基于两级自适应线谱增强器的舰船辐射噪声线谱检测

石敏，徐袭，岳剑平

（1．水声对抗技术重点实验室，广东湛江524022; 2.中国人民解放军91388部队，广东湛江 524022）

0 引言

如何从舰船辐射噪声中提取一种能反映目标本质特征的有效特征，一直是被动声呐水下目标识别中的主要研究问题［1］。最常用的特征提取方法是对舰船辐射噪声信号进行功率谱分析，提取线谱或连续谱特征。特别是其线谱与舰船推进系统、螺旋桨及辅机有关，能有效区分各类不同舰船辐射噪声［2］。因此对舰船辐射噪声的线谱进行检测在水下目标识别中十分有用的。

通常情况下辐射噪声线谱具有频率低和相对强的宽带背景噪声属于弱信号的特点［3］，采用一般的傅立叶变换方法很难检测到强噪声背景下的线谱成分。自适应谱线增强方法具有抑制噪声，增强线谱的功能，适合于强噪声背景下弱信号的检测。但实验发现仅通过一级ALE得到的信号中线谱增强不明显，因此本文提出了基于两级ALE的线谱检测方法，仿真和实验结果表明该方法较一级ALE方法更能实现线谱的有效检测。

1 自适应线谱增强器基本原理

自适应线谱增强器（adaptive line enhancement，ALE）是在存在宽带噪声背景下将正弦信号或窄带信号检测出来的自适应谱估计技术，它无须独立的参考信号，广泛应用于频谱估算、谱线检测及窄带检测等领域［3－7］。图1给出了ALE的原理框图。

图1中，x（n）为输入信号;s（n）为正弦或窄带信号;υ（n）为宽带白噪声。且

式中:L为自适应滤波器阶数;ωi（n）为滤波器在n时刻的第i个权系数值。

图1 ALE的原理框图Fig.1Block figure of ALE

当延时Δ选为小于υ（n）的时间相关半径而大于s（n）的时间相关半径时，s（n）与s（n－Δ）相关，υ（n）与υ（n－Δ）不相关。当自适应地调整滤波器权系数，使误差e（n）的均方差极小时，自适应滤波器的输出y（n）中的宽带噪声成分极小，而其正弦或窄带成分接近输入信号x（n）中的正弦或窄带成分s（n），从而实现了线谱增强，即输出y（n）为s（n）的最优估计，e（n）为υ（n）的最优估计。

令

则根据最小均方（Least Mean Square，LMS）算法计算权系数ωi（n）的步骤为［8］:

其中:μ为自适应学习步长，且0＜μ＜1/λmax，λmax为X（n）的自相关阵RXX的最大特征值。

2 两级自适应线谱增强器原理

两级ALE是在一级ALE的基础上，将延时信号x（n－Δ）与误差信号e（n）相减后作为第2级ALE的输入。其具体框图见图2。含噪信号x（n）=s（n） +υ（n）经一级ALE后得到信号估计s^1（n）和误差信号ν^1（n），然后将x（n）的延时信号x（n－Δ）与ν^1（n）相减作为第2级ALE的输入，最后得到两级ALE的输出信号s^（n），它将原信号x（n）的线谱进一步增强。

图2 两级ALE结构图Fig.2Block figure of two-lever ALE

3 算法仿真

仿真信号为

式中:A1=1，A2=0.5，A3=0.3;f1=20 Hz，f2= 50 Hz，f3=75 Hz;φ1=0，φ2=0，φ3=π/3;ν（t）为高斯白噪声，信噪比为－4.5 dB，信号采样率为1000 Hz。图3给出了采用一级ALE和两级ALE对该信号线谱进行检测的结果。图3（a）为原始信号，（b）、（c）和（d）分别为原始信号的功率谱图、信号经一级ALE后输出信号的功率谱图及信号经两级ALE后的功率谱图。从图3可明显看出，两级ALE比一级ALE对线谱检测更准确。

图3 仿真信号及其线谱分析Fig.3Emulation signal and its line spectrum analysis

4 实验验证

采用某舰船辐射噪声的线谱检测来验证两级ALE算法。图4为辐射噪声及其线谱检测结果。由图可见，两级ALE算法可准确检测出舰船辐射噪声的线谱。

图4 实测信号及其线谱分析Fig.4Test signal and its line spectrum analysis

5 结语

本文在一级自适应线谱增强器的基础上，提出采用两级自适应线谱增强器对舰船辐射噪声线谱进行检测。仿真和实验结果表明两级ALE较一级ALE在输入信号信噪比较低时更能实现线谱的准确测量。

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