基于火箭發(fā)動機的脈沖信號檢測

張海波，蘇瑞群，鄒清府，胡偉凡，劉培培，王 斌

（江南工業(yè)集團，湖南 湘潭 411207）

0 引言

當前近海水下防御進入新的階段，其他各國也對近海防御表現(xiàn)出很高的關注度?；鸺l(fā)動機相比傳統(tǒng)的電推力等發(fā)動機具備結(jié)構(gòu)簡單、爆發(fā)力強、可快速提高水下裝備航行速度等優(yōu)勢，使其應用較為廣泛[1]。然而，火箭發(fā)動機工作時產(chǎn)生的強背景噪聲會淹沒任何水下聲信號[2]，傳統(tǒng)方法難以檢測出高信噪比脈沖信號，因此固體火箭發(fā)動機水下脈沖信號檢測研究具有重要的意義，這將為水下火箭發(fā)動機強背景噪聲下目標信號檢測提供新的思路。

1 火箭發(fā)動機噪聲機理分析

固體火箭發(fā)動機在水下工作時，發(fā)動機開機后，由于火藥燃燒，在腔體內(nèi)產(chǎn)生高能射流。該射流具備較強的壓強，從噴管口噴出[3]，推動載體向前高速運動，包裹發(fā)動機噴口的水向后方推開。與此同時，強大的射流產(chǎn)生具備一定速度的空氣氣泡[2]，這種大氣泡在水壓的作用下不斷地破裂，演變?yōu)檩^大的多個氣泡。然后，這些較大的氣泡在沿火箭噴口相反方向高速運動的過程中，又不斷地破裂，產(chǎn)生更多的小氣泡。在此過程中，氣泡破裂會產(chǎn)生復雜的噪聲，這些噪聲的頻率復雜多變。其中，噪聲強度與火箭發(fā)動機能量有關，發(fā)動機振動也會帶來低頻方面的能量。圖1（a）包括了火箭發(fā)動機開機前后的時域數(shù)據(jù)變換情況，發(fā)動機開機前，水下噪聲平穩(wěn)安靜，點火后，噪聲水平迅速抬升。圖1（b）是對應的本地噪聲和發(fā)動機開機后噪聲的頻譜。由圖中可以看出，水下火箭發(fā)動機噪聲遠遠高于背景噪聲，且在整個頻段均高出本地噪聲約40 dB。

圖1 火箭發(fā)動機開機前后噪聲及頻譜Fig.1 Noise and frequency spectrum of rocket engine before and after ignition

2 自適應消噪與濾波

自適應濾波器可以根據(jù)環(huán)境的改變，使用自適應算法來改變?yōu)V波器的參數(shù)和結(jié)構(gòu)，完成對輸入信號的濾波功能。其特征就是可以在未知和復雜環(huán)境下有效工作，并能夠跟蹤輸入信號的時變特征。其中，自適應消噪和濾波為自適應濾波器的2個主要應用方向。

自適應消噪流程如圖2所示，期望信號d(n)為信號與噪聲之和，即d(n) =x(n) +N(n)，作為自適應消噪器的輸入，是與噪聲相關的另一個噪聲。當x(n)和N(n)不相關時，利用噪聲的相關性，自適應消噪器自調(diào)參數(shù)，以使得y(n)成為N(n)的最佳估計。此時e(n)將逼近信號x(n)，噪聲N(n)得到一定程度的抵消。如果參考通道除檢測到的噪聲N'(n)外，還收到信號分量，則自適應干擾抵消器輸出中將包含信號分量，從而使噪聲對消效果變壞[4-5]。因此，為獲得良好的噪聲對消性能，應使參考通道檢測到的信號盡可能小，在信號不可檢測的噪聲環(huán)境獲取參考信號。

圖2 自適應消噪流程圖Fig.2 Flow chart of adaptive denoising

自適應濾波流程圖如圖3所示，其中：[x(n)x(n- 1 ) …x(n-L)]為輸入信號向量；d(n)為標準信號；e(n)為濾波后的誤差；y(n)為最終的輸出信號。

圖3 自適應濾波流程圖Fig.3 Flow chart of adaptive filtering

將上述參數(shù)統(tǒng)一用向量表示為

采用合適的自適應算法實時更新w權(quán)值，使得E[e2]最小，即可完成信號的自適應濾波[6]，最終信號輸出為

火箭發(fā)動機噪聲的處理過程中，自適應消噪選擇發(fā)動機實時噪聲（不含脈沖信號）作為標準信號，輸入信號為采集到的實時噪聲（包含有脈沖信號）；在自適應濾波時，選擇發(fā)射脈沖信號作為標準信號，輸入信號為自適應消噪后的輸出信號。

3 正交解調(diào)與互相關處理

火箭發(fā)動機載體可以接收來自外部的脈沖信號。該脈沖信號是通過中頻信號加載到基頻信號上的，可以通過正交解調(diào)的方法，減少信號處理時間。之后，再通過同類型的基頻信號與目標信號進行互相關處理，提取出脈沖信號的基頻。

圖4為正交解調(diào)原理流程圖。

圖4 正交解調(diào)原理流程圖Fig.4 Principle flow chart of quadrature demodulation

正交解調(diào)處理是將實信號經(jīng)過復調(diào)制，然后對2個正交分量分別進行低通濾波處理后輸出為

上式中[·]LP為低通濾波算子[7]。

互相關接收的原理如圖5所示。

圖5 互相關流程圖Fig.5 Flow chart of cross correlation

圖5中，x(t)為輸入信號，表示為

式中：s(t-tr)為相對于發(fā)射起點，即為接收到的脈沖信號；tr=R/c為信號經(jīng)歷的時間；n(t)為平穩(wěn)白噪聲過程；s(t)為參考信號，通常取為發(fā)射信號；τ為參考信號延遲；相關接收輸出為互相關函數(shù)，即

式中，Rss和Rns分別為信號的自相關函數(shù)和信號與噪聲的互相關函數(shù)。當τ=tr時，Rxs(τ)取得最大值[8]。

4 火箭發(fā)動機噪聲背景脈沖信號檢測及試驗驗證

4.1 試驗方法

火箭發(fā)動機噪聲背景脈沖信號檢測的傳統(tǒng)常規(guī)處理方法是：將含有脈沖信號的發(fā)動機強噪聲信號通過帶通濾波器，再將信號進行正交解調(diào)和互相關方法處理。

本文采用自適應處理方法對火箭發(fā)動機噪聲背景脈沖信號進行檢測，具體操作如下：

1）將含有脈沖信號的發(fā)動機強噪聲信號利用自適應消噪算法進行處理。其中，消噪選取的噪聲信號來自于火箭發(fā)動機開機后自身產(chǎn)生的強噪聲，參考信號為發(fā)動機開機前的安靜水紋噪聲。

2）將消噪后的信號利用自適應濾波進行處理。

3）最后，將脈沖信號進行正交解調(diào)和互相關處理。當自適應濾波和信號解調(diào)互相關時，脈沖信號作為參考輸入信號。

對火箭發(fā)動機噪聲背景下脈沖信號進行檢測時，傳統(tǒng)常規(guī)方法與本文自適應處理方法流程對比如圖6所示。

圖6 自適應方法與傳統(tǒng)常規(guī)方法流程對比圖Fig.6 Comparative flow chart of adaptive method and traditional conventional method

4.2 試驗過程

試驗在湖上進行，水下20 m處吊放帶有火箭發(fā)動機的柱狀載體，頭部裝有接收水聽器，發(fā)射換能器距離接收水聽器10 m，試驗現(xiàn)場布置如圖7所示。發(fā)動機開機后，每間隔1 s發(fā)射時寬5 ms、頻率為15 kHz的脈沖信號?；鸺l(fā)動機工作 5 s左右，采集到的時域數(shù)據(jù)見圖8。可以看出，由于發(fā)動機強噪聲原因，噪聲迅速增大。經(jīng)時序分析，其中有2個脈沖信號落在了發(fā)動機強噪聲背景中，發(fā)動機關閉后才能看到后續(xù)的脈沖信號，但周圍泯滅的氣泡噪聲仍然有比較強的背景噪聲。

圖7 試驗布置示意圖Fig.7 Schematic diagram of test layout

圖8 發(fā)動機時域噪聲Fig.8 Engine time domain noise

4.3 結(jié)果驗證與分析

提取含有脈沖信號的火箭發(fā)動機強背景噪聲信號進行分析，圖9（a）為火箭發(fā)動機開機后含有脈沖信號的時域信號，9（b）圖為通過自適應消噪后的輸出，9（c）是經(jīng)過自適應濾波后的信號。從圖9（a）明顯看出發(fā)動機強背景噪聲完全淹沒了脈沖信號。當采用自適應消噪后，可以清晰地看到脈沖信號，并且本底噪聲降低了 34倍，2組脈沖信號的信噪比分別為18.9 dB和19.0 dB。信號再進行自適應濾波后，本底噪聲有效值降到 0.07，2組脈沖信號的幅度有效值分別放大了 22.1倍和18.4倍。結(jié)果表明：通過采用自適應消噪和自適應濾波2種方法，可以顯著提高信號的強度、降低強背景噪聲干擾。

圖9 發(fā)動機開機后自適應消噪和濾波Fig.9 Adaptive denoising and filtering after engine ignition

為了進一步對比自適應消噪和濾波方法與傳統(tǒng)常規(guī)方法的處理效果，選取發(fā)動機開機后含有脈沖的時域信號，分別經(jīng)過自適應消噪和濾波、帶通濾波器。其中，圖10（a）是發(fā)動機強背景噪聲經(jīng)過自適應消噪和濾波處理后的信號，圖10（b）是發(fā)動機強背景噪聲經(jīng)過帶通濾波器處理后的結(jié)果。

圖10 發(fā)動機強背景噪聲不同處理方法對比Fig.10 Comparison of different processing methods for engine strong background noise

使用了帶通濾波的方法在強背景發(fā)動機噪聲情況下，脈沖信號清晰可見，但時域信號夾雜了復雜的干擾，信噪比低。相比于傳統(tǒng)常規(guī)的濾波方法，使用自適應消噪和濾波方法處理的脈沖信號，噪聲得到極大的抑制，同時脈沖信號得到了放大。比對2種工況環(huán)境下2組脈沖信號的信噪比，見表1。計算結(jié)果表明：經(jīng)過自適應消噪和自適應濾波的信號相比于帶通濾波器處理的結(jié)果，信噪比分別提高了34 dB和33.7 dB。

表1 2種工況條件下的脈沖信噪比Table 1 Pulse signal-to-noise ratio under 2 working conditions

依據(jù)圖6中本文自適應方法與傳統(tǒng)常規(guī)2種方法對火箭發(fā)動機脈沖信號進行檢測的流程，對自適應處理和常規(guī)濾波后的 2種工況時域信號進行正交解調(diào)和互相關處理，得到其目標信號的脈沖檢測結(jié)果，如圖11所示。圖中表明：經(jīng)過自適應消噪和濾波的脈沖信號本底噪聲在-70 dB，經(jīng)過帶通濾波的信號本底噪聲在-30 dB，在同等情況下，使用自適應處理方法，脈沖信號檢測能力提高了40 dB。

圖11 脈沖信號檢測結(jié)果對比Fig.11 Comparison of pulse signal detection results

5 結(jié)束語

火箭發(fā)動機開機后，噪聲信號快速增大，從頻率角度可以看出整個噪聲頻帶比發(fā)動機開機前平均高出40 dB。

淹沒在火箭發(fā)動機高強度背景噪聲中的脈沖信號通過自適應消噪和自適應濾波級聯(lián)的方式降低了背景噪聲的幅度，提高了脈沖信號的強度。與傳統(tǒng)常規(guī)帶通濾波器處理方法相比，自適應方法可以提高約30 dB信噪比。

通過后期信號的正交解調(diào)和互相關處理，在降低運算量的同時，仍可以實現(xiàn)提取出包含脈沖信號的有效包絡信息，達到了火箭發(fā)動機強背景噪聲下脈沖信號更優(yōu)檢測的目的，為水下火箭發(fā)動機的應用提供了新的思路和可能。