舰船地震波数据分析

【前言】舰船地震波数据分析由文秘帮小编整理而成，但愿对你的学习工作带来帮助。2.1 功率谱 功率谱是谱分析中一种常用方法。自相关函数间接地给出了随机过程中的频率信息，根据自相关函数的傅立叶变换及其逆变换，并依据自相关函数的定义，可得到： （1） 式中：为随机过程;Wi（f）为等效的单边谱密度函数，f为频率。 由式（1）能够看出，的均方值...

【摘要】本文利用功率谱分析、短时傅立叶变换方法对舰船地震波数据进行了分析，得出了“舰船地震波具有良好的‘通过特性’、较明显的频谱特征和较好的区域特性”的结论，表明舰船地震波在引信技术中具有较好的应用前景。

【关键词】舰船;引信;地震波

1.引言

地震波指由于地震活动而引起的经由大地传播的极低频声波，舰船地震波指由于舰船航行而引起的通过海底传播的低频声波[2，3]。在浅水区，由于海洋混响和多途效应的影响，舰船水声信号传播非常复杂，对水中兵器引信提出了较大挑战。地震波沿海底传播，损耗小，传播距离较远，可以作为一种较理想的舰船物理场[1]。舰船地震波的来源主要是舰船噪声，包括机械噪声、螺旋桨噪声和水动力噪声。

2.谱分析

2.1 功率谱

功率谱是谱分析中一种常用方法。自相关函数间接地给出了随机过程中的频率信息，根据自相关函数的傅立叶变换及其逆变换，并依据自相关函数的定义，可得到：

（1）

式中：为随机过程;Wi（f）为等效的单边谱密度函数，f为频率。

由式（1）能够看出，的均方值由谱密度Wi（f）对f下的面积来确定。一般意义上，功和能量与振幅的平方成正比，所以谱密度Wi（f）可以看作随机信号在单位频带内的谐波分量的能量按频率f分布的度量，称为功率谱密度函数。

2.2 短时傅立叶变换

用一个在时间上可滑动的“窗”来进行傅立叶变换，可实现在时域和频域上均具有较好局部分辨力的分析方法，即短时傅立叶变换。h（t）是中心位于且宽度有限的时窗函数，x（t）是通过h（t）观察到的平稳信号，加窗信号的傅立叶变换即短时傅立叶变换，表示如下：

（2）

式中：STFT是将信号x（t）映射到时频平面上的二维函数。随着的变化，h（t）所确定的时窗在时间轴上滑移，对信号进行分段截取，将其转化为若干段局部平稳信号，分别进行傅立叶变换后得到一组信号的局部频谱。从不同时刻局部频谱上的差异便可得到信号的时变特征。反映了x（t）在时刻的频率为f的信号成分的相对含量。

3.舰船地震波

作者利用自研的地震波传感器在湖上开展了测试试验，传感器布深20m，采样率为100Hz，被测目标为100t的民用船只。目标直线航行，其中三个航次的数据如图1～图3所示。图中，横轴为时间（采样点数），纵轴为幅值;红线指示目标通过正横的时刻。对数据的最大值进行分析，如表1所示。

可见，地震波振幅与距离之间具有较强的相关性，即距离越远振幅越小，这也符合直观理解。

4.结果分析

4.1 曲线拟合

对地震波数据取绝对值，利用钟形信号对其进行拟合，结果如图4～图6所示，横轴为采样点数，纵轴为信号幅度。可以看出，舰船地震波具有非常良好的“通过特性”，许多传统的引信技术[4]可以直接类比应用到地震波引信中。

表1 地震波振幅对比表

航次 最大振幅（单位：μg） 正横距离（单位：m）

1 96.03 11.34

2 41.40 44.24

3 26.66 61.03

4.2 功率谱分析

航次1～航次3的功率谱如图7～图9所示，横轴为频率，纵轴为幅度。可以看出舰船地震波具有“连续谱+线谱”的特征，具体的处理方法可以借鉴水声信号处理技术。针对本次的被测目标，可以看出在5Hz和10Hz处有两个较大的峰值，识别特征明显。

4.3 短时傅立叶变换分析

航次1～航次3的短时傅立叶变换结果如图10～图12所示，横轴为时间，纵轴为频率。可以看出，在被测目标通过正横时刻的前后具有明显的阴影区，表明地震波具有较好的区域特性。

5.结束语

本文利用曲线拟合、功率谱分析和短时傅立叶变换方法对舰船地震波数据进行了初步分析，结果表明：地震波具有良好的“通过特性”、较明显的频谱特征和较好的区域特性，非常适合作为引信的信息源使用。

参考文献

[1]叶平贤，龚沈光.舰船物理场[M].北京：兵器工业出版社，1992.

[2]陈云飞等.航行舰船地震波及其在水中目标探测中的应用[J].舰船科学技术，2005（3）：62-66.

[3]董立等.地震波引信设计方案的探讨[J].探测与控制学报，2008（5）：4-6.

[4]蔡.水雷引信技术[M].北京：国防工业出版社，2012.