[发明专利]一种自动获取船舶螺旋桨变速旋转时间区间方法

摘要

本发明涉及一种自动获取船舶螺旋桨变速旋转时间区间方法，属于水声信号处理技术领域。本发明基于船舶水下辐射的螺旋桨空化噪声受螺旋桨转速调制的特点，及螺旋桨匀速旋转和变速旋转时调制包络信号的特点与区别，运用图像处理的方法对经恒虚警处理的调制包络谱瀑布图上代表其叶频分量的谱线的识别与判断，将螺旋桨匀速旋转的时间段与变速旋转的时间段予以区分，从而获得螺旋桨变速旋转的起止时刻。本发明解决了无人值守的被动水声探测系统无法自动获取螺旋桨加速或减速旋转的时间段，进而无法获取螺旋桨完全处于变速旋转过程中辐射噪声数据的问题，未增加额外的硬件设备，从而为被动水声探测系统进一步正确提取螺旋桨旋转速度变化特征提供了保障。

主权项

一种自动获取船舶螺旋桨变速旋转时间区间方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、对采样后的观测信号r(n)依次进行带通滤波、绝对值包络检波，并消除直流分量，得到包络信号，其中，n为正整数，所述绝对值包络检波的过程为： E 0 ( l ) = 1 M ∑ j = 1 M | r ( Mn + j ) | - - - ( 1 ) 其中M是绝对值检波的平均点数，满足：M≤int(Fs/fh)                                   (2)式(2)中FS为采样频率，fh是带通滤波器的最高频率，int表示取整，在绝对值检波后，采样率降为FS/M；消除直流分量的过程为： E ( l ) = E 0 ( l ) - 1 L ∑ l = 1 L E 0 ( l ) - - - ( 3 ) 式中L是E0(l)的点数；S2、以宽度为TW的滑动窗对E(l)进行截取，然后依次进行2K点快速傅里叶变换和频域恒虚警率处理，K为正整数，经频域恒虚警率处理后超过阈值的点保留，低于阈值的点置零，再对输出结果进行灰度转换，形成一行调制包络谱分析结果，频域恒虚警率处理的阈值Th由公式(4)确定：Th＝m+dσ                                         (4)式(4)中d是由恒虚警概率决定的检测因子，m为无船舶目标时经 步骤S1处理后频谱幅度值的均值，σ为无船舶目标时经步骤S1处理后频谱幅度值的方差；S3、以步进时间tD将滑动窗进行滑动，重复步骤S2，获得多行调制包络谱分析结果，并形成瀑布图的形式，从而获得包络谱瀑布图，记为G(x，y)，其中x＝X1，X1+1，…，XH和y＝1，2…Y分别代表时间和频率轴上的变量： X 1 = int ( 2 K - 1 M F l / F s ) X H = int ( 2 K - 1 M F h / F s ) H = X H - X 1 + 1 Y = int ( ( T - T W ) / t D ) - - - ( 5 ) 式(5)中(Fl，Fh)为步骤S1的处理过程所分析的频率范围，T为观测信号r(n)的总观测时间；S4、初始化标志位：Y1＝0，Y2＝Y，W1＝0，W2＝Y；S5、对G(x，y)进行0角度的Radon变换，并将Radon变换的横坐标s转换成频率号x，转换公式为： x = int ( 2 K - 1 M ( F h + F l ) F S ) + s - - - ( 6 ) 从而得到随频率变化的0角度Radon变换输出R(x)；S6、对R(x)的峰值进行分析：若R(x)＝0，变速时间区间识别过程结束；当R(x)≠0时，确定R(x)最大值的位置，即峰值位置的频率号xM，并计算该峰值位置两侧相临的连续超过该峰值一半的频率点数NP，以获得谱峰宽度： W R = N P F S 2 K M - - - ( 7 ) 若谱峰宽度大于预设的线谱宽度门限ThW，转到步骤S8；若谱峰宽度小于设定的线谱宽度门限ThW，执行步骤S7；S7、将螺旋桨匀速旋转与螺旋桨变速旋转的时间段进行区分：对G(x，y)沿频率号xM所代表的线谱按时间从前向后进行谱线跟踪，Y1取最先跟踪到线谱的行数，Y2取最后跟踪到线谱的行数，跟踪的实现方法为：对第y行及其两侧相邻的预设YW行中搜索G(x，y)在xM±xP范围内的非零值，其中xP为允许频率的抖动频点数，若非零值的个数YN与YW+1的比值大于0.5，则认为第y行跟踪到线谱，否则认为第y行未跟踪到线谱；若Y1≥0，Y2＝Y，变速时间区间识别过程结束；若Y1≥0，Y2＝YR≥Y1，将G(x，y)的前YR行的频谱值置零，即G(x，y∈[0，YR])＝0，并置标志位W1＝YR，并返回步骤S5；若Y2≤Y，0＜Y1＝YR≤Y2，将G(x，y)的后Y‑YR行的频谱值置零，即G(x，y∈[YR+1，Y])＝0，并置标志位W2＝YR，并返回步骤S6；S8、根据W1和W2的值计算螺旋桨加速或减速旋转时间段对应的起始采样点数K1和结束采样点数K2分别为： K 1 = F S t D W 1 + 1 K 2 = F S ( W 2 · t D + T W ) - - - ( 8 ) .