【分　 类】 机械与建筑工程
【关 键 词】 轴频估计；特征线谱；潜艇螺旋桨
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正文：

当窗函数取高斯函数，即时，STFT具有最小的时宽-带宽乘积^[2]，即可得到最好的时间分辨率和频率分辨率。
对于实际的潜艇辐射噪声分析，需要将离散化。对于离散序列信号，其n时刻的短时段数据可定义为：
          (4)
则式(1)的离散化形式为^[2]：
 (5)
其实现原理如图1所示：

图1 离散STFT的时域实现原理框图
为了检验仿真结果的有效性，采用包含8个瞬态信号的模拟潜艇螺旋桨噪声信号作为输入，利用STFT分析法仿真得到此时对应的时频分析图如下：
 

时间（ms）

图2 基于STFT分析法的时频分析图
模拟的潜艇辐射噪声输入信号中含有8个瞬态信号，其频率分别为0.45kHz、0.2kHz、0.85kHz、0.35kHz、0.5kHz、0.6kHz、0.48kHz、0.39kHz，采样频率为10kHz。从图3.2可以较为清晰地看出这8个瞬态信号，在0.5kHz、1kHz、1.25kHz处还存在三条明显的直线，这是海洋综合背景噪声的干扰造成的，因为模拟的海洋综合背景噪声是由三个频率分别为0.5kHz、1kHz、1.25kHz的正弦信号与随机高斯噪声叠加而成。所以，应用STFT分析法提取潜艇辐射噪声中的特征线谱是可行的，方法简单，效果较好，为潜艇螺旋桨的轴频估计奠定了基础。
3 潜艇螺旋桨轴频估计方法研究
    前面谈到，利用螺旋桨噪声产生的离散线谱可以估计出螺旋桨的轴频，进而估计出螺旋桨的叶片数和转速，但是实际上，螺旋桨轴频的自动估计是一件非常困难的事，其主要原因是^[3,4]：
(1)在海水中，无论是背景噪声，还是宽带调制信号往往都是起伏的，而在解调处理过程中也会产生起伏的噪声背景。即使对应同一调制信号的线谱，不同时刻的线谱幅度是不同的。由于线谱幅度的不稳定性，在进行线谱检测时，幅值较低的线谱就会被漏检，因此很难获得较高的线谱检测概率。线谱的不稳定性在调制谱图中表现出谱线时强时弱的现象，严重时还会出现断断续续的现象。
(2)由于潜艇存在多个调制源，接收的水声信号中还叠加了海洋环境噪声、水声探测平台的自噪声等，因此，在计算出的解调谱中，除了螺旋桨及其谐波对应的线谱外，不可避免地会包含机械噪声产生的线谱和其它宽带调制源或噪声等形成的线谱。
(3)如果螺旋桨加工不对称，或者生锈、破损，其转动时可能会产生抖动，再加之估计出的线谱位于离散的频率点上等原因，即使是对应螺旋桨轴频、叶频及其谐波的线谱之间，也往往不是严格成倍频关系，而是存在一定的误差。断点、干扰和线谱之间不严格成倍频关系直接影响了螺旋桨轴频的准确估计，并且信噪比越低，影响也越严重。
DEMON谱分析方法^[5]是估计轴频、叶频的重要方法，但是在实际处理中，由于上述原因，单纯采用DEMON谱分析方法来估计轴频、叶频的效果并不理想。为此，一些学者对DEMON谱分析方法进行了改进^[3,6]，在一定程度上提高了估计轴频、叶频的性能。本文在这些研究的基础上提出一种轴频估计方法，基本原理图如下：

图3 潜艇螺旋桨轴频估计原理
在得到潜艇辐射噪声的时频分析图后，需要先将线谱与连续谱分离，再检测螺旋桨噪声线谱并进行净化，而这是以螺旋桨噪声线谱的特性为依据的。
(1)螺旋桨噪声线谱具有集中而稳定的能量，且线谱强度超过附近宽带连续谱强度10~25dB；
(2)当频率分辨率较高时，线谱都是窄带分量，其宽度一般不会超过3Hz，则有效带宽超过3Hz的噪声为虚警干扰；
(3)螺旋桨噪声线谱一般具有谐波关系，各阶谐波分量均是轴频的整数倍，轴频是各谐波分量的最大公约数。
采用文献[1]中的方法来分离线谱和连续谱，即先从潜艇辐射噪声中提取慢变化的趋势项(连续谱)，再从整个噪声谱中减去趋势项；然后，结合潜艇辐射噪声的时频分析图来进一步优化线谱和连续谱的分离。
线谱检测与净化算法如下：
(1)对采用STFT分析方计算的谱值进行线谱识别，保留识别出的线谱点的谱值，其余点的谱值置零；
(2)对K时刻的非零线谱点向前后搜索，将相邻线谱间隔小于3Hz的线谱归并为一根线谱，统计线谱出现次数；
(3)剔除线谱出现次数小于设定门限的非零线谱点，对于线谱出现次数大于设定门限的点予以保留，并进行丢失线谱产生处理；
(4)分段去除虚警噪声线谱；
(5)输出K时刻的线谱检测结果，更新数据，重复执行以上步骤，直至结束。
潜艇辐射噪声经过采样、线谱与连续谱分离、线谱检测与净化处理后，得到M根线谱，。但是，由于多途干涉的影响，可能会造成漏报，丢失某阶线谱，导致丢失轴频或某些叶频；由于噪声干扰，也可能产生若干假线谱频点；另外线谱序列中的最小值也不一定是螺旋桨轴频，最小值也可能是噪声虚警。因此，在理想情况下，是一个等差级数，但实际情况下其通常已经被污染了。
针对以上情况，设K时刻共检测出P个线谱点，分别位于第个频率点上，提出螺旋桨轴频估计算法如下：
(1)计算各线谱间的差频。

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