[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

说明书

本发明公开了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，该方法包括如下步骤：第一步：对船舶螺旋桨空化噪声信号进行宽带平方解调；第二步：预估解调谱，检测解调谱线谱位置，并给出各线谱频域信噪比；第三步：确定各线谱频率相对于螺旋桨轴频频率预估值的谐波次数；第四步：对各线谱频率进行加权融合，估计螺旋桨轴频频率；第五步：根据估计的螺旋桨轴频频率自适应调整解调谱分析窗长，对解调谱进行二次估计。本发明利用船舶螺旋桨空化噪声各解调谱线谱频率和螺旋桨轴频频率之间存在的固有整数倍关系，根据估计的螺旋桨轴频频率自适应调整解调谱分析窗长，对解调谱进行二次估计，获取调制谱特征保真增强的解调谱。

技术领域

本发明属于信号处理技术领域，尤其涉及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。

背景技术

螺旋桨噪声包括螺旋桨空化噪声和螺旋桨旋转噪声两大主要成分。螺旋桨空化噪声是由螺旋桨旋转时产生的大量气泡破裂引起的。由于这些气泡大小不等且随机破裂，空化噪声具有平稳连续谱的性质。而螺旋桨旋转噪声又被称为“唱音”，这是由于螺旋桨旋转时，大量气泡的产生和破裂具有准周期的特点而引起的。相关文献和实验表明“唱音”表现为叠加在连续谱上的线谱分量，其频率与螺旋桨的转速和叶片数直接相关，满足关系：f_i＝i*n_b*f_p，其中n_b为螺旋桨的叶片数，f_p为螺旋桨轴频频率，i是谐波次数，f_i是相应的频率。可以看出，各线谱间存在谐波关系，轴频频率为各次谐波频率的基频频率。另外，在舰船航行过程中，螺旋桨叶片的高速旋转会对螺旋桨空化噪声的幅度产生周期性调制。因此，螺旋桨噪声存在包络周期调制，调制频率为螺旋桨转动的轴频、叶频，载频为螺旋桨空化噪声。

通常采用宽带平方低通检波法获取螺旋桨空化噪声的调制信号，然后采用周期图法对解调谱进行分析，推断螺旋桨转速和叶片数。实际处理中，由于螺旋桨空化噪声信号持续时间有限或计算机处理需要，用离散傅里叶变换做谱分析，在采样的同时必须在时域中对其截短，这就可能发生频谱泄露。频谱泄露会降低解调谱线谱特征信噪比、破坏真实解调谱线谱特征结构。因此，在解调谱分析中应设法降低周期信号的非整周期截短带来的频谱泄露。

目前国内外学者提出了许多降低周期信号非整周期截短带来的谱泄露的方法，主要有：(1)在截短时用汉宁窗取代矩形窗，该方法虽然能够在一定程度上降低谱泄露，但加汉宁窗会使离散傅里叶变换的结果有更宽的旁瓣；(2)将小波变换与离散傅里叶变换组合，即将小波变换用于原始信号采样，然后用离散傅里叶变换去做谱分析，虽然该方法能提高频率估计精度，但并未从根本上减小周期信号非整周期截短带来的谱泄露；(3)基于迭代相关计算自适应地估计用于消除周期信号非整周期截短离散傅里叶变换谱泄露的窗长，该算法虽然原理简单易于实现，但要求信号具有较高信噪比，在信噪比低于一定门限时，窗长估计精度随着信噪比的降低急剧下降。

发明内容

发明目的：针对上述现有方法存在的问题和不足，本发明提供了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，该方法利用船舶螺旋桨空化噪声各解调谱线谱频率和螺旋桨轴频频率之间存在的固有整数倍关系，基于线谱频域信噪比和频率谐波次数，对各线谱频率进行加权融合估计螺旋桨轴频频率，然后根据估计的螺旋桨轴频频率自适应调整求取解调谱的分析窗长，获取调制谱特征保真增强的船舶螺旋桨空化噪声解调谱。

技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：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，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；