基於可控濾波器組的艦船噪聲功率譜分析電路及其方法與流程
2024-03-25 03:07:05 3
本發明屬於艦船噪聲分析技術領域，具體涉及基於可控濾波器組的艦船噪聲功率譜分析電路及其方法。
背景技術：
艦艇輻射噪聲功率譜一般由兩種成分組成。一種是寬帶噪聲，主要來源於螺旋槳附近海水的空化過程，頻率從零附近連續地延伸到幾十千赫以上；另一種是極窄的線狀譜，主要集中在1千赫以下的低頻段。在艦艇輻射噪聲信號功率譜分析中，線譜尤其受到重視，其主要是由於艦艇機械部件的往復運動和螺旋槳葉片的周期性擊水以及葉片共振產生的。不僅艦艇輻射噪聲功率譜特有的集中而穩定的能量可用來提高檢測性能，而且艦艇輻射噪聲功率譜本身攜帶的頻率信息，可以用於目標參數估計與類型識別。實測統計數據表明，艦艇輻射噪聲信號線譜強度與附近連續譜1赫茲內含有的功率相比，有的可超出10～25dB，而穩定時間達到10分鐘以上。因此，在感興趣的頻段上並列的設置一系列密接的濾波器-平方器-積分器，則其輸出將給出輸入信號功率譜在一系列頻率(各窄帶濾波器中心頻率)上取值的估計，這種分析方法在水聲工程領域稱為濾波器組法，所用濾波器組可以是數字濾波器也可以是模擬濾波器。
常規的基於數字濾波器組的艦船輻射噪聲功率譜分析方法，涉及到大規模的數值運算，對數字電路硬體平臺的要求較高，運算結果的實時性受到硬體平臺運算速度的限制；常規的模擬濾波器法，雖然響應的實時性較好，但受到系統電路規模的限制，其中窄帶濾波器的個數畢竟有限，濾波器組的排列密集程度直接限制了信號功率譜分析的精細度。因此，對於電路規模、功耗等各項指標都有要求的小型自持式系統而言，目前常規的、單純的數字或模擬濾波器組用於艦船輻射噪聲功率譜分析，都難以兼顧分析結果的實時性與精細度。
針對以上問題，由於艦艇輻射噪聲功率譜在一定時間段內是相對穩定的，因此可以先將艦艇輻射噪聲信號功率譜分析的時間歷程劃分為若干個子工作周期，所有子工作周期的長度相加起來要小於艦艇輻射噪聲功率譜的穩定時間。
技術實現要素：
有鑑於此，本發明提供了基於可控濾波器組的艦船噪聲功率譜分析電路及其方法，有效提高了信號功率譜分析的精細程度和實時性。
為了達到上述目的，本發明的技術方案為：基於可控濾波器組的艦船噪聲功率譜分析電路，其特徵在於，包括在艦船噪聲能量集中的頻段上並行設置的一系列濾波器和平方積分檢波器的串聯組合、以及一個數位訊號處理器，其中所有平方積分檢波器的輸出端均連接至數位訊號處理器的輸入端。
將艦艇噪聲信號功率譜分析的時間歷程劃分為多個子工作周期，所有子工作周期的相加起來長度小於艦艇噪聲功率譜的穩定時間。
在一個子工作周期規定的時間段內，各濾波器的中心頻率按照1/3倍頻程的間隔密集排列，構成分析頻段，艦艇噪聲信號經過開關電容濾波器組後，被分離為若干個窄帶信號，經平方積分檢波器處理後，得到艦艇輻射噪聲信號在該分析頻段內的估計值，發至數位訊號處理器，獲得當前子工作周期的分析結果，直至所有的子工作周期分析完成，通過將每個子工作周期獲得的分析結果拼接，得到完整的艦船噪聲功率譜的分析結果。
進一步地，濾波器為開關電容濾波器。
進一步地，在下一個子工作周期內，通過對各開關電容濾波器輸入時鐘頻率改變開關電容濾波器的中心頻率，使其與上一個子工作周期的分析頻段相銜接。
有益效果：
1、本發明採用兼有數字、模擬濾波器二者結構特點的開關電容濾波器構成可控濾波器組，若干個開關電容濾波器構成的多通道濾波器組，其中各通道濾波器的通帶和中心頻率由外部時鐘頻率控制，可以按照預先設定的順序依次掃描艦船輻射噪聲的各個頻段，由於艦船輻射噪聲信號功率譜有一定的時間穩定性，因此，可控濾波器組相當於大量密排的參數固定的模擬濾波器，可以在控制電路規模的前提下，有效提高信號頻率功率譜分析的精細程度；且開關電容濾波器構成的可控濾波器組，因無需進行A/D或D/A轉換，省略了量化過程與數值運算，較數字濾波器整體結構更加簡單，處理速度更快，提高了信號功率譜分析的實時性。
附圖說明
圖1—艦艇輻射噪聲信號功率譜分析方法流程圖；
圖2—單路可控濾波及平方積分電路原理圖。
具體實施方式
下面結合附圖並舉實施例，對本發明進行詳細描述。
本發明目的是為了提高基於濾波器組法的艦船輻射噪聲功率譜分析的實時性與精細度，採用開關電容濾波器構成可控濾波器組，濾波器的通帶和中心頻率可由外部時鐘頻率控制，在對艦船輻射噪聲信號能量集中的頻段構成一系列密排的濾波器組，對各窄帶濾波器輸出行平方積分，所得數值與位於窄帶濾波器中心頻率上的功率譜近似地成比例。由此，在硬體處理電路上，艦船輻射噪聲信號能量集中的頻段上並列的設置一系列密接的濾波-平方-積分器，則其輸出將給出輸入功率譜在一系列頻率(各窄帶濾波器中心頻率)上取值的估計。
本發明中的窄帶濾波器採用可控濾波器來實現，具體的電路形式是開關電容濾波器，其基本結構是電路兩節點間接有帶高速開關的電容器，外部時鐘通過控制電容的開關頻率來控制流過兩接點間的電流，使其等效為一個頻控電阻，該頻控電阻與另外的定值電容構成有源RC濾波器，因此，該濾波器頻率響應的時間常數取決於頻控電阻的控制頻率，故只要改變時鐘頻率就可以控制濾波器頻率響應的時間常數，也就可以決定濾波器的通帶與中心頻率。
這種艦船輻射噪聲信號功率譜分析與估計方法用硬體電路實現：由於艦艇輻射噪聲功率譜在一定時間段內是相對穩定的，因此可以先將艦艇輻射噪聲信號功率譜分析的時間歷程劃分為若干個子工作周期，所有子工作周期的相加起來長度要小於艦艇輻射噪聲功率譜的穩定時間；若干個開關電容濾波器並行構成可控濾波器組，在一個子工作周期規定的時間段內，各開關電容濾波器的中心頻率按照1/3倍頻程的間隔密集排列，構成一定的分析頻段，濾波器後級聯接積分檢波器，艦艇輻射噪聲信號經過開關電容濾波器組後，被分離為若干個窄帶信號，經平方積分檢波器處理後，得到艦艇輻射噪聲信號在該分析頻段內的估計值，發至數位訊號處理器；同樣，緊接著下一個子工作周期內，各開關電容濾波器的中心頻率在外部時鐘頻率的控制下發生改變，與上一個分析頻段相銜接，重複上述的濾波—平方—積分過程。並以此類推，在多個子工作周期內分別多次改變可控濾波器的中心頻率，對於具有一定時間穩定性的艦船輻射噪聲功率譜而言，等效於數量眾多的窄帶濾波器組密排，通過分時、拼合處理完成艦船輻射噪聲功率譜的分析。
實施例、
1)如附圖1所示
由於艦艇輻射噪聲功率譜在一定時間段內是相對穩定的，因此可以先將艦艇輻射噪聲信號功率譜分析的時間歷程劃分為若干個子工作周期。在一個子工作周期內，艦船輻射噪聲信號被換能器感知接收後，轉變為電信號輸入到後級的前置放大器，經前置放大器阻抗匹配與放大後，輸入到後級多通道的可控濾波器組，可控濾波器組是由一系列中心頻率與通帶銜接排列的、並且參數可調控的帶通濾波器構成；信號經過多通道帶通濾波後，分別進入後級的平方積分檢波器，經過平方—積分後，輸入到後級的數位訊號處理器，數位訊號處理器可以是由單片機或DSP晶片構成的通用型數位訊號處理平臺；而在緊接的下一個子工作周期內，可控濾波器組的中心頻率與通帶在外部時鐘頻率的控制下發生變化，在下一個頻段範圍內設置中心頻率與通帶參數，並重複上一階段的處理過程，以此類推，經過多個子工作周期的連續分析，完成艦艇輻射噪聲信號功率集中頻段的掃描。因此，本質上是利用艦艇輻射噪聲信號功率譜在一定時間段內的穩定性，通過分時處理的方式完成信號功率譜的掃描。
其中具體包含的物理含義或物理依據是：從功率譜作為連續的自相關函數的傅立葉變換的定義出發，濾波器組法用於功率譜估計通過硬體電路來實現：
設x(t)為一個實的零均值平穩隨機，其相關函數與功率譜密度分別為
熟知的譜估計經典方法具有濾波-平方-積分器的結構，其工作原理是根據隨機過程的下述基本關係
其中H(ω)是某一濾波器的頻率傳輸函數；Sx(ω)是輸入功率譜；Sy(ω)是輸出功率譜。令τ＝0，
設H(ω)是一窄帶矩形濾波器，中心頻率在±ω1，帶寬為Δω。又設可用時間平均近似代替系統平均，則有
上述說明，對窄帶濾波器輸出y(t)進行平方積分，所得數值與位於窄帶濾波器中心頻率ω1上的功率譜近似地成比例。因此，在艦船輻射噪聲信號功率集中的頻段上並列的設置一系列密接的濾波-平方-積分器，則其輸出將給出輸入功率譜在一系列頻率(各窄帶濾波器中心頻率)上取值的估計。這種方法也稱為濾波器組法，且濾波器的個數設置越密、單個濾波器帶寬越窄，譜估計越準確。本發明採用可控濾波器組，正是利用艦船輻射噪聲信號功率譜在一定時間內的穩定性，通過分時處理的方式緩解了濾波器的個數與譜分析精度之間的矛盾問題。
2)如附圖2所示
單個可控濾波電路與平方積分檢波電路，主要由開關電容濾波器、零點調節電路、平方電路、積分電路等構成，其中積分電路兼有檢波功能；零點調節電路是為了消除電信號平方運算之前的直流偏移。
a)開關電容濾波器：由集成開關電容濾波晶片MAX7490與外圍電阻構成的4階帶通濾波器，其中核心器件集成電路U1為MAXIM公司的開關電容濾波晶片MAX7490，將MAX7490的A、B兩個通道的2階濾波器級聯構成4階帶通濾波器。圖中的通道A中，電阻R3一端接集成電路U1的管腳3(NA/HPA管腳)，另一端接電阻R1,這樣，電阻R3作為通道A內部高通濾波器的反饋電阻；電阻R2一端接集成電路U1的管腳2(BPA管腳)，另一端接電阻R1，電阻R2作為通道A內部帶通濾波器的反饋電阻，電阻R1作為輸入端的限流電阻，這樣就構成了一個2階帶通濾波器；同樣的，通道B中,電阻R6一端接集成電路U1的管腳14(NB/HPB管腳)，另一端接電阻R4,這樣，電阻R6作為通道B內部高通濾波器的反饋電阻；電阻R5一端接集成電路U1的管腳15(BPB管腳)，另一端接電阻R4，電阻R5作為通道B內部帶通濾波器的反饋電阻，電阻R4作為輸入端的限流電阻，這就同樣構成了一個2階帶通濾波器。由於電阻R4將帶通濾波器A與B聯接，兩個2階帶通濾波器級聯就構成一個4階帶通濾波器，提高了濾波器的阻帶衰減速度，從而提高了濾波效果。
構成的4階帶通濾波器的中心頻率f0由U1的管腳9輸入的外部時鐘頻率fCLK控制，其中：
濾波器的品質因數Q由電阻R2與R3的阻值決定：
以此類推，若干個開關電容濾波器並聯構成可控濾波器組，外圍電阻選取相同參數的精密電阻器。不同的是外部時鐘頻率fCLK的選取不同，使各濾波器的中心頻率f0按照一定的規律密接排列，例如按照1/3倍頻程的間隔排列。
b)調零電路，電容C1、C2、C3用於各級電路之間的交流信號連接(依據經驗值)，同時起到隔絕直流的作用，由於集成開關電容濾波晶片MAX7490採用單電源供電，輸出信號的零點基準存在一定的直流偏移電壓，而後級的平方電路對直流偏移電壓的影響比較敏感，因此，在濾波電路與平方電路之間插入一種調零電路，調零電路採用運放晶片AD820構成雙電源供電的跟隨器，將信號的基準電壓調至零點。可調電阻器R8的一端接U2運放晶片AD820的管腳1，一端接管腳5，調節端接管腳4，通過外部的可調電阻器R8可以對信號的參考基準電壓進行精細調整，使基準電壓調至零點。
電阻R7一端接晶片AD820的正相輸入端管腳3上，一端接地，起到阻抗匹配的作用，避免輸入阻抗過高引起的高失調電壓。
c)平方電路採用集成模擬乘法器AD534來實現，晶片AD534是一種4象限集成模擬乘法器，能夠將輸入管腳1和管腳6的信號相乘(4象限)。電阻R10和電容Cf的兩端接U3晶片AD534的管腳10和管腳11，電阻R9的兩端分別接AD534的管腳11和管腳12。電阻R9、電阻R10和電容Cf的取值決定了乘法運算的權係數，例如R9取90k，R10取10k，Cf取200pF，則權係數就為1。
前級經過調零的信號輸入到管腳1和管腳6，同一信號相乘就實現了平方運算。
d)積分電路，積分電路由U4運算放大器AD820和外圍阻容器件構成，本質上，積分電路自身就兼有檢波器的功能。電阻R10一端連接前級，一端連接U4運算放大器AD820的反相輸入端(管腳2)，起到到限流電阻的作用；電容C4的兩端分別接U4運算放大器AD820的管腳2和管腳6，起到交流負反饋的作用；積分電路的積分時間常數即由電阻R10和電容C4的取值決定：
積分時間常數：τ＝R11C4
電阻Rf的兩端分別接U4運算放大器AD820的管腳2和管腳6，起到直流負反饋的作用，防止U4運算放大器AD820的直流開環引入的運算誤差。
可調電阻器R14的一端接U2運放晶片AD820的管腳1，一端接管腳5，調節端接管腳4，用於降低運放晶片AD820自身的失調電壓。
電阻R13一端接晶片AD820的正相輸入端管腳3上，一端接地，起到平衡運放晶片AD820的正、反相輸入失調電流的作用。
綜上，以上僅為本發明的較佳實施例而已，並非用於限定本發明的保護範圍。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。