本發(fā)明屬于艦船噪聲分析技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及基于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(shù)：

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，主要來源于螺旋槳附近海水的空化過程，頻率從零附近連續(xù)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，其主要是由于艦艇機械部件的往復(fù)運動和螺旋槳葉片的周期性擊水以及葉片共振產(chǎn)生的。不僅艦艇輻射噪聲功率譜特有的集中而穩(wěn)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，可以用于目標(biāo)參數(shù)估計與類型識別。實測統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，艦艇輻射噪聲信號線譜強度與附近連續(xù)譜1赫茲內(nèi)含有的功率相比，有的可超出10～25dB，而穩(wěn)定時間達到10分鐘以上。因此，在感興趣的頻段上并列的設(shè)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(lǐng)域稱為濾波器組法，所用濾波器組可以是數(shù)字濾波器也可以是模擬濾波器。

常規(guī)的基于數(shù)字濾波器組的艦船輻射噪聲功率譜分析方法，涉及到大規(guī)模的數(shù)值運算，對數(shù)字電路硬件平臺的要求較高，運算結(jié)果的實時性受到硬件平臺運算速度的限制；常規(guī)的模擬濾波器法，雖然響應(yīng)的實時性較好，但受到系統(tǒng)電路規(guī)模的限制，其中窄帶濾波器的個數(shù)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，對于電路規(guī)模、功耗等各項指標(biāo)都有要求的小型自持式系統(tǒng)而言，目前常規(guī)的、單純的數(shù)字或模擬濾波器組用于艦船輻射噪聲功率譜分析，都難以兼顧分析結(jié)果的實時性與精細度。

針對以上問題，由于艦艇輻射噪聲功率譜在一定時間段內(nèi)是相對穩(wěn)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于艦艇輻射噪聲功率譜的穩(wěn)定時間。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明提供了基于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(fā)明的技術(shù)方案為：基于可控濾波器組的艦船噪聲功率譜分析電路，其特征在于，包括在艦船噪聲能量集中的頻段上并行設(shè)置的一系列濾波器和平方積分檢波器的串聯(lián)組合、以及一個數(shù)字信號處理器，其中所有平方積分檢波器的輸出端均連接至數(shù)字信號處理器的輸入端。

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于艦艇噪聲功率譜的穩(wěn)定時間。

在一個子工作周期規(guī)定的時間段內(nèi)，各濾波器的中心頻率按照1/3倍頻程的間隔密集排列，構(gòu)成分析頻段，艦艇噪聲信號經(jīng)過開關(guān)電容濾波器組后，被分離為若干個窄帶信號，經(jīng)平方積分檢波器處理后，得到艦艇輻射噪聲信號在該分析頻段內(nèi)的估計值，發(fā)至數(shù)字信號處理器，獲得當(dāng)前子工作周期的分析結(jié)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(jié)果拼接，得到完整的艦船噪聲功率譜的分析結(jié)果。

進一步地，濾波器為開關(guān)電容濾波器。

進一步地，在下一個子工作周期內(nèi)，通過對各開關(guān)電容濾波器輸入時鐘頻率改變開關(guān)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(fā)明采用兼有數(shù)字、模擬濾波器二者結(jié)構(gòu)特點的開關(guān)電容濾波器構(gòu)成可控濾波器組，若干個開關(guān)電容濾波器構(gòu)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(yù)先設(shè)定的順序依次掃描艦船輻射噪聲的各個頻段，由于艦船輻射噪聲信號功率譜有一定的時間穩(wěn)定性，因此，可控濾波器組相當(dāng)于大量密排的參數(shù)固定的模擬濾波器，可以在控制電路規(guī)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(guān)電容濾波器構(gòu)成的可控濾波器組，因無需進行A/D或D/A轉(zhuǎn)換，省略了量化過程與數(shù)值運算，較數(shù)字濾波器整體結(jié)構(gòu)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(jié)合附圖并舉實施例，對本發(fā)明進行詳細描述。

本發(fā)明目的是為了提高基于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，采用開關(guān)電容濾波器構(gòu)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(gòu)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(shù)值與位于窄帶濾波器中心頻率上的功率譜近似地成比例。由此，在硬件處理電路上，艦船輻射噪聲信號能量集中的頻段上并列的設(shè)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(fā)明中的窄帶濾波器采用可控濾波器來實現(xiàn)，具體的電路形式是開關(guān)電容濾波器，其基本結(jié)構(gòu)是電路兩節(jié)點間接有帶高速開關(guān)的電容器，外部時鐘通過控制電容的開關(guān)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(gòu)成有源RC濾波器，因此，該濾波器頻率響應(yīng)的時間常數(shù)取決于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(yīng)的時間常數(shù)，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件電路實現(xiàn)：由于艦艇輻射噪聲功率譜在一定時間段內(nèi)是相對穩(wěn)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于艦艇輻射噪聲功率譜的穩(wěn)定時間；若干個開關(guān)電容濾波器并行構(gòu)成可控濾波器組，在一個子工作周期規(guī)定的時間段內(nèi)，各開關(guān)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(gòu)成一定的分析頻段，濾波器后級聯(lián)接積分檢波器，艦艇輻射噪聲信號經(jīng)過開關(guān)電容濾波器組后，被分離為若干個窄帶信號，經(jīng)平方積分檢波器處理后，得到艦艇輻射噪聲信號在該分析頻段內(nèi)的估計值，發(fā)至數(shù)字信號處理器；同樣，緊接著下一個子工作周期內(nèi)，各開關(guān)電容濾波器的中心頻率在外部時鐘頻率的控制下發(fā)生改變，與上一個分析頻段相銜接，重復(fù)上述的濾波—平方—積分過程。并以此類推，在多個子工作周期內(nèi)分別多次改變可控濾波器的中心頻率，對于具有一定時間穩(wěn)定性的艦船輻射噪聲功率譜而言，等效于數(shù)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

由于艦艇輻射噪聲功率譜在一定時間段內(nèi)是相對穩(wěn)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(nèi)，艦船輻射噪聲信號被換能器感知接收后，轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘栞斎氲胶蠹壍那爸梅糯笃?，?jīng)前置放大器阻抗匹配與放大后，輸入到后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、并且參數(shù)可調(diào)控的帶通濾波器構(gòu)成；信號經(jīng)過多通道帶通濾波后，分別進入后級的平方積分檢波器，經(jīng)過平方—積分后，輸入到后級的數(shù)字信號處理器，數(shù)字信號處理器可以是由單片機或DSP芯片構(gòu)成的通用型數(shù)字信號處理平臺；而在緊接的下一個子工作周期內(nèi)，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(fā)生變化，在下一個頻段范圍內(nèi)設(shè)置中心頻率與通帶參數(shù)，并重復(fù)上一階段的處理過程，以此類推，經(jīng)過多個子工作周期的連續(xù)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(zhì)上是利用艦艇輻射噪聲信號功率譜在一定時間段內(nèi)的穩(wěn)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(jù)是：從功率譜作為連續(xù)的自相關(guān)函數(shù)的傅立葉變換的定義出發(fā)，濾波器組法用于功率譜估計通過硬件電路來實現(xiàn)：

設(shè)x(t)為一個實的零均值平穩(wěn)隨機，其相關(guān)函數(shù)與功率譜密度分別為

熟知的譜估計經(jīng)典方法具有濾波-平方-積分器的結(jié)構(gòu)，其工作原理是根據(jù)隨機過程的下述基本關(guān)系

其中H(ω)是某一濾波器的頻率傳輸函數(shù)；S_x(ω)是輸入功率譜；S_y(ω)是輸出功率譜。令τ＝0，

設(shè)H(ω)是一窄帶矩形濾波器，中心頻率在±ω₁，帶寬為Δω。又設(shè)可用時間平均近似代替系統(tǒng)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(shù)值與位于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并列的設(shè)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(shù)設(shè)置越密、單個濾波器帶寬越窄，譜估計越準(zhǔn)確。本發(fā)明采用可控濾波器組，正是利用艦船輻射噪聲信號功率譜在一定時間內(nèi)的穩(wěn)定性，通過分時處理的方式緩解了濾波器的個數(shù)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(guān)電容濾波器、零點調(diào)節(jié)電路、平方電路、積分電路等構(gòu)成，其中積分電路兼有檢波功能；零點調(diào)節(jié)電路是為了消除電信號平方運算之前的直流偏移。

a)開關(guān)電容濾波器：由集成開關(guān)電容濾波芯片MAX7490與外圍電阻構(gòu)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(guān)電容濾波芯片MAX7490，將MAX7490的A、B兩個通道的2階濾波器級聯(lián)構(gòu)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(nèi)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(nèi)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(gòu)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(nèi)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(nèi)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(gòu)成了一個2階帶通濾波器。由于電阻R4將帶通濾波器A與B聯(lián)接，兩個2階帶通濾波器級聯(lián)就構(gòu)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(gòu)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f_CLK控制，其中：

濾波器的品質(zhì)因數(shù)Q由電阻R2與R3的阻值決定：

以此類推，若干個開關(guān)電容濾波器并聯(lián)構(gòu)成可控濾波器組，外圍電阻選取相同參數(shù)的精密電阻器。不同的是外部時鐘頻率f_CLK的選取不同，使各濾波器的中心頻率f₀按照一定的規(guī)律密接排列，例如按照1/3倍頻程的間隔排列。

b)調(diào)零電路，電容C1、C2、C3用于各級電路之間的交流信號連接(依據(jù)經(jīng)驗值)，同時起到隔絕直流的作用，由于集成開關(guān)電容濾波芯片MAX7490采用單電源供電，輸出信號的零點基準(zhǔn)存在一定的直流偏移電壓，而后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(diào)零電路，調(diào)零電路采用運放芯片AD820構(gòu)成雙電源供電的跟隨器，將信號的基準(zhǔn)電壓調(diào)至零點?？烧{(diào)電阻器R8的一端接U2運放芯片AD820的管腳1，一端接管腳5，調(diào)節(jié)端接管腳4，通過外部的可調(diào)電阻器R8可以對信號的參考基準(zhǔn)電壓進行精細調(diào)整，使基準(zhǔn)電壓調(diào)至零點。

電阻R7一端接芯片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(diào)電壓。

c)平方電路采用集成模擬乘法器AD534來實現(xiàn)，芯片AD534是一種4象限集成模擬乘法器，能夠?qū)⑤斎牍苣_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芯片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(quán)系數(shù)，例如R9取90k，R10取10k，Cf取200pF，則權(quán)系數(shù)就為1。

前級經(jīng)過調(diào)零的信號輸入到管腳1和管腳6，同一信號相乘就實現(xiàn)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(gòu)成，本質(zhì)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(fù)反饋的作用；積分電路的積分時間常數(shù)即由電阻R10和電容C4的取值決定：

積分時間常數(shù)：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(fù)反饋的作用，防止U4運算放大器AD820的直流開環(huán)引入的運算誤差。

可調(diào)電阻器R14的一端接U2運放芯片AD820的管腳1，一端接管腳5，調(diào)節(jié)端接管腳4，用于降低運放芯片AD820自身的失調(diào)電壓。

電阻R13一端接芯片AD820的正相輸入端管腳3上，一端接地，起到平衡運放芯片AD820的正、反相輸入失調(diào)電流的作用。

綜上，以上僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護范圍。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。