第３２卷第７期 ２０１０年７月 舰船科学技术 Ｖｏ１．３２．Ｎｏ．７ ＳＨＩＰ ＳＣＩＥＮＣＥ ＡＮＤ ＴＥＣＨＮ０Ｌ０ＧＹ Ｊｕ１．，２０１０ 舰船辐射噪声连续谱特征提取方法研究 高光磊 （海装天津局，天津３０００００） 摘 要： 为了进一步提高对舰船自身属性的认识，并且为舰船的自我监测提供有效依据，针对连续谱的 １／３ｏｃｔ谱特征提取方法展开研究。在详细分析舰船辐射噪声连续谱成因的基础上，介绍了已有宽带连续谱特征提取 方法，分析其优缺点，并对其进行改进，提出了新的特征提取方法。通过实例对各连续谱特征提取方法进行对比分析， 实验证明了提出的方法的有效性，得到了当拟合系数为７时的曲线拟合方法结果最佳的结论。 关键词： 舰船辐射噪声；连续谱；特征提取方法 中图分类号：ＴＢ５６ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７２—７６４９（２０１０）０７—００８１—０４ ＤＯＩ：１０．３４０４／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７２—７６４９．２０１０．０７．０１５ Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ｆｅａｔｕｒｅ ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ ｗａｒｓｈｉｐ ｒａｄｉａｔｅｄ ｎｏｉｓｅ ＧＡＯ Ｇｕａｎｇ—ｌｅｉ （Ｎａｖｙ Ｍｉｌｉｔａｒｙ Ｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｖｅ Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ Ｔｉａｎｊｉｎ Ｂｒａｎｃｈ，Ｔｉａｎｊｉｎ ３０００００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｆｏｒ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｌｙ ｒｅａｌｉｚｉｎｇ ｔｈｅ ｗａｒｓｈｉｐ ｓｅｌｆ—ｐｒｏｐｅｒｔｙ ａｎｄ ｐｒｏｖｉｄｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｗａｒｓｈｉｐ ｓｅｌｆ—ｔｅｓｔ，ｆｅａｔｕｒｅ ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ １／３ ｏｃｔ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ｉｓ ｍｏｓｔｌｙ ｓｔｕｄｉｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｐａｐｅｒ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｄｅｔａｉｌｅｄ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｗａｒｓｈｉｐ ｒａｄｉａｔｅｄ ｎｏｉｓｅ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ｏｒｉｇｉｎ，ｉｔ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｔｈｅ ｅｘｉｓｔｅｎｔ ｆｅａｔｕｒｅ ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄｓ，ａｎａｌｙｚｅｓ ｔｈｅｓｅ ｍｅｔｈｏｄｓ’ｍｅｒｉｔｓ ａｎｄ ｄｒａｗｂａｃｋｓ．Ａｎｄ ｔｈｅｎ ｔｈｅ ｆｅａｔｕｒｅ ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄｓ ａｒｅ ｉｍｐｒｏｖｅｄ．Ｔｈｅ ｎｅｗ ｍｅｔｈｏｄｓ ａｒｅ ｃｒｅａｔｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｐａｐｅｒ．Ａｔ ｌａｓｔ ｔｈｅｓｅ ｆｅａｔｕｒｅ ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄｓ ａｒｅ ｃｏｎｔｒａｓｔｉｎｇｌｙ ａｎａｌｙｚｅｄ ｂｙ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ，ｗｈｉｃｈ ｐｒｏｖｅｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｎｅｗ ｍｅｔｈｏｄｓ ａｒｅ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ，ａｎｄ ｏｂｔａｉｎ ｔｈｅ ｂｅｓｔ ｍｅｔｈｏｄ，ｗｈｉｃｈ ｉｓ ＣＨＩＶｅ ｆｉｔｔｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｗｈｅｎ ｆｉｔｔｉｎｇ ｃｏｅｆｉｃｉｅｎｔ ｉｓ ｓｅｖｅｎ．ｆ Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｗａｒｓｈｉｐ ｒａｄｉａｔｅｄ ｎｏｉｓｅ；ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｓｐｅｃｔｒｕｍ；ｆｅａｔｕｒｅ ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ０ 引 言 舰船辐射噪声是多年来水声学领域研究的重要 对象，它所携带的信息不仅影响了舰船的隐身性能和 战斗力，而且反映了舰船自身的健康性能。 舰船噪声所携带的信息通过线谱、宽带连续谱、 通过特性曲线、时频谱等一系列信号特征表现出来， 它们都可以看作是舰船的声纹特征，是舰船与生俱来 的属性。宽带连续谱作为舰船的声纹特征之一，从频 的技术条件下待命，更多、更精确地提取舰船辐射噪 声的特征成为当务之急。 ｌ 连续谱成因概述 舰船辐射噪声源一般可分为３大类：机械噪声、 螺旋桨噪声和水动力噪声…。下面从３大舰船辐射 噪声源的角度来阐述舰船宽带连续谱的成因。 １）机械噪声中，各种管道、泵中流体的空化、湍 流、排气以及轴承、轴颈上的机械摩擦等所产生的噪 带内携带能量的角度描述了舰船辐射噪声的特性，对 舰船辐射噪声的监测有着不可或缺的作用。为了更 好地监测自身舰船的声性能，准确地判断舰船的健康 程度，为保养维护提供参考依据，确保舰船处于良好 收稿日期：２０１０—０６—１０；修回日期：２０１０—０６—２２ 声属于宽带连续谱噪声，谱线强度较弱，主要贡献在 低频段。 ２）螺旋桨噪声中，螺旋桨空化噪声是宽带连续 谱的主要贡献者。因为空化噪声是由大量大小不等 作者简介：高光磊（１９８４一），男，硕士研究生，研究方向为舰船与战术导弹总体。 ・８２・ 舰船科学技术 第３２卷 的气泡随机破裂引起的，所以空化噪声产生大量的宽 Ｓ型的原因。 带连续谱。在高频段，它的谱级随着频率的增高大约 以每倍频程６ ｄＢ的斜率下降；在低频段则随频率的 增高而增高（在实际测量中往往被其他噪声所掩 盖）。因此，一般情况下，谱线形成一个峰，这个峰通 常在１００～１ ０００ Ｈｚ十倍频内，而且随航速和深度而 变化。图１的箭头表示了这种规律。当航速增加和 由于空化还与静压力有关，所以，临界航速还与 潜艇的航行深度有关，这表现在航行深度增加时，临 界航速也相应提高。 除航速和深度外，还有很多因素影响螺旋桨辐射 噪声。如损坏的螺旋桨比未损坏的螺旋桨产生的噪 声大，加速中或转向时比正常运转时的噪声大。此 深度变浅时，峰向低频端移动，这是因为在高航速和 外，海流激励使螺旋桨叶片作受迫振动时，将会产生 浅深度情况下，容易产生大量的空化气泡，因而产生 大量低频噪声，使谱峰向低频段移动。 １ｏ０ 星 】錾８０ ６０ １０ １００ １０００ １００００ 频率／Ｐ，ｚ 图１ 空化噪声谱随航速和深度的变化关系 Ｆｉｇ．１ Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｏｆ ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ ｎｏｉｓｅ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ｗｉｔｈ ｓａｉｌｉｎｇ ｓｐｅｅｄ ａｎｄ ｄｅｅｐ 空化现象只有在舰船达到一定航速时才产生，此 时，船的高频辐射噪声突然增大，这时的航速称为舰 船临界航速。临界航速一般在３～５ ｋｎ之间…，见 图２。该图示出了螺旋桨空化噪声与航速间的依赖 关系：航速低于临界航速时，空化噪声级很低，因此基 本上不出现空化现象；一旦航速增大至临界航速，空 化就骤然产生，所以空化噪声级就急剧增大，增值可 达２０～５０ ｄＢ；航速继续增大时，由于空化已很充分， 基本达到了饱和，所以，噪声仅以１．５～２．０ ｄＢ／ｋｎ的 斜率缓慢增长，并渐趋平稳。这就是图２中的曲线呈 １００ 出 坚８０ ６０ １ ２ ３ ４ 航速／（ｍ・ｓ－Ｉ） 图２典型潜艇的宽带辐射噪声随速度的变化关系 Ｆｉｇ．２ Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｏｆ ｔｙｐｉｃａｌ ｓｕｂｍａｒｉｎｅｓ’ｂｒｏａｄｂａｎｄ ｒａｄｉａｔｉｏｎ ｎｏｉｓｅ ｗｉｔｈ ｓａｉｌｉｎｇ ｓｐｅｅｄ 强烈的噪声。 ３）水动力噪声是一种无规则噪声，虽然在宽带 连续谱的幅度上常常被机械噪声和螺旋桨噪声淹没， 但也为宽带连续谱作出了一定的贡献。 由于海洋环境的时变性、水声信道的特殊性，加 之舰船本身结构的复杂性，舰船的宽带连续谱受到舰 船种类、船速、水深、海面及海底反射等多种因素的影 响，谱线的具体情况还要因环境而异，因船及其工作 状态而异。 ２连续谱特征提取 连续谱是功率谱的重要组成部分，它包含了功率 谱中多数的能量信息。１／３ｏｃｔ谱是连续谱的一种主 要的表现形式。本文具体针对１／３ｏｃｔ谱，运用３种 拟合方法进行特征提取。 ２．１折线拟合法 对于舰船辐射噪声宽带连续谱的特征提取，前人 已经提取出１组基于１／３ｏｃｔ谱的特征向量，其中包 括５个特征值 ： １）宽带连续谱分析结果中最大谱峰值所在的频 带； ２）低频斜率ｋ ：低频带辐射噪声幅度随频率增 加的上升斜率； ３）高频斜率ｋ ：高频带辐射噪声幅度随频率升 高的下降斜率； ４）频带谱级 。：选中心频率为１ ｋＨｚ的频带谱 级； ５）总声压级 频带声压级之和。 这种方法中，前３个特征值——峰值频带、低频 斜率和高频斜率共同描述了谱的形状——单峰折线 形，第４个特征值为某一频带的取值，确定了折线的 位置（图３）。因此，本文将这种折线形的特征提取方 法称为折线拟合法。表１给出了１组信号按照“折线 拟合法”提取的宽带连续谱特征向量。 第７期 高光磊：舰船辐射噪声连续谱特征提取方法研究 ・８３・ １００ ∞ ８０ ６０ ０ 峰值频带１０００ 频率／Ｈｚ 图３折线拟合法示意图 Ｆｉｇ．３ Ｄｉａｇｒａｍｍａｔｉｃ ｓｋｅｔｃｈ ｏｆ ｆｏｌｄ ｌｉｎｅ ｆｉｔｔｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ 表ｌ 折线拟合法提取的宽带连续谱特征向量 Ｔａｂ．１ Ｅｘｔｒａｃｔｉｖｅ ｂｒｏａｄｂａｎｄ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｖｅｃｔｏｒ ｕｓｉｎｇ ｆｏｌｄ ｌｉｎｅ ｆｉｔｔｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ２．２改进折线拟合法 折线拟合法中的５个特征值在一定程度上代表 了整个１／３ｏｃｔ谱，但是它们利用谱的信息较少。第１ 个特征值，最大谱峰值所在的频带利用了１个频带的 信息；第２个和第３个特征除了峰值频带，还利用了 低频最低频带和高频最低频带；第４个特征利用了１ ｋＨｚ所在的１个频带信息；最后是总声压级是１个能 量的总和，没有具体利用某个频带信息 。 鉴于以上缺陷，为了提高谱的利用率做出以下修 改：将低频斜率ｋ 修改为第１个频带到最大谱峰值 频带之间的相邻频带斜率的绝对值之和；同理，高频 斜率ｋ 修改为最大谱峰值频带到最后频带之间的相 邻频带斜率的绝对值之和。改进后的５个特征值为： ①宽带连续谱分析结果中最大谱峰值所在的频带； ②低频斜率ｋ：；③高频斜率 ；④频带谱级Ｌ ；⑤ 总声压级 本文将这种修改后特征提取的方法称为改进折 线拟合法。图４为改进折线拟合法示意图。表２给 出了与表１相同的信号按照改进折线拟合法提取的 宽带连续谱特征向量。 表２ 改进折线拟合法提取的宽带连续谱特征向量 ｖｅｃｔｏｒ ｕｓｉｎｇ ｃｈａｎｇｉｎｇ ｆｏｌｄ ｌｉｎｅ ｆｉｔｔｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ １００ ∞ ＼一 ８０ ｆ 一、 ６０ ０ １１１１０峰值额带 频率／Ｈｚ 图４改进折线拟合法示意图 Ｆｉｇ．４ Ｄｉａｇｒａｍｍａｔｉｃ ｓｋｅｔｃｈ ｏｆ ｃｈａｎｇｉｎｇ ｆｏｌｄ ｌｉｎｅ ｆｉｔｔｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ２．３ 多项式拟合法／曲线拟合法 以前出现的曲线拟合法都是针对功率谱的曲线 拟合 。由于功率谱的点数较多，拟合带来了一定 的麻烦，而且功率谱中强线谱的作用将经过曲线拟合 后被削弱。因此，本文采用的是基于１／３ｏｃｔ谱的最 小二乘法曲线拟合。１／３ｏｃｔ谱的横坐标是不均匀的， 所以将其进行代换，以各频带的频带号１—２８作为 １／３ｏｃｔ谱的横坐标。变换后采用多项式拟合： Ｙ＝（ ，ｃ）＝∑Ｃｉ 。 （１） 式中：ｎ为 的最高次数；ｃ为拟合系数，则拟合得到 的特征个数为／１＋１。 在已有的资料中，所采用的拟合次数一般为３～ ５次，它们都是定性的提取功率谱的特征，拟合比较 粗糙，可大体显示出功率谱的整体形状，但如果作为 特征值用于舰船的异常判断或舰船的自我监测时，这 种拟合的结果还是不尽人意的。 图５～图７分别为／１＝５，／７，＝７，ｎ＝９时的拟合结 果。由这３幅图可以看出，随着ｎ的增大，拟合的结 果与真实值越相接近，当ｎ＝９时拟合的结果最好。 此时，得到１／３ｏｃｔ谱的特征参数为（ｃ。一ｃ ），拟合多 项式为 ９ Ｙ＝（ ，ｃ）＝∑Ｃｉ ‘： Ｃ０＋ｃｌ戈＋Ｃ２３ｆ ＋…＋Ｃ９Ｘ’。 （２） 图５ ＝５时的拟合结果 Ｆｉｇ．５ Ｆｉｔｔｉｎｇ ｒｅｓｕｌｔ ｗｈｅｎ ＝５ ・８４・ 舰船科学技术 第３２卷 图６ ｎ＝７时的拟合结果 Ｆｉｇ．６ Ｆｉｔｔｉｎｇ ｒｅｓｕｌｔ ｗｈｅｎ ｎ＝７ 图７ ＝９时的拟合结果 Ｆｉｇ．７ Ｆｉｔｔｉｎｇ ｒｅｓｕｌｔ ｗｈｅｎ ：９ ３ 实验分析 针对上文提到的折线拟合法、改进折线拟合法、 曲线拟合法（ｎ：５，７，９）３类特征提取方法，采用模式 匹配法中的相似度测度方法对多组舰船噪声数据进 行分类识别 。所使用的数据均是海上实测的舰 船噪声数据，按照舰船型号和工况的不同分为８类， 数据样本共１６０条。整个样本集合分为训练样本和 测试样本，其中，训练样本４８条，测试样本１１２条。 识别结果如表３所示。 从表３可以看出： １）５种特征提取方法的正确识别率都比较高， 均在８９％以上； ２）折线拟合法和改进折线拟合法的正确识别率 相近，改进后的方法识别率略有提高； ３）对于不同ｎ值的曲线拟合法，随着ｎ的增大， 拟合的结果与真实值越相接近，但作为特征提取方 表３ 特征提取方法的识别结果对比 Ｔａｂ．３ Ｉｄｅｎｔｉｆｙ ｒｅｓｕｌｔ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｆｅａｔｕｒｅ ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄｓ 法，其识别率却不是逐渐增大的，针对文中应用的相 似度测度方法， 为７时识别效果最好。 ４ 结 语 本文在分析舰船辐射噪声连续谱形成原因的基 础上，着重研究了１／３ｏｃｔ谱特征提取方法。分析了３ 类特征提取方法的原理及其优缺点，针对已有方法在 使用上的局限性，提出了新的特征提取方法。利用实 船测试数据进行了分类识别实验，证明了３类特征提 取方法的有效性和可靠性。 参考文献： ［１］ 刘伯胜，雷家煜．水声学原理［Ｍ］．哈尔滨：哈尔滨工程 大学出版社，２００６． ［２］ 赵艳玲．舰船噪声异常判断［Ｄ］．大连：中国船舶重工集 团公司第７６０研究所，２００８． ［３］ 张宇．基于宽带谱的舰船噪声异常判断技术研究［Ｄ］． 大连：中国船舶重工集团公司第７６０研究所，２００９． ［４］ 曾庆军，王菲，黄国建．基于连续谱特征提取的被动声纳 目标识别技术［Ｊ］．上海交通大学学报，２００２，３６（３）： ３８２—３８６． ［５］ 杨向锋，张效民，孙继红．舰船辐射噪声功率谱特征提取 方法研究［Ｊ］．鱼雷技术，２００６，１４（１）：３５—３８． ［６］ 孙即祥．现代模式识别［Ｍ］．长沙：国防科技大学出版 社，２００２． ［７］ 沈清，汤霖．模式识别导论［Ｍ］．长沙：国防科技大学出 版社，１９９１． ［８］ＴＩＡＮ Ｒｕｎ・ｔａｏ，ＸＩＥ Ｐｅｉ・ｓｈａｎ．Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｔｈｅ ｓｔａｎｄａｒｄｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｉｍｉｌａｒｉｔｙ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｃｈｒｏｍａｔｏｇｒａｐｈｉｃ ｆｉｎｇｅｒｐｒｉｎｔｓ（Ｐａｒｔ Ｉ）［Ｊ］．Ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｄｒｕｇ Ｒｅｓｅａｒｃｈ＆Ｃｌｉｎｉｃａｌ Ｐｈａｒｍａｃｏｌｏｇｙ，２００６，１７（１）：４０—４２．
