[发明专利]一种基于自适应窗长的船舶螺旋桨空化噪声调制谱特征保真增强方法

权利要求书

1.一种基于自适应窗长的船舶螺旋桨空化噪声调制谱特征保真增强方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

(1)对船舶螺旋桨空化噪声信号x[n]进行宽带平方解调，得到解调信号s[n]，n＝1，2，...，N，所述N为船舶螺旋桨空化噪声信号采样点个数；

(2)根据解调信号s[n]预估解调谱P[l]，其中，l＝0，1，...，N/2-1，l为P[l]的离散频率索引，检测解调谱线谱位置f_k，并计算各线谱频域信噪比SNR_k和频率精测值其中，k＝1，2，...，K，K为检测出的解调谱线谱根数；

(3)确定各线谱频率相对于螺旋桨轴频频率预估值f_p的谐波次数r_k；

(4)根据线谱频域信噪比SNR_k和频率谐波次数r_k对各线谱频率精测值进行加权融合，估计螺旋桨轴频频率

(5)根据估计的螺旋桨轴频频率自适应调整解调谱分析窗长N，对解调谱进行二次估计，获取调制谱特征保真增强的船舶螺旋桨空化噪声解调谱；

在步骤(1)中，获取解调信号s[n]的方法如下：

(1-1)获取船舶螺旋桨空化噪声信号序列为x[n]，空化噪声信号序列的采样频率为f_s，将空化噪声信号序列x[n]通过通带范围为[f_L，f_H]的带通滤波器，得到带通信号x₁[n]，其中，f_L和f_H分别为带通滤波器通带范围的下限频率和上限频率；

(1-2)对带通信号x₁[n]进行宽带平方解调，得到解调信号x₂[n]；

(1-3)去除解调信号x₂[n]的直流分量得到：

x₃[n]＝x₂[n]-E(x₂[n])

其中，E(x₂[n])是求x₂[n]的均值；

(1-4)将解调信号x₃[n]通过通带截止频率为f_c的低通滤波器，得到低频解调信号s[n]，n＝1，2，...，N；

在步骤(2)中，根据解调信号s[n]预估解调谱，对解调谱进行线谱位置检测，并计算出各线谱频域信噪比和频率精测值，方法如下：

(2-1)计算s[n]的离散傅里叶变换为：

其中l为S[l]的离散频率索引，j表示虚数单位，即

(2-2)依据S[l]计算s[n]的功率谱，即对船舶螺旋桨空化噪声信号的解调谱进行预估计：

其中，l为P[l]的离散频率索引，||代表取模值运算；

(2-3)将解调谱P[l]通过J阶中值滤波器得到解调谱P[l]的趋势项C[l]，l＝0，1，...，N/2-1；

(2-4)计算解调谱P[l]与趋势项C[l]的差值谱D[l]：

D[l]＝P[l]-C[l]，l＝0，1，...，N/2-1

(2-5)将差值谱D[l]规范化得到规范化差值谱：

其中，Std(D[l])是求D[l]的标准差；

(2-6)设定幅度门限G提取解调谱线谱，若D₁(l)满足如下条件则判为解调谱线谱：

假设共提取出K根解调谱线谱，第k根线谱在D₁[l]中的离散频率索引为I_k，则第k根线谱的频率为：

f_k＝I_kΔf，k＝1，2，...，K

其中，Δf为长度为N的离散傅里叶变换的频率分辨率，Δf＝f_s/N，计算第k根线谱的频域信噪比为：

(2-7)取S[l]在离散频率索引(I_k-1)，I_k，(I_k+1)处的模值，分别记作A_k1，A_k2，A_k3，即A_k1＝|S[I_k-1]|，A_k2＝|S[I_k]|，A_k3＝|S[I_k+1]|，利用所述模值A_k1，A_k2，A_k3计算第k根解调谱线谱频率Rife差值的相对偏差δ_k，即：

(2-8)插值出第k根解调谱线谱的频率即

在步骤(3)中，采用如下方法确定各解调谱线谱频率精测值相对于螺旋桨轴频频率预估值的谐波次数r_k：

(3-1)利用最大公约数法对螺旋桨轴频频率进行预估，具体包括如下步骤：

(3-1-1)对K根有序解调谱线谱频率相互间求差频：

将差频数组{F_u，v}中的元素从小到大排序，得到新的差频数组{F_w}，w＝1，2，...，W，其中W为差频数组中差频的个数；

(3-1-2)统计差频数组中与差频F_w的频率之差在不超过2Δf的差频个数，定义为该差频的同频品质因数Q_w，Q_w初始值设为0，若

则F_w对应的同频品质因数Qw加1；

(3-1-3)根据同频品质因数对差频数组{F_w}中频率相近的差频进行归并，若

则将该两个差频之中同频品质因数小的差频从差频数组{F_w}中删除，若两个差频的同频品质因数相等，则同时保留，记得到的新差频数组为{F_m}，设共有M个差频，并将差频F_m的同频品质因数记为Q_m1，m＝1，2，...，M；

(3-1-4)用每一根解调谱线谱的频率精测值除以差频数组中差频F_m的值，若满足

则F_m对应的倍频品质因数Q_m2加1，Q_m2初始值设为0，其中是求的四舍五入值；

(3-1-5)定义差频频率F_m的轴频属性品质因数Q_m为Q_m1与Q_m2之积，即

Q_m＝Q_m1Q_m2，m＝1，2，...，M

轴频属性品质因数Q_m最大的值对应的差频频率F_m即为轴频频率预估值，记为f_p，若存在两个差频频率的轴频属性品质因数相等，则选择差频频率较大的作为轴频频率预估值；

(3-2)判断每一根解调谱线谱的频率精测值是否为轴频频率预估值f_p的谐波频率，若满足

则将频率精测值判为轴频频率预估值f_p的谐波频率，保留该解调谱线谱，否则将该线谱频率精测值从解调谱线谱频率精测值序列中删除，同时解调谱线谱根数K减1；

(3-3)计算第k根解调谱线谱的频率精测值相对于轴频频率预估值f_p的谐波次数r_k