本發(fā)明涉及信息信號處理領(lǐng)域，尤其是一種噪聲監(jiān)測方法。
背景技術(shù)：
：進入二十一世紀(jì)，世界各國均加強了對海洋領(lǐng)土的監(jiān)管和控制，領(lǐng)海中的資源將在不遠(yuǎn)的未來對本國的發(fā)展起到至關(guān)重要的作用。要及時有效地檢測和識別別國艦船是至關(guān)重要的一環(huán)。同時，準(zhǔn)確地檢測到遠(yuǎn)距離下的艦船也是非常重要的研究方向，因而，海洋環(huán)境下遠(yuǎn)距離艦船的檢測和識別具有巨大的研究價值和意義。對較遠(yuǎn)距離艦船的檢測主要是通過檢測艦船輻射噪聲來實現(xiàn)，艦船輻射噪聲具有特殊的線譜和連續(xù)譜組成的頻譜，通過提取線譜和連續(xù)譜的特征可實現(xiàn)艦船輻射噪聲的檢測?；舅悸分粸闄z測艦船輻射噪聲中的線譜分量頻率峰值來實現(xiàn)目標(biāo)的檢測。其中常用的自相關(guān)檢測方法、快速傅里葉變換方法、自適應(yīng)線譜增強方法需要對線譜頻率峰值進行搜索，得到線譜先驗信息，無此先驗信息時，結(jié)果會受到很大的影響，這種搜索過程很大程度上依賴于經(jīng)驗。同時，由于艦船聲隱身技術(shù)的高速發(fā)展，機械設(shè)備主動隔振、主動約束阻尼、聲學(xué)智能結(jié)構(gòu)等技術(shù)的陸續(xù)應(yīng)用，艦船輻射噪聲的線譜得到了很好的控制，線譜的幅值變得很小、能量大幅度降低、甚至數(shù)量可控。連續(xù)譜是艦船輻射噪聲頻譜的另一重要特征和組成部分，時域具有單獨的譜峰。基于連續(xù)譜的檢測一般基于時域譜峰的能量，而基于能量的檢測方法，在遠(yuǎn)距離下結(jié)果會受到較大影響。連續(xù)譜分量聲壓級也與海洋環(huán)境噪聲聲壓級更加接近。同時，在聲吶監(jiān)測過程中，遠(yuǎn)距離下的目標(biāo)艦船可得先驗知識非常有限，線譜頻率和數(shù)目以及相應(yīng)的變化等無法確定。海洋環(huán)境噪聲的復(fù)雜性也影響著艦船輻射噪聲連續(xù)譜分量。使得利用常規(guī)方法很難實現(xiàn)遠(yuǎn)距離下艦船目標(biāo)的有效檢測。技術(shù)實現(xiàn)要素：為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，針對常規(guī)方法依賴先驗信息、在遠(yuǎn)距離低信噪比下效果變差、海洋環(huán)境噪聲假設(shè)不準(zhǔn)確等問題，本發(fā)明提出一種基于時域混沌成分差異的艦船輻射噪聲檢測方法。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案的具體步驟如下：第一步：利用聲吶采集海洋中的聲信號，記為g(t)，即為輸入信號；第二步：構(gòu)造信號檢測輸入系統(tǒng)利用Duffing振子檢測系統(tǒng)，系統(tǒng)公式為：其中，式中x、y為系統(tǒng)輸出，分別x、y的導(dǎo)數(shù)，k為阻尼系數(shù)，-αx+βx3為非線性恢復(fù)力，α、β為非線性恢復(fù)力系數(shù)，rcos(ωt)為內(nèi)策動力，ω為內(nèi)策動力頻率，r為內(nèi)策動力幅值，g(t)為輸入信號，參數(shù)設(shè)置為k＝0.5,α＝1,β＝1,ω＝1，利用Melnikov方法取r＝0.8，使系統(tǒng)處于混沌臨界狀態(tài)；Duffing振子系統(tǒng)初始狀態(tài)為第三步：將第一步中的信號g(t)輸入到第二步中的式(1)中，利用四階自適應(yīng)步長龍格庫塔方法對公式(1)進行求解，初值定為(1,1)，得出系統(tǒng)方程解(x,y)，其中x,y均為向量，以方程解中的x為橫軸，y為縱軸，得到輸出數(shù)據(jù)的相空間圖形；輸入信號同時含有單頻信號、混沌特性信號和高斯噪聲信號，即其中s1(t)＝Acos(ωt)，A為輸入信號幅值，s2(t)為一種或多種混沌特性信號的和，s3(t)為高斯白噪聲信號或色噪聲信號，其中為0或1，且不同時為零；第四步，搜索公式(1)的解(x,y)，分別得到向量x的最大值Xmax和最小值Xmin以及向量y的最大值Ymax和最小值Ymin，以Xmax到Xmin的距離為寬度，Ymax到Y(jié)min的距離為高度組成一個長方形區(qū)域，將此長方形區(qū)域均分為2行n列的網(wǎng)格；第五步：統(tǒng)計每個網(wǎng)格中的數(shù)據(jù)量ki，利用計算每個網(wǎng)格出現(xiàn)數(shù)據(jù)的概率pi，得到2*n個格子的分布列，其中C為系統(tǒng)相空間中的總數(shù)據(jù)量；第六步：利用Bandt-Pompe算法及統(tǒng)計復(fù)雜度計算方法得到接收信號的統(tǒng)計復(fù)雜度，根據(jù)統(tǒng)計復(fù)雜度值大小進行目標(biāo)檢測，統(tǒng)計復(fù)雜度的計算方法如下：Shannon熵表示概率分布為P＝{pi,i＝1,…,N}的物理過程的不確定程度，表述為Shannon熵的最大值為概率分布為均勻分布Pe＝{1/N,…,1/N}時的取值，由此，標(biāo)準(zhǔn)Shannon熵為其中Smax＝S[Pe]＝lnN，Pe＝{1/N,…,1/N}表示均勻分布，0≤HS[P]≤1；失衡度K[P]度量系統(tǒng)任一狀態(tài)T時的概率分布P與均勻分布Pe之間的距離DS表述為：K[P]＝K0·DS[P,Pe](7)其中K0是歸一化常數(shù)，則0≤K≤1，DS選用Jensen-Shannon散度JS進行刻畫，即對概率空間中任意兩個分布P1和P2，表述為：JS[P1，P2]＝{S[(P1+P2)/2]-S[P1]/2-S[P2]/2}(8)那么，失衡度表述為KJ[P]＝K0·JS[P,Pe](9)其中，歸一化常數(shù)K0為JS[P,Pe]取最大值時的倒數(shù)，完全有序狀態(tài)和均勻分布之間的距離為JS[P,Pe]取值的最大值；則由如式(6)所示的標(biāo)準(zhǔn)Shannon熵和式(9)所示的失衡度，可得統(tǒng)計復(fù)雜度為：CJS[P]＝KJ[P]HS[P](9)定義閾值為0.05，若統(tǒng)計復(fù)雜度CJS[P]大于0.05則判定有目標(biāo)，小于0.05則判定無目標(biāo)。本發(fā)明由于采用了Duffing振子檢測系統(tǒng)及統(tǒng)計復(fù)雜度參數(shù)表征，得到了缺少先驗信息的水下低信噪比艦船目標(biāo)檢測的技術(shù)效果，并實現(xiàn)了嵌入式表征，海上目標(biāo)監(jiān)測及嵌入式無人海上預(yù)警等具有重要參考價值。附圖說明圖1是本發(fā)明同宿軌道狀態(tài)相空間圖。圖2是本發(fā)明分叉狀態(tài)相空間圖。圖3是本發(fā)明混沌狀態(tài)相空間圖。圖4是本發(fā)明大尺度周期狀態(tài)相空間圖。圖5是本發(fā)明輸入Lorenz信號系統(tǒng)輸出相空間3。圖6是本發(fā)明輸入Lorenz信號系統(tǒng)輸出相空間4。圖7是本發(fā)明加入高斯白噪聲特殊相空間。圖8是本發(fā)明是參數(shù)r＝0.8時相空間。圖9是本發(fā)明中1型艦船輻射噪聲在輸入信號進行連續(xù)三點平移后的輸出相空間形態(tài)。圖10是本發(fā)明2型艦船輻射噪聲在輸入信號進行連續(xù)三點平移后的輸出相空間形態(tài)。圖11是本發(fā)明3型艦船輻射噪聲在輸入信號進行連續(xù)三點平移后的輸出相空間形態(tài)。圖12是本發(fā)明4型艦船輻射噪聲在輸入信號進行連續(xù)三點平移后的輸出相空間形態(tài)。圖13是本發(fā)明海洋環(huán)境噪聲時域波形。圖14是本發(fā)明海洋環(huán)境噪聲輸入系統(tǒng)相空間1。圖15是本發(fā)明海洋環(huán)境噪聲輸入系統(tǒng)相空間2。圖16是本發(fā)明檢測效果圖。圖中x1和x2分別代表兩列數(shù)據(jù)。具體實施方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。第一步：利用聲吶采集海洋中的聲信號，記為g(t)，即為輸入信號；第二步：構(gòu)造信號檢測輸入系統(tǒng)利用Duffing振子檢測系統(tǒng)，系統(tǒng)公式為：其中，式中x、y為系統(tǒng)輸出，分別x、y的導(dǎo)數(shù)，k為阻尼系數(shù)，-αx+βx3為非線性恢復(fù)力，α、β為非線性恢復(fù)力系數(shù)，rcos(ωt)為內(nèi)策動力，ω為內(nèi)策動力頻率，r為內(nèi)策動力幅值，g(t)為輸入信號，參數(shù)設(shè)置為k＝0.5,α＝1,β＝1,ω＝1，利用Melnikov方法取r＝0.8，使系統(tǒng)處于混沌臨界狀態(tài)；Duffing振子系統(tǒng)初始狀態(tài)為式(2)所示系統(tǒng)在固定k時，隨著r從0逐漸增加，系統(tǒng)相空間將出現(xiàn)不同形態(tài)的變化，如圖1～圖4所示，其中以混沌狀態(tài)到大尺度周期狀態(tài)相空間變化最為明顯，將待測信號以加項形式輸入系統(tǒng)，由于系統(tǒng)對單頻信號敏感和對隨機信號免疫，則根據(jù)相空間變化可以完成單頻信號的檢測；第三步：將第一步中的信號g(t)輸入到第二步中的式(1)中，利用四階自適應(yīng)步長龍格庫塔方法對公式(1)進行求解，初值定為(1,1)，得出系統(tǒng)方程解(x,y)，其中x,y均為向量，以方程解中的x為橫軸，y為縱軸，得到輸出數(shù)據(jù)的相空間圖形；輸入信號為混沌信號時，Duffing振子輸出相空間為如圖5和圖6所示形態(tài)；輸入信號同時含有單頻信號、混沌特性信號和高斯噪聲信號，即其中s1(t)＝Acos(ωt)，A為輸入信號幅值，s2(t)為一種或多種混沌特性信號的和，s3(t)為高斯白噪聲信號或色噪聲信號，其中為0或1，且不同時為零；輸入如式(3)所示信號時，輸出相空間依然如圖3、圖4、圖5和圖6所示形態(tài)，當(dāng)輸入信號為艦船輻射噪聲信號時，輸出相空間出現(xiàn)如圖7所示特殊相空間形態(tài)，且這種特殊形態(tài)相空間會隨著輸入信號的平移連續(xù)出現(xiàn)；第四步：搜索公式(1)的解(x,y)，分別得到向量x的最大值Xmax和最小值Xmin以及向量y的最大值Ymax和最小值Ymin，以Xmax到Xmin的距離為寬度，Ymax到Y(jié)min的距離為高度組成一個長方形區(qū)域，將此長方形區(qū)域均分為2行n列的網(wǎng)格，本實施例中取n＝5；第五步：統(tǒng)計每個網(wǎng)格中的數(shù)據(jù)量ki，利用計算每個網(wǎng)格出現(xiàn)數(shù)據(jù)的概率pi，得到2*n個格子的分布列，其中C為系統(tǒng)相空間中的總數(shù)據(jù)量；第六步：利用Bandt-Pompe算法及統(tǒng)計復(fù)雜度計算方法得到接收信號的統(tǒng)計復(fù)雜度，根據(jù)統(tǒng)計復(fù)雜度值大小進行目標(biāo)檢測，統(tǒng)計復(fù)雜度的計算方法如下：統(tǒng)計復(fù)雜度是在Shannon熵的基礎(chǔ)上進行定義的，Shannon熵表示概率分布為P＝{pi,i＝1,…,N}的物理過程的不確定程度，表述為Shannon熵的最大值為概率分布為均勻分布Pe＝{1/N,…,1/N}時的取值，由此，標(biāo)準(zhǔn)Shannon熵為其中Smax＝S[Pe]＝lnN，Pe＝{1/N,…,1/N}表示均勻分布，0≤HS[P]≤1；失衡度K[P]度量系統(tǒng)任一狀態(tài)T時的概率分布P與均勻分布Pe之間的距離DS表述為：K[P]＝K0·DS[P,Pe](7)其中K0是歸一化常數(shù)，則0≤K≤1，DS選用Jensen-Shannon散度JS進行刻畫，即對概率空間中任意兩個分布P1和P2，表述為：JS[P1,P2]＝{S[(P1+P2)/2]-S[P1]/2-S[P2]/2}(8)那么，失衡度表述為KJ[P]＝K0·JS[P,Pe](9)其中，歸一化常數(shù)K0為JS[P,Pe]取最大值時的倒數(shù)，完全有序狀態(tài)和均勻分布之間的距離為JS[P,Pe]取值的最大值；則由如式(6)所示的標(biāo)準(zhǔn)Shannon熵和式(9)所示的失衡度，可得如下述統(tǒng)計復(fù)雜度：CJS[P]＝KJ[P]·HS[P](9)定義閾值為0.05，若統(tǒng)計復(fù)雜度CJS[P]大于0.05則判定有目標(biāo)，小于0.05則判定無目標(biāo)。利用仿真及海上實測數(shù)據(jù)，進行最低檢測信噪比的換算和對比，并分析實時性：根據(jù)以下信噪比的計算公式，可得利用Duffing振子檢測艦船輻射噪聲的最低檢測信噪比：其中Psignal為信號的平均功率，Pnoise為噪聲的平均功率，最低檢測信噪比為-9.1329，由于本發(fā)明并非以統(tǒng)計理論為基礎(chǔ)得出的，故而無法得出在不同虛驚概率下的檢測概率曲線。為了得到檢測概率，根據(jù)本發(fā)明所述方法做1000次蒙特卡洛實驗，結(jié)果并未出現(xiàn)檢測失敗的情況，而若輸入信號信噪比低于最低檢測信噪比，檢測概率則是0％，此方法失效。值得說明的是，聲納收集到的艦船輻射噪聲本身就含有海洋環(huán)境噪聲，故而實際的最低檢測信噪比計算得到的還要低。本發(fā)明主要涉及的計算包括歸一化、四階龍格-庫塔方法解Duffing振子方程、Bandt-Pompe算法和統(tǒng)計復(fù)雜度的計算。其中，歸一化和統(tǒng)計復(fù)雜度涉及簡單的乘法和除法，Bandt-Pompe算法主要為分段和除法，而龍格-庫塔方法比較復(fù)雜，占據(jù)了主要的運算時間，將實時性以運算時間衡量，得到表1：表1Duffing振子檢測方法實時性判斷計算機配置不同、數(shù)據(jù)不同等會得到不同的運算時間，因而僅利用以上表格觀察耗時趨勢。首先，由表格可以看出總體耗時均在十秒以下，相對于海上艦船的運動速度，可以達(dá)到實時性要求；其次，輸入信號點數(shù)對耗時沒有很大影響，主要取決于龍格-庫塔方法步長的選擇，考慮到相空間的完整性，選取自適應(yīng)步長方法。由以上分析可知，本發(fā)明可實現(xiàn)真實海洋環(huán)境下，缺少先驗信息時，對低信噪比下艦船目標(biāo)的有效檢測，對海上目標(biāo)監(jiān)測及嵌入式無人海上預(yù)警等具有重要參考價值。利用海上實測數(shù)據(jù)，描述目標(biāo)輻射噪聲檢測的過程。對于式(1)所示系統(tǒng)，采用自適應(yīng)步長四階龍格-庫塔方法進行數(shù)值計算，取k＝0.5,α＝1,β＝1,ω＝1，初值為(1,1)，經(jīng)測量，系統(tǒng)內(nèi)策動力幅值r＝0.863～0.864之間時，系統(tǒng)處于混沌臨界狀態(tài)，取r＝0.8，調(diào)整系統(tǒng)至混沌到大尺度周期的臨界狀態(tài)，如圖8所示。選用四種艦船，分別稱為1型～4型艦船，分別以15節(jié)航速航行時實測到的艦船輻射噪聲數(shù)據(jù)為對象進行分析，聲吶收集信號時的采樣頻率為24000Hz，將艦船輻射噪聲信號歸一化，分別記為sJ1(t)，sJ2(t)，sJ3(t)，sJ4(t)，分別對四種信號取s1J1(t)＝[sJ1(1),sJ1(2),…,sJ1(n-1),sJ1(n)]，s2J1(t)＝[sJ1(2),sJ1(3),…,sJ1(n-2),sJ1(n-1)]，s3J1(t)＝[sJ1(3),sJ1(4),…,sJ1(n-3),sJ1(n-2)]，即將信號進行連續(xù)三點平移，將得到的平移后信號分別輸入公式(2)所示的Duffing振子檢測系統(tǒng)，得到四種艦船輻射噪聲的相空間形態(tài)：由以上Duffing系統(tǒng)輸出相空間可知，連續(xù)相移的艦船輻射噪聲信號輸入后，相空間均呈特殊形態(tài)，且這種特殊相空間形態(tài)有兩種，可以由其排列的不同進行目標(biāo)的識別。四級海況下，相對平穩(wěn)平臺上以102.4kHz采樣率采集某海域環(huán)境噪聲，如圖13所示為未經(jīng)歸一化的海洋環(huán)境噪聲時域波形。將采集到的海洋環(huán)境噪聲歸一化，輸入式(1)所示系統(tǒng)，系統(tǒng)輸出相空間如圖14和圖15所示。取此信號中不同時段部分分別輸入系統(tǒng)，仍然得到如圖14和圖15所示相空間形態(tài)，只是左右勢阱高度略有差別；收集其他海域3～5級海況環(huán)境噪聲數(shù)據(jù)，做如上處理，得到結(jié)果相同。故而，連續(xù)相移的海洋環(huán)境噪聲背景下的艦船輻射噪聲輸入式(1)所示系統(tǒng)后，得到如圖9～圖12的相空間形態(tài)，而海洋環(huán)境背景噪聲下的其它信號則不具備這種輸出相空間，利用這種復(fù)雜相空間形態(tài)可實現(xiàn)真實海洋環(huán)境噪聲背景下艦船輻射噪聲的檢測。首先計算圖3所示的混沌臨界狀態(tài)和圖4所示大尺度周期狀態(tài)相空間形態(tài)的統(tǒng)計復(fù)雜度，其次計算輸出相空間對應(yīng)的分布，由于相空間會出現(xiàn)圖4所示的中空形態(tài)，故將y軸分為上下兩層，即將相空間分割為2×n的小塊，取n＝5，取有限個數(shù)分割的前提下，均為離散型隨機變量，離散型隨機變量的分布以分布列的形式表示。分割塊數(shù)取的越大，對應(yīng)的分布越精確，分割塊數(shù)為無窮時，即得到概率密度曲線。故而可得圖3和圖4對應(yīng)的分布列，分別如表和表3所示，其中u為塊數(shù)標(biāo)號，pi為每塊對應(yīng)的概率值，保留小數(shù)點后三位。表2混沌臨界狀態(tài)相空間分布列u12345678910pi0.1040.1370.0600.1010.0770.0780.1180.0720.1440.109表3大尺度周期狀態(tài)相空間分布列u12345678910pi0.1190.1660.0550.0920.0690.0670.0910.0550.1660.120根據(jù)以上分布列可得混沌臨界狀態(tài)統(tǒng)計復(fù)雜度為0.0169，大尺度周期狀態(tài)統(tǒng)計復(fù)雜度為0.0349。同樣可得出圖9～圖12所示兩種特殊形態(tài)相空間的分布列：表4特殊相空間1分布列u12345678910pi0.0010.0010.0900.0340.1950.0860.3430.0680.1310.051表5特殊相空間2分布列u12345678910pi0.0750.2250.1350.5550.0010.0030.0010.0030.0010.001根據(jù)以上分布列，可得兩種特殊相空間分布的統(tǒng)計復(fù)雜度分別為0.1907和0.2800，由以上計算可知，特殊相空間統(tǒng)計復(fù)雜度值與正常相空間值差別較大，將閾值定為0.05，將輸入信號為g(t)每隔i個時刻，進行連續(xù)三次平移，分別輸入Duffing振子系統(tǒng)，i＝2時得到以下檢測效果，如圖16所示。圖16中，虛線為閾值大小，實線為檢測值即統(tǒng)計復(fù)雜度值，圖中1～2時刻系統(tǒng)處于臨界狀態(tài)為檢測準(zhǔn)備時刻，3～5時刻為第一個檢測時段，第4時刻有一單頻干擾信號進入系統(tǒng)，使得系統(tǒng)進入了大尺度周期狀態(tài)，此處假設(shè)單頻信號已與內(nèi)策動力同步的理想情況；8～10時刻為第二個檢測時段，目標(biāo)信號為艦船輻射噪聲；13～15時刻為第三個檢測時段，目標(biāo)信號為與第二時段不同的艦船輻射噪聲；18～20時刻為第四個檢測時段，目標(biāo)信號為具有一定復(fù)雜度的干擾信號。當(dāng)前第1頁1 2 3