Page 152 - 《应用声学》2025年第3期
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                                                               需求。不仅如此，带通滤波器的选择会显著影响算
             0 引言
                                                               法的性能，理想的带通滤波器在不同的目标之间变
                                                               化很大，并且通常基于试验和误差来选择                   [10] 。因此
                 近十年来，伴随着无人化、智能化技术的日
                                                               提高舰船空化噪声干扰下调制线谱提取能力，同时
             趋成熟，各种水中无人自主型设备被大量投入使
                                                               自适应选取适宜的带通滤波器频带，对于 UUV 的
             用。无人水下航行器 (Unmanned undersea vehicle,
             UUV) 由于具有隐蔽性强、自主性高、易于部署、成                         特征提取十分重要。
             本低、对人员风险低等优势，已广泛应用于勘探、极                               变分模态分解 (Variational mode decomposi-
                                                               tion, VMD) 针对非线性和非平稳信号，其本质是根
             地科考、水下搜索等非军事领域                [1−4]  以及海域侦
                                                               据分量中心频率，构造自适应最优维纳滤波器，通
             察、反潜战、水雷对抗等军事领域               [5−7] 。UUV 设备
                                                               过迭代搜索到变分模型最优解               [11] 。其可以根据信
             的大量使用，已对我国临海码头、港口、海上平台、核
                                                               号本身，对其进行分解得到滤波器，代替 DEMON
             电站等关键基础设施构成严重威胁。对这些 UUV
                                                               谱分析中人为选取的带通滤波器。VMD 被广泛用
             设备入侵的探测识别等需求日益迫切。
                                                               于轴承信号      [12−13] 、医学信号   [14−15] 、地震信号  [16] 、
                 被动探测 UUV 的重点是对其特有特征的认识
                                                               水声信号     [17−18]  分解等领域。相比于经验模态分解
             与提取。传统的 UUV 特征提取方法多是针对螺旋
                                                               (Empirical mode decomposition, EMD) 法，VMD
             桨噪声对低于 5 kHz 的频谱进行提取              [7] ，与船舶辐
                                                               不仅有严格的理论基础，且避免了模态混叠                     [12] ；相
             射噪声特征相似。然而码头、港口等近海地带存在
                                                               比于小波变换分解法根据分量的边界频率构造维
             大量频繁往来的船舶，它们相比于 UUV 等小目标
                                                               纳滤波器，VMD 是根据分量中心频率构造滤波器，
             辐射噪声强度高、持续时间久，UUV 的空化噪声等
                                                               更符合 UUV 电机高频辐射噪声的调制模型。综上，
             很难测量。
                                                               可以将 VMD 得到的固有模态函数 (Intrinsic mode
                 2020 年 Railey 等 [8]  研究了无刷直流电动机推
                                                               function, IMF) 代替人工选取 DEMON谱分析经带
             进系统用于UUV被动产生的独特高频水声特性，确
                                                               通滤波后的信号。
             定噪声的主要特征为电机的脉宽调制 (Pulse-width
                                                                   本文基于 VMD 可以根据信号分量中心频率自
             modulation, PWM) 开关频率以及被其调制的螺旋
                                                               适应构造维纳滤波器并去噪的优势，以DEMON 谱
             桨旋转产生的边带频率。并使用包络调制噪声检测
                                                               分析为核心，通过分析 UUV 电机的高频调制谱来
             (Detection of envelope modulation on noise, DE-
                                                               推断其螺旋桨转速。并研究该方法在浅海港口船舶
             MON) 分别提取水池和河流口采集的 UUV 辐射噪
                                                               干扰下，用于 UUV 特征提取和螺旋桨边带频率估
             声被 PWM 调制的边带频率特性，以获得电机极数
                                                               计的可行性。
             和电机的旋转频率。其中在水池与河流无其他干扰
             时，成功提取边带频率；但当船只通过时，DEMON
                                                               1 UUV高频辐射噪声声学特性
             频谱主要由干扰船只决定。
                 舰船辐射噪声高频段的主要部分为空化噪声，                              船舶与 UUV 的辐射噪声组成都相对复杂，均
             它是由螺旋桨高速旋转时，表面以及边缘随机产                             可分为三大类，即机械噪声、螺旋桨噪声与水动力
             生的大量气泡破裂引起的，在频谱上呈一种连续谱                            噪声   [19] 。它们的频谱特征均为线谱与连续谱的组
             特性，螺旋桨空化噪声的连续频谱在螺旋桨轴转速                            合，因此在强舰船干扰下，较难提取UUV特征。
             或螺旋桨叶片速率下被幅度调制                [8] 。当对 UUV 进           文献[9]发现并分析了UUV的无刷直流电机的
             行探测时，舰船高频段的空化噪声干扰成为一种色                            PWM 开关频率产生的独特高频辐射噪声特性，提
             噪声干扰，色噪声相比高斯白噪声更加复杂，会对                            出在电机的 f PWM 处有一个强线谱，它充当间距为
             DEMON谱分析提取UUV边带频率造成更强干扰。                          f m 的边带的载波，其是一个常数，不随速度变化，通
                 DEMON 谱分析算法常用于舰船辐射噪声中                         常在10 kHz 以上和 30 kHz以下。f m 线谱产生的原
             提取调制谱特征，以提取目标的基频、叶频和桨叶                            因是电机旋转时，作用在定子各齿上的径向力的激
             数目  [9] 。但在实际应用中，由于浅海港口有频繁往                       励产生振动频率        [20] ，其与螺旋桨转速之间的关系是
             来的船舶干扰，想通过 DEMON 谱分析得到清晰准                         当已知转速时，电机速度由边带线谱频率确定，f m
             确的线谱特征，基本 DEMON谱分析方法不能满足                          可以表示为
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