2.3 线谱检测

舰艇辐射噪声一般由两种成分组成：一种是宽带噪声，主要来源于螺旋桨附近海水的空化过程，频率从零赫兹附近连续地延伸到几十千赫兹以上；另一种是极窄的线状谱（简称线谱），主要集中在1kHz以下的低频段内。图2-3为舰艇辐射噪声典型谱结构。早期，由于技术条件的限制，被动声呐只利用宽带噪声进行能量检测。随着数字技术的发展，特别是快速傅里叶变换（FFT）算法的出现，基于线谱的窄带检测与跟踪得到应用。

线谱主要是由于舰艇机械部件的往复运动与螺旋桨叶片的周期性击水及叶片共振产生的。因为这些线谱源的功率和惯性都相当大，工作条件也较稳定，所以线谱有很高的强度和稳定度。现场测量表明，潜艇线谱强度与附近连续谱1Hz内的功率相比，有的可超出10～25dB，而稳定时间达到10min以上。这一事实的重要意义，通过下面简单的估算就可理解。

为具体分析，设背景噪声和信号具有如图2-4（a）所示的功率谱。在某一处理带宽（0，W_B）内，背景噪声与宽带信号成分可视为“白”的，每一赫兹内功率分别为N_n和N_s。信号内尚含有一根线谱，已知频率为f_s，功率为S。对于所设信号与噪声条件，我们考虑使用两种检测方式。第一种是宽带能量检测，即采用如图2-4（b）所示的预选滤波和平方积分的结构。通过计算可以得出输出信噪比（下标B表示宽带）：

式（2-18）和式（2-19）表明，在S≪N_sW_B的情况下，大体上与W_B成正比。为得到大的处理增益，应取尽可能大的处理带宽W_B，这是宽带能量检测的特点。第二种是窄带能量检测，如图2-4（c）所示，先用窄带滤波器（带宽记为W_N）将线谱滤出，然后进行能量检测，这时输出信噪比为（下标N表示窄带）

式中，

注意，线谱检测是在连续谱的背景上进行的，故在计算时，把信号中的连续谱成分也看作背景噪声的一部分，式（2-20）和式（2-21）表明，与W_N成反比，为获得大的输出信噪比，应取尽可能窄的处理带宽W_N（当然，这种说法只有在积分时间T_N足够大，始终保证1/T_N≪W_N时，才能成立），这是窄带能量检测的特点。

现在比较两类能量检测器的性能。设宽带处理系统具有如下典型的工作数据：W_B=3kHz；；T_B=10s。窄带处理系统预选滤波的带宽为W_N=1Hz。假设线谱强度超过附近信号连续谱强度20dB，即。又假设线谱很稳定，在10min内不会漂移出窄带预选滤波器的范围，因而可采用T_N=600s。利用所给数据，由式（2-18）～式（2-21）可算出：

以上计算结果表明，窄带能量检测在输入信噪比方面可得到20dB的改善。由于小信号抑制效应（输出信噪比与输入信噪比的平方成正比），这种改善的实际效果达40dB。窄带能量检测在时宽带宽乘积上有44.8-27.8=17（dB）的损失。总计起来，输出信噪比提高了40-17=23（dB），这是相当可观的。若在本例中使窄带滤波器带宽W_N进一步减小到0.1Hz（这时仍能保证），则输出信噪比将再增加10dB。当然，这是以线谱的更高稳定性为条件的。窄带检测系统显著提高了处理增益，加之低频线谱传播衰耗小，若再配合拖曳阵技术，以减小本舰噪声和传播条件的不利影响，则可使被动声呐作用距离有大幅度的提高。

上面的讨论中假定了线谱只有一根，且频率f_s是已知的。实际上，舰艇的线谱是多根的，其分布随舰艇的类型、航速、深度而异，并且会随舰艇的运动产生不同的多普勒频率漂移。我们事先无法知道各线谱的频率位置。在这种情况下，为了实现窄带检测，就必须在感兴趣的低频段（如0～500Hz）内，并排设置一组密接的窄带滤波器。这实际上就等于对输入信号进行了谱分析。

线谱不仅具有特有的集中而稳定的能量可用来提高检测性能，而且其本身携带的频率信息对目标的参数估计和类型识别，也是非常有意义的。例如，精确地测定线谱的多普勒频移并实行跟踪，可以估计目标舰艇的运动参数。又如，不同类型舰艇所辐射的线谱结构是固定的，因此，对线谱进行高质量的谱估计将为目标识别提供重要依据。

综上所述，线谱检测、跟踪和识别在水下作战中具有重要意义。线谱检测、跟踪和识别在声呐的使用过程中具有十分重要的意义，而且人们对此已进行了研究，包括线谱的标准和判定准则、线谱的产生机理、线谱的特征提取等。其原因一是线谱特有的集中而稳定的能量可用来提高检测性能，二是线谱本身携带的频率信息，对目标参数估计和类型识别具有重要意义。

信号的功率谱反映了信号的许多重要特征，利用信号功率谱的连续谱和线谱特征进行目标的自动识别和分类，是声呐、雷达和噪声分析等领域信号处理的重要内容。舰艇辐射噪声的功率谱是一种典型的连续谱和线谱的叠加，其从两个方面（连续谱和线谱）反映了舰艇辐射噪声谱结构特征。