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舰船辐射噪声非线性频谱特征提取与应用

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第38卷第12期 2016年12月 舰船科学技术 Vo1.38.NO.12 Dec..2016 SHIP SCIENCE AND TECHNOLoGY 舰船辐射噪声非线性频谱特征提取与应用 焦义民 ,康春玉 ,曾祥旭 (1.海军大连舰艇学院研究生队,辽宁大连116018; 2.海军大连舰艇学院信息作战系,辽宁大连116018) 摘 要:舰船辐射噪声分类识别一直是被动声呐面临的难题,提取舰船辐射噪声的频谱特征来实现分类识别 是一种常用的方法。基于舰船辐射噪声频谱特征主要聚于低频段的特点,按照稀疏分解的原理,通过构造完备的非 线性频谱字典,提出了一种舰船辐射噪声非线性频谱特征提取方法。对海上实录的多种型号和多种工况的大量噪声 样本进行了特征提取,采用最近邻分类器对辐射噪声样本进行了分类识别实验,结果表明,非线性频谱特征的正确 分类识别概率高于线性频谱特征的正确分类识别概率。 关键词:频谱;辐射噪声;特征提取;目标识别;稀疏基 中图分类号:TB566 文献标识码:A doi:10.3404 ̄.issn.1672—7619.2016.12.013 文章编号:l672—76I9(2016)12—0065—04 Extraction and application in nonlinear spectrum feature of ship radiated noise JIAO Yi—min ,KANG Chun—yu2,ZENG Xiang—XH (1.Graduate Student Division,Dalian Navy Academy,Dalian 1 16018,China; 2.Department of Information Operations,Dalian Navy Academy,Dalian 1 1 60 1 8,China) Abstract:Classification and recognition of ship radiated noise is always a difficult problem.It is a commonly used method to extract the spectrum features of ship radiated noise.Based on ship radiated noise spectrum characteristics mainly in the low frequency characteristics,in accordance with the principle of sparse decomposition,by constructing complete non— linear spectral dictionary proposed a kind of ship radiation spectrum features of nonlinear noise extraction method.The re- cord of sea of various types and various conditions of a lot of noise samples are feature extraction,using the nearest neigh— bor classifier on radiated noise samples were classiied frecognition experiment.Results show that,nonlinear frequency spec— trum fea ̄re of the probability of correct classiicatifon and recognition than linear spectral characteristics of the correct clas— siicatfion probabiliy.t Key words:spectrum;radiated noise;feature extraction;target recognition;sparse marx 0 引 言 水下目标特征提取与识别是水声设备和水中武器 系统智能化的关键技术之一,也是国内外一直公认的 难题…。随着海洋资源开发和威胁目标复杂性的增 方法提取谱线。给出了一种谱线自动提取方法。王本 刚等 提出用希尔伯特变换求舰船噪声的包络,通过 谱特征分析,得到舰船噪声明显的“螺旋桨拍”。张宇 等f4 在理论上论述了倒谱在舰船辐射噪声特征提取中 的可行性及应用条件。沈广楠【 通过DEMON谱分析方 法,找到了舰船辐射噪声的轴频,利用所提取的轴频 信息进行舰船分类识别。 加,这一技术显得更为重要。信号的功率谱反映了信 号的许多重要特征,利用信号功率谱的连续谱和线谱 特征进行目标的自动识别和分类,是声呐、雷达、语 音识别和噪声分析等领域信号处理的重要内容。 在谱特征提取方面,赵瑞珍等翻提出基于稀疏表示 上述方法都是利用线性谱分析的方法,即选择固 定的频率分辨率对信号进行谱变换,提取信号的谱特 征。采用线性谱分析的方法,需要在所有频段内均匀 收稿日期:2016—05—23;修回日期:2016—06—12 基金项目:国家自然科学基金资助项目(61471378) 作者简介:焦义 ̄(199l一),男,硕士研究生,研究方向为水声信号处理。 ・66・ 舰船科学技术 32 768 30 000 25 0oo 第38卷 的分配原子数,这样分析得到的频谱虽然谱特征没有 损失,但频谱维数大,不仅运算量大,计算时间长, 不利于后续信号分类识别工作的开展。因此为了减小 掣20 000 Ⅱ 15 000 缸 计算量,减轻信号分类识别工作的负担,需要探索一 种能在有限的原子数,尽可能多的反映舰船噪声的特 l0 000 5 000 征信息的方法。 大量的实验结果表明,舰船噪声的绝大多数特征 O 50 100 150200 250 300 350400450 5l2 信息都在低频部分。因此本文提出了一种非线性频谱 特征提取方法,通过构造非线性频谱字典,提取了舰 原子序数 图1傅里叶基字典 船噪声的非线性谱特征,该字典在低频部分原子数 多,在高频部分原子数少,在原子数不变的情况下, 提取的特征更能反映出舰船辐射噪声的低频特征。 1 频谱特征提取方法 1.1非线性频谱特征提取模型 在实际工作中,有些信号不需要获取所研究问题 的全部特征,而只需要少量的关键信息就可以达到辨 识效果。这种现象促使了研究人员想到改变传统信号 的表示方式,使用被称为原子库的过完备冗余函数体 系取代基函数,原子库中的元素称为原子。原子库选 择能尽量好的逼近信号体系的结构,而其构成并没有 任何。当我们选用的基是正交基时,则谱特征提 取模型如(1)所示: Y=Ia×sl, (1) 式中:S为信号;A为由原字库构成的字典;Y为所要 获取的谱特征 。若字典 为线性频谱字典,则字典 与信号S相乘即可得到信号S的谱特征Y。 1.2傅里叶基字典的构造 傅里叶变换能够得到信号的频域表示,反映了信 号在全部时间范围内的所有频谱成分,因此,傅里叶 变换在描述平稳信号时效果很好。如果将傅里叶变换 以基的形式描述,则傅立叶基是频域字典中最典型的 一个完备字典,这个字典的原子可用正弦波性的 ( )(k=1,2,… )表示。 27 ̄jfkn A (. )=e, ,n∈{0,1,…Ⅳ一1}。 (2) 式中:. 为信号的频率;K为原子总数;N为信号长 度; 为信号的采样频率㈣。 根据式 (1) , 将信号与字典 [A ( ) (,2) )… )】直接相乘即可得到信号 的傅里叶变换。再对其求能量可得到信号的谱特征。 图1为原子总数K=512采样频率 =25 000 Hz信号 长度Ⅳ=32 768时生成的傅里叶基字典。 Fig.1 Fourier dictionarie 1.3非线性频谱字典的构造 采用线性频谱分析方法在舰船噪声频谱特征提取 时得到的谱特征是频率均匀间隔的,如果特征维数一 定,则频率间隔也一致,高频与低频的分辨率一样。 研究发现,舰船辐射噪声在低频段的谱特征信息更 多,如果能根据舰船噪声频谱的分布特点,在低频处 增大频率分辨率,在高频处减少频率分辨率,则可以 在特征维数不变的情况下,更高程度地提取出舰船辐 射噪声的频谱信息。 结合舰船辐射噪声的频谱特征,本文设计的非线 性字典原子如下: (,)=e2 ̄jfn/ , g(3) —N 口) ×.{=一ol,=一 +e 七e —( +( + )。 其中。【为非线性参数,本文a设为228.832 9,即 非线性频率分布采用Patterson听觉模型中耳蜗的非线 性频率分布[9]。图2为傅里叶基字典频率随原子序数变 化和非线性频谱字典频率随原子序数变化的关系。其 中非线性参数a=228.832 9,采样频率 =25 000 Hz, 选取原子数K=5l2。 图3为原子总数K:512采样频率Fs=25 000 Hz 信号长度Ⅳ=32 768时生成的非线性频谱字典。 图2两种字典频率随原子序数变化的关系 Fig.2 The relationship between the ̄equency ofthe two dictionar- ies and the change of atomic number 第38卷 焦义民,等:舰船辐射噪声非线性频谱特征提取与应用 ・67・ 32 768 3O 000 25 000 20 000 l5 000 {Ⅱ 10000 5 000 原予序数 图3非线性频谱字典 Fig.3 Nonlinear spectral dictionary 对比分析图1~图3可看出,傅里叶基字典在高频 部分和低频部分频率分辨率不变,而非线性频谱字典 在低频部分的频率分辨率要高于高频部分。 2 实验数据验证 2.1仿真实验数据验证 设仿真信号为S(t),表达式如下: :∑ ( ) … 其中 =14, =28,f3=49,,4=75, =85, = 120, :210。设采样频率 =25 000 Hz,信号长度Ⅳ =32 768。 图4为信号S(f)在原子数512时的线性频谱 (傅里叶变换)变换与非线性频谱变换的频谱特征对 比图。其中非线性参数 设为228.832 9。 将图4低频部分进行放大表示,如图5所示。 图4两种方法估计的频谱特征 Fig.4 Two methods for estimating the spectral characteristics 根据图4和图5,发现线性谱分析在原子数较少 时,无法分辨仿真信号的线谱特征,但非线性谱分析 近乎准确地分辨出信号的频谱特征。 2.2舰船辐射噪声的非线性频谱分析 本次实验数据选取某商船的水声数据作为实验对 象,被动声呐的采样频率均为25 000 Hz。 图6为舰船辐射噪声信号在原子数Ⅳ=512时分别 基于线性谱分析与非线性谱分析所提取约1 S的商船目 一仿真信号实际频谱一非线性分析提取频潜 线性分析提取频潜 图5两种方法估计的频谱特征(低频放大) Fig.5 Two methods ofr estimating hte spectral characteristics(Low frequency amplification) 标一的频谱特征。 将图6低频部分进行放大表示,如图7所示。 根据图6和图7可知,当原子数较少的情况下, 图6两种方法估计的频谱特征 Fig.6 Two methods for estimating hte spectral characteristics 图7两种方法估计的频谱特征(低频放大) Fig.7 Two methods for estimating the spectral characteristics(Low rfequency ampliifcation) 线性谱分析方法对舰船辐射噪声低频段频谱特征的提 取能力远差于非线性谱分析方法。 2.3舰船辐射噪声分类识别实验 研究中主要采用如图8所示的辐射噪声稀疏特征 提取与分类识别框架。即基于海上实测舰船辐射噪声 样本库,提取舰船辐射噪声的频谱特征,通过最近邻 分类器进行分类识别实验。 舰船辐射噪声识别检验中,主要研究了3类水中 目标辐射噪声样本的分类情况,全部噪声样本是在不 同工况和水文气象条件下,实录的海上3类目标辐射 ・68・ 舰船科图8辐射噪声稀疏特征提取与分类识别框架 Fig.8 Sparse feature extraction and classiifcation recognition famework for radiated noise 噪声。对所有实录的辐射噪声进行数字采样后,每6.5 S 数据作为一个样本,并将整个样本集分为训练样本集 和测试样本集,得到训练样本集:第1类目标99个, 第2类目标578个,第3类目标74个,共计751个; 测试样本集:第l类目标490个,第2类目标2 890 个,第3类目标375个,共计3 755个。 根据傅里叶基和非线性频谱字典所得到的海上3 类目标辐射噪声频谱特征设计最近邻分类器,对提取 到的谱特征进行分类识别。2种谱特征对测试样本的 正确识别率如表1所示。 表1线性频谱下3艘船识别正确率表 Tab.1 The correct rate ofrecognition ofthree ships in the lnie ̄spectrum 根据表1的结果,基于非线性的谱分析可以优化 目标的分类效果。 3 结 语 文中提出的非线性谱分析方法的原理是参照信号 主要频谱的分布特点,通过调整非线性参数0【,在有 限原子数的条件下,优先将原子分配给频谱特征信息 学技术 第38卷 丰富的频段,提高信号频谱特征的提取效果。仿真实 验证明了该方法有效、可行。舰船噪声分类识别实验 也证明了该方法有助于优化目标分类效果。 参考文献: [1】张岩,尹力.主成分分析在舰船辐射噪声分类识别中的应用 fJ].应用声学,2009,28(1):20-26. 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