窄帶細化Wigner

第３５卷第７期 電子與信息學報

２０１３年７月

Ｖｂ１．３５ＮＯ．７

Ｊｕ１．２０１３

Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ＆Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ

窄帶細化Ｗｉｇｎｅｒ．Ｖｉｌｌｅ分布分析的快速實現方法

田豐 楊益新 吳姚振 楊龍

（西北工業大學航海學院 西安７１００７２）

摘要：水下目標輻射線譜噪聲的多普勒信息可用于估計目標上的噪聲源參數。由于噪聲源的低頻和低速特性，其

多普勒頻移變化微弱，需要在選定窄帶內進行高分辨率時頻分析。Ｗｉｇｎｅｒ—Ｖｉｌｌｅ分布（ＷＶＤ）具有良好的時頻聚焦性

能，但是當頻率分辨率要求較高時，其計算量和存儲空間長度也大幅增加。該文提出一種選帶細化ｗＶＤ的快速數

值計算方法。該方法對線性調頻ｚ變換（ＣＺＴ）進行改進并與ｗＶＤ相結合，可以大幅提高選定窄帶內高分辨率ｗＶＤ

時頻分析的計算效率。數值仿真和海試數據驗證了方法的有效性。

關鍵詞：水下信號處理； 時頻分析； 水下多普勒信號； Ｗｉｇｎｅｒ．Ｖｉｌｌｅ分布； 細化頻譜分析

中圖分類號：ＴＢ５６６ 文獻標識碼：Ａ 文章編號：１００９—５８９６ｆ２０１３）０７．１７１３．０７

ＤＯＩ：１０．３７２４／ＳＰ．Ｊ．１１４６．２０１２．０１４４６

Ｆａｓｔ Ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ Ｚｏｏｍ－ｓｐｅｃｔｒｕｍ Ｗｉｇｎｅｒ－Ｖｉｌｌｅ

Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｉｎ ａ Ｎａｒｒｏｗｂａｎｄ

Ｔｉａｎ Ｆｅｎｇ Ｙａｎｇ Ｙｉ—－ｘｉｎ Ｗｕ Ｙａｏ－－ｚｈｅｎ Ｙａｎｇ Ｌｏｎｇ

（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍａｒｉｎｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔｅｒｎ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ’ａｎ ７１００７２，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｄｏｐｐｌｅｒ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｌｉｎｅ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ｃａｎ ｂｅ ｕｓｅｄ ｔｏ ｅｓｔｉｍａｔｅ ｔｈｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｒａｄｉａｔｅｄ ｎｏｉｓｅ ｓｏｕｒｃｅｓ ｏｎ

ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ ｔａｒｇｅｔ．Ｂｅｃａｕｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｌｏｗ￣ｅｑｕｅｎｃｙ ａｎｄ ｌｏｗ ｓｐｅｅｄ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ，ｔｈｅ Ｄｏｐｐｌｅｒ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｓｈｉｆｔ ｃｈａｎｇｅｓ

ｗｅａｋｌｙ．Ｉｔｓ ｔｉｍｅ—ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ａｎａｌｙｓｉｓ ｓｈｏｕｌｄ ｂｅ ｌｉｍｉｔｅｄ ｉｎ ａ ｓｅｌｅｃｔｅｄ ｎａｒｒｏｗ—ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｂａｎｄｗｉｄｔｈ ｗｉｔｈ ｈｉｇｈ

ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ．Ｗｉｇｎｅｒ—Ｖｉｌｌｅ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ（ｗＶＤ）ｈａｓ ｅｘｃｅｌｌｅｎｔ ｔｉｍｅ一￣ｅｑｕｅｎｃｙ ｆｏｃｕｓｉｎｇ ｐｒｏｐｅｒｔｙ，ｂｕｔ ｔｈｅ ａｍｏｕｎｔ ｏｆ

ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｔｏｒａｇｅ ｓｐａｃｅ ａｒｅ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ｓｈａｒｐｌｙ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｈｉｇｈｅｒ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ ｄｅｍａｎｄｉｎｇ．Ａ ｆａｓｔ

ｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｆｏｒ ｓｅｌｅｃｔｅｄ ｂａｎｄｗｉｄｔｈ ｚｏｏｍ ＷＶＤ ａｎａｌｙｓｉｓ．Ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｉｍｐｒｏｖｅｓ ｔｈｅ Ｃｈｉｒｐ—Ｚ

Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ（ＣＺＴ）ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ，ａｎｄ ｃｏｍｂｉｎｅｓ ｔｈａｔ ｗｉｔｈ ｗＶＤ，ｉｍｐｒｏｖｅｓ ｇｒｅａｔｌｙ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｈｉｇｈ

ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ ｚｏｏｍ ＷＶＤ ａｎａｌｙｓｉｓ．Ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔ ａｔ ｓｅａ ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅ ｔｈｅ ｖａｌｉｄｉｔｙ ｏｆ

ｔｈｅ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ｍｅｔｈｏｄ．

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ；Ｔｉｍｅ－－ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ａｎａｌｙｓｉｓ；Ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ Ｄｏｐｐｌｅｒ ｓｉｇｎａｌ；Ｗｉｇｎｅｒ－．Ｖｉｌｌｅ

Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ（ｗＶＤ）；Ｚｏｏｍ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ａｎａｌｙｓｉｓ

１ 引言

Ｗｉｇｎｅｒ—Ｖｉｌｌｅ分布（ＷＶＤ）［５－７］最大限度利用了時域

水下運動目標輻射源信號檢測是現代水下噪聲

信號，具有理想的時頻分辨率和能量集中性，是應

測量中的關鍵技術。運動目標內部機械的往復運動

用最廣泛的一種時頻聯合分析方法。由于低頻窄帶

會激勵目標表面振動，形成穩定的線譜類噪聲

條件的限制，ＷＶＤ在分析頻帶內的劃分點數通常

源［ｉ－３｝。當目標與接收端之間存在相對運動時，噪

較少，難以提供理想的計算分辨率，需要增加采樣

聲源輻射線譜信號會產生多普勒頻移。對接收端獲

點數以細化頻率分析。但是ＷＶＤ算法具有計算量

取的多普勒信號進行時頻分析，可用于估計運動噪

和存儲空間需求較高的特性，一旦頻率細化點數增

聲源的輻射參數［４】０

加，計算需求也會隨之大幅增長。目前各種快速算

由于水下目標運動速度較低，且線譜類噪聲一

法都還不能從根本上解決ＷＶＤ快速處理的問題［６】０

般位于低頻或甚低頻段，使其多普勒頻移變化往往

考察低頻線譜的多普勒時頻特性后可以看出，盡管

只限定在較窄的頻帶范圍內。為了精確描述窄帶內

其頻帶窄、細化要求高，但是并不需要處理多普勒

的多普勒時頻分布，需要較高的時域和頻域分辨率。

頻移以外的頻帶數據，因此本文提出了一種選帶細

化ＷＶＤ的快速數值計算方法。該方法對線性調頻

２０１２—１１—１２收到，２０１３—０３—１５改回

ｚ變換（ＣｚＴ）［ 】進行了改進并與ＷＶＤ相結合，大幅

國家自然科學基金（１１２７４２５３）資助課題

提高選定窄帶內高分辨率ＷＶＤ時頻分析的計算效

通信作者：田豐ｔｆ１９８３０９１０＠ｈｏｔｍａｉｌ．ｃ０ｍ

率。數值仿真和海試數據驗證了方法的有效性。