Numerical prediction of envelope line-spectrum intensity in underwater acoustic waveguides

In order to predict the detectible range and region of passive sonar in underwater channel,the attenuation causes of envelope line-spectrum height during vessel noise propagation are analyzed and an approach of numerical prediction is proposed.In the paper a model for vessel radiated noise is established by a periodically locally stationary random process,two formulae of the envelope line-spectrum height with and without background-noise are deduced, therefore the attenuation rule of the envelope line-spectrum height is obtained.It is shown that the transmission loss of the sound level of the envelope line-spectrum is same as the sound level of the stationary spectrum,but the decrease of envelope line-spectrum height depends on a modified scale of amplitude modulation depth which is variable with the ratio of signal to noise. An approach of numerical prediction for envelope line-spectrum height is as follows：first,the transmission loss of the stationary radiated noise is derived using the numerical approaches of normal modes or wavenumber integration or PE etc.,then the ratio of signal to noise on sound field is calculated,finally the decrease of envelope line-spectrum height is obtained according to the modified scale,and the envelope line-spectrum height in sound field is predicted.The theory and the numerical prediction approach possess certain innovation,practicality,simplicity and suitability for engineering.

A detecting method for line-spectrum target by fusing output DC jump to fluctuations ratio of sub-band spatial spectrum and beam space

The low frequency line components of the radiated noise from an underwater target usually have both high spectrum level and sustained stability. This feature could be used to increase the detection performance of conventional broadband energy integration method. The required spectrum level is theoretically discussed when the detection performance of the known line detection is better than that of broadband energy integration method. Under the condition of the target can be detected in line spectrum band, the relationship between the line spectrum level and signal to noise ratio （SNR） is also discussed. This paper proposes a line spectrum target detection method that a matrix using DC jump to fluctuations ratios of sub-band spatial spectrum and beam space output is constructed. This matrix acts as a filter that the line spectrum target with certain frequency and azimuth is passed at most. By fusing with the other sub band results, the conventional detection performance can be improved. At the same time, the applicable condition and detection performance are analyzed in the paper. The simulation and the sea trial data processing results show that the algorithm can effectively extract weak goal line spectrum target under the condition of multi-interference. The algorithm doesn＇t need multi-frame statistics and the detection performance is closer to the optimal line spectrum method.

FFT Nuttall 窗四谱线插值修正谐波检测算法

利用传统傅里叶变换进行谐波信号分析时,由于很难严格做到同步采样,整周期截断,从而不可避免地产生频谱泄露与栏栅效应,降低了检测结果的精确性。为了提高检测结果精确度,在FFT(Fast Fourier Transformation)的基础上,对Hann窗、Blackman窗、Blackmanharris窗、Nuttall窗的四谱线插值算法进行了研究,通过多项式拟合推导出不同余旋窗四线插值对应的幅值、频率、相位的修正公式。并在Matlab上对不同余旋窗四线插值算法进行仿真实验,与对应余旋窗的三谱线插值算法进行对比分析,结果表明四项三阶Nuttall窗的四谱线插值算法幅值精确度可达到10^(-5)~10^(-9)数量级,频率精确度可达到10^(-8)~10^(-9)数量级,相位精确度可达到10^(-3)~10^(-7)数量级,与其它算法相比精确度更高,旁瓣性能更好,能更好地抑制频谱泄露与栏栅效应。

Passive sonar identification Ⅰ:Overall framework and extraction of line-spectrum

This series of papers deal with vessels-target recognition. The project is conducted by using fuzzy neuraI networks and basing recognition on the spectra of vessel radiated-noise. Paper (Ⅰ) describes the characteristics of vessel radiated-noise spectra, which are composed of two distinctive categories: the stationary and the non-stationary. The project framework is introduced in the paper. It includes two steps. One is to extract effectively recognizable features (those common in one category and those distinguish categories). The other is to memorize the characteristics of specific vessel targets. The memorization is realized with characteristics pattern plate library of specific vessels (including line spectrum, double-frequency spectrum and average power spectrum pattern plate library). Detailed discussions on theories, models, parameter analysis, line-spectrum extraction methods, as well as gaps between reality and theory concerning vessels radiated-noise are also included in Paper (Ⅰ). Paper (Ⅰ) finally proposes a method of automatic extraction of line spectrum by using machines. Paper (Ⅱ) will discuss the stability, uniqueness of line spectrum and its pattern plate. Paper (Ⅲ) will focus on the extraction of features from double-frequency spectrum and average power spectrum, and the establishment of their pattern plates. Paper (Ⅳ) will discuss fuzzy neural networks and recognition approaches

基于光纤光栅的输电导线振动频率在线监测系统

架空输电导线受微风振动形式最为普遍,其在设计时风荷载是需要考虑的主要因素之一。文章利用光纤光栅具有抗电磁干扰强的特点,将光纤光栅应变计用于测量架空导线的振动监测。光纤光栅应变计将导线的振动信号转变为光的波长变化信号,光信号经光纤传输到OPM(optical performance monitor),OPM将采集的数据传输到单片机进行频谱分析,提取导线振动频率,单片机控制GSM模块将相关数据发到上位机,进行数据分析与处理。实验结果表明,系统能够有效监测导线振动频率,精度达到0.01 Hz。

Prediction of line-spectrum noise induced by high speed vehicle counter-rotation propellers in water

Line-Spectrum noise of counter-rotation propellers has constructed the main part of the radiated noise of high speed vehicles in water. The line-spectrum noise of the counter-rotation propellers is due to the interaction between fore or aft propeller and wake of the vehicle,and the interaction between fore and aft propeller. Based on a combination of the lifting surface theory and acoustic method, the prediction of line-spectrum noise is presented in this paper.Theoretical calculation method, characteristics and numerical prediction of the line-spectrum noise are detailed too. The effect of different wake and different distance between fore and aft propeller on the propeller noise is also studied by numerical method. The agreement of predicted results compared with existing experimental data is quite satisfactory.

船用机械系统线谱展频技术研究

机械系统线谱噪声是重要的水声探测和识别特征,减振降噪技术主要针对其量级进行控制。针对线谱能量在频域集中的特征,提出一种展频运行策略,可在功能不变的同时将其能量在频域进行展宽,削弱其可供识别的频域特征。船用离心泵台架试验表明,提出的展频运行策略工程可行,随着频率分辨率的细化降低线谱峰值的效果可达7~15 dB。

基于随机森林的发电机定子线棒局部放电图谱特征识别方法

发电机定子线棒局部放电的在线监测和故障诊断对于电机故障预警、故障定位和指导机组检修有重要意义。目前存在部分不同类型局部放电相似度高,模式识别方法计算时间过长的问题,需要高精度和高效的识别方法,为此提出一种基于随机森林的定子线棒局部放电识别方法。制备了6种类型定子线棒,用特高频天线检测局部放电信号,基于相位分布局部放电(PRPD)图谱比对,提出参数幅值不对称度。基于随机森林方法识别缺陷类型,计算特征重要性,选择有效特征。最后,可视化特征相似度,与传统反向传播(BP)神经网络方法对比,验证有效性。结果表明:随机森林算法可以有效识别人工缺陷定子线棒局部放电,总体识别正确率达到93.33%。筛选半数特征后,随机森林比BP神经网络的准确率提高了10.83%,特征选择对随机森林的准确率影响很小,但识别效率大幅提高。随机森林在少量特征时识别准确率、计算时间都明显优于神经网络。幅值不对称度参数的重要性排在全部特征前1/3,具有推广价值。

基于窄带频谱分析的电力线载波通信干扰过滤技术

电力线路载波通信受到背景噪声、脉冲噪声等方面干扰因素影响,导致通信信号质量下降,为此提出一种基于窄带频谱分析的通信干扰过滤技术。首先构建近似模型分析通信信号特征,利用马尔可夫链模拟信道上脉冲噪声状态。然后基于窄带频谱分析算法,在信号频谱周期图下,利用正交数据窗分离直接频谱,筛选估计方差以避免频谱泄漏事件的发生。利用傅里叶变换计算特征频谱,估计信号能量的集中特性,分析通信信号,平衡信号振幅和干扰抑制。最后通过时频峰值实施干扰滤波,有效保证电力线载波通信信号质量。经过实验数据分析证明,所提技术的载波干扰幅值最小值为1.1 dB,载波通信信号误码率平均值为1.9%,方法耗时平均值为3.8 s。

燃煤锅炉温度场与高温腐蚀气氛场同步在线检测装置开发及应用

燃煤锅炉主燃区燃烧场的经济性、安全性和环保性对于智慧电厂建设具有重要意义。其中,水冷壁近壁面高温腐蚀H_(2)S和CO气体浓度的实时在线监测尤为重要。为实现燃煤锅炉主燃区温度场和高温腐蚀气氛场的同步测量,基于红外热成像原理,采用Optris-PI1M小型红外热成像仪,基于LabVIEW温度实时采集应用软件,在炉膛的观察口对主燃区温度场进行连续监测。以低成本1.5μm附近的通信波段激光器作为测量高温腐蚀气体H_(2)S和CO的激光光源,并结合波长调制光谱技术和频分复用技术,以实现H_(2)S和CO气体浓度的同步检测。线性度实验表明,其线性拟合相关系数为0.9995。将研制的同步检测仪器对某300 MW四角切圆燃煤锅炉的主燃区的温度场和气氛场进行了现场应用试验。现场测试结果表明,锅炉主燃区温度主要分布范围在1300~1400℃,最高温度达到了1500℃;同时得到了锅炉主燃区的H_(2)S和CO浓度分布,H_(2)S浓度在12~125 mg/m^(3)的范围内波动,而CO浓度主要分布在10%~20%之间,最高可达22%;炉内H_(2)S和CO的浓度呈正相关,氧气浓度保持在1%以下,由于厌氧燃烧会导致两种气体的含量增加,从而造成对水冷壁近壁面的高温腐蚀。

架空输电线路非平稳台风风场数值模拟与验证

为了实现架空输电线路非平稳台风风场模拟,考虑非平稳脉动风场的紊流强度和阵风因子特性及其影响,提出了一种架空输电线路非平稳台风风场的模拟方法。首先利用Spline插值方法生成时变平均风速,采用更新时变平均风速的谐波合成法模拟脉动风速,然后基于三向风谱功率密度函数,构建了台风风场的时变功率谱,计入风场空间上的相关性,获取了调制进化功率谱,并与模拟台风功率谱比较;最后以沿海500 kV架空输电线路为例,验证了台风模拟方法的合理性。研究结果表明:随着基本时距的增加,台风的非平稳因素所占比重越大;所提出的输电线路非平稳台风模拟方法合理有效。

基于时-频注意力机制网络的水声目标线谱增强

为提高被动声纳对水下低噪声安静型目标的检测,研究者开始关注基于深度学习的线谱增强方法,其中,基于LSTM的线谱增强网络由于同时具有时域和频域的非线性处理能力,具有很强的灵活性,然而其性能还需要进一步提升。为此,该文提出了基于时-频注意力机制的网络模型(TFA-Net),通过在LSTM模型的基础上同时增加时域注意力机制和频域注意力机制,充分利用了目标信号在时域和频域的双重重要特征,提升了对LOFAR谱的线谱增强效果。TFA-Net中的时域注意力机制利用LSTM隐藏状态之间的关联性,增加了模型在时域的注意力,频率注意力机制通过将深度残差收缩网络中收缩子网络的全链接层设计为1维卷积层,增加了模型在频域的注意力。相比于LSTM,TFA-Net具有更高的系统信噪比增益:在输入信噪比为–3 dB的情况下,将系统信噪比增益由2.17 dB提升到12.56 dB;在输入信噪比为–11 dB的情况下,将系统信噪比增益由0.71 dB提升到10.6 dB。仿真和实测数据的实验结果表明,TFA-Net可以有效提升LOFAR谱的线谱增强效果,解决低信噪比下水下目标的检测问题。

利用近场法向声能流调控远场低频线谱噪声的自适应控制方法

针对水下结构远场低频辐射噪声的控制问题,提出了基于水下结构近场法向声能流的噪声自适应控制方法。该方法以结构近场的法向声能流作为控制物理量,利用有源控制系统自适应调节次级声源,抑制结构法向方向上的能量传播,实现远场低频辐射噪声控制。以圆柱壳为模型的试验结果表明,在1000~3000 Hz的频段内,相比于传统的以近场声压作为控制物理量的有源控制方法,能流法能够在保证总辐射声功率不升高的前提下,实现远场周向52.8%~76.3%区域内的噪声控制,且频率越低,降噪范围越广。

基于多频线谱陷波的动力总成振动主动控制研究

针对汽车动力总成系统振动频率存在阶次多、单个阶次振动频带窄等问题,提出了一种基于滤波-x最小均方算法改进的多频线谱陷波振动主动控制方法.首先,该方法基于转速信号来获取多个阶次振动频率的参考信号,再通过最小均方滤波器来计算获取这些阶次振动频率的抵消信号.其次,该方法根据不同频率阶次振动信号的正交性,进一步以线性叠加计算来获得主动悬置的控制信号,最终实现对多频线谱振动的主动控制.和传统滤波-x最小均方算法相比,本算法改进了参考信号和控制信号的获取方式,因此有着更少的计算量、更快的收敛速度等优势.仿真和试验结果显示,所提方法比传统滤波-x最小均方算法,在收敛次数方面减少了81.25%,稳态误差下降了15%.其中,在怠速工况下,和传统滤波-x最小均方算法比,最高降低了34.01 dB,在定置上升全油门工况下,总振级最高下降了17.5 dB.

利用盲反卷积和混沌振子增强船舶辐射噪声解调线谱

针对经典解调方法中心频率、带宽选择困难和解调线谱受带外噪声干扰难以分辨等问题,提出采用盲反卷积和混沌振子方法抑制带外噪声,增强船舶噪声解调线谱。该方法通过Duffing振子预检宽带船舶噪声低频弱周期信号,随后将相应频率作为最小噪声幅值比反卷积(MNAD)方法的先验参数,利用MNAD方法自适应搜索解调频带得到可清晰分辨的高信噪比解调线谱。仿真和实测数据分析表明,该方法较经典解调方法和其他盲反卷积方法,可获取更佳的中心频率和滤波带宽,所得解调线谱的窄带信噪比DF值最高。

基于单矢量水听器的水中目标高分辨线谱增强方法

微弱信号检测一直是被动声呐系统远程探测面临的技术挑战。为了解决水下微弱信号条件下,即低信噪比(SNR)情况下,目标线谱检测难点问题,本文基于单矢量水听器信号接收,提出一种水下目标声压振速频域解卷积联合(CPVD)处理方法,可以实现线谱增强以及提高频域分辨率。采用单矢量水听器接收,保证声呐系统体积小,同时利用其具有指向性这一特点,可以抑制噪声,提高信号增益。在此基础上,通过CPVD算法对水中微弱信号进行线谱增强,实现有效检测。本文提出的方法克服了一些增强算法以及功率谱分析算法需要一定的先验知识以及频域线谱分辨率较低的缺点,从仿真分析和海试数据处理结果可以看出:本文所提出的基于单矢量水听器的水下目标线谱增强算法在低SNR条件下提高频率分辨率方面具有优势,为被动声呐系统微弱信号下的线谱检测提供有效算法。

多线谱干扰下的盔内语音通信降噪算法研究

航天服头盔内语音通信系统工作时,受到来自航天服自身的风机、泵、通风气流所产生的噪声影响,通话质量下降严重。传统降噪方法能有效抑制宽带噪声,但对线谱干扰的抑制较弱。文章以此为出发点,开展了多线谱干扰下的语音降噪算法研究,设计了一种自适应线谱检测方法,可有效识别线谱,定位其所处频带,在抑制宽带噪声的同时,进一步抑制线谱干扰。文章结合盔内实录噪声数据对算法进行了验证,结果显示,相对于传统降噪方式,文中方法对多线谱干扰的抑制能力更强,语音客观语音质量评估得分提高约6%。

基于反射系数与核函数构建的新型电缆缺陷诊断方法

为解决现有的电缆局部缺陷检测方法中缺陷定位效果差、缺陷类型判断困难等问题,提出一种基于反射系数谱(RCS)的新型电缆缺陷诊断方法。首先,利用电缆线路的分布参数模型,建立了含局部缺陷电缆线路的RCS数学模型,根据RCS数学模型,确定合理的核函数,设计出基于RCS的新型缺陷诊断函数,该缺陷诊断函数的极值峰可用于定位电缆线路中的缺陷,并确定缺陷的类型、严重程度等特征;然后,对不同类型与严重程度的电缆线路缺陷进行建模仿真诊断,测试该方法的可行性与准确性;最后,在同轴电缆与10 kV电力电缆上设计了局部缺陷,并用该方法对真实电缆缺陷进行诊断分析。仿真与实测结果表明,该方法能精准地定位电缆线路中的缺陷,并且可以准确地判断出缺陷的类型与严重程度,说明了该方法的实用性,且具有较高的实际工程价值。

频率−波数域处理的线谱目标增强检测

针对复杂水下环境中的弱线谱目标检测问题,提出了一种基于频率−波数域处理的增强检测方法。该方法利用线谱目标的时空相干特性,构建适配于均匀线列阵处理的频率−波数域二维联合滤波器,通过自适应迭代方式实现对线谱目标的二维增强;在此基础上,将频率−波数域的主瓣检测累积结果作为方位谱的输出,实现对线谱目标的方位高分辨。仿真结果表明,该方法对带宽内信噪比−35 dB线谱目标的处理增益可达21.3 dB,方位分辨率在0.3°内。利用海上实测数据进行验证,该方法对线谱目标的处理增益可达8 dB。与CBF、SSED等宽带处理方法相比,该方法具有更高的线谱目标处理增益;与ALE、STJD等线谱处理方法相比,该方法具有更低的旁瓣起伏和更高的目标方位分辨率。

基于谱元法的加肋圆柱壳声振有源控制研究

加肋圆柱壳是水下航行器的主要声发生器,控制加肋圆柱壳结构振动和水下辐射噪声中的低频线谱成份,对提高水下航行器声隐身性能具有重要意义。针对复杂加肋圆柱壳结构振动响应计算、线谱有源控制次级力源作用位置和大小优化计算难题,提出了基于精细区域分解谱元法的加肋圆柱壳结构振动响应计算半解析方法,采用壳体外法线方向位移响应均方值最小的控制策略,建立了复杂加肋圆柱壳线谱有源控制理论方法。利用该方法计算分析了激励力与次级力源之间的相对位置对加肋圆柱壳结构振动和水下辐射噪声的影响,掌握了次级力源安装位置对线谱成份控制效果的影响规律。试验结果表明,该方法可有效控制加肋圆柱壳结构振动中的低频线谱成份,为水下航行器声隐身性能设计提供了新方法。