(jié) 語

在對水下高速目標(biāo)檢測、報警過程中，做到遠程報警至關(guān)重要。檢測其出管瞬態(tài)信號是對目標(biāo)進行預(yù)報警的關(guān)鍵，但海洋中存在多種瞬態(tài)信號，本文根據(jù)水下高速目標(biāo)出管噪聲的頻域特性，拒絕對不具有低頻特征的瞬態(tài)信號進行檢測，直接判斷其為非高速目標(biāo)，從一定程度上避免了虛預(yù)警的出現(xiàn)。

需要指出的是，在實際海洋環(huán)境中，不僅僅水下高速目標(biāo)出管瞬態(tài)噪聲具有低頻特征，其他瞬態(tài)信號也可能具有低頻特征，如海洋生物的嗚叫聲。因此本文的方法對處理具有高頻特征或同時具有低頻和高頻特征的瞬態(tài)信號是有效的，對于其他只具有低頻特征的瞬態(tài)信號排除方法需要進一步研究。

［1］孫貴青，楊德森．小波變換在瞬態(tài)信號檢測中的應(yīng)用［J］．哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報，1998，19(1):42－46．

SUN Gui-qing，YANG De-sen．The application of wavelet transform in singularity detection［J］．Journal of Harbin Engineering University，1998，19(1):42－46．

［2］孫鵬，劉平香，徐百靈．瞬態(tài)信號檢測方法的研究［J］．艦船科學(xué)技術(shù)，2005，27(3):72－76．

SUN Peng，LIU Ping-xiang，XU Bai-ling．The research on the detection of transient signal［J］．Ship Science and Technology，2005，27(3):72－76．

［3］NUTTALL A．Near-optimum detection performance of powerlaw processors for random signals of unknown location，structure，extent and arbitrary strengths［R］．NUWC-NPT Tech．Rep．1996．

［4］COLONNESE S，SXARANO G．Transient signal detection using higher order moment［J］．IEEE Transaction on Signal Processing(S1053－587X)，1999，47(2):515－520．

［5］韓建輝，楊日杰，王偉．基于小波變換的Power-Law 水聲瞬態(tài)信號檢測研究［J］．系統(tǒng)仿真學(xué)報，2008，13(7):3514－3516．

HAN Jian-hui，YANG Ri-jie，WANG Wei．Research on power-law underwater acoustic transient signal detection based on wavelet transform［J］．Journal of System Simulation，2008，13(7):3514－3516．

［6］王國偉．魚雷報警與攔截技術(shù)研究［D］．哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)，2003．

WANG Guo-wei．The study of torpedo alert and intercept technology［D］．Harbin:Harbin Engineering University，2003．

［7］李偉，汪洪升，田德海．基于艦艇水下先期防御的來襲魚雷報警系統(tǒng)［J］．魚雷技術(shù)，2011，19(1):72－76．

LI Wei，WANG Hong-sheng，TIAN De-hai．An incoming torpedo warining system based on ship early underwater defense［J］．Torpedo Technology，2011，19(1):72－76．