窄带细化Wigner

第３５卷第７期 电子与信息学报

２０１３年７月

Ｖｂ１．３５ＮＯ．７

Ｊｕ１．２０１３

Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ＆Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ

窄带细化Ｗｉｇｎｅｒ．Ｖｉｌｌｅ分布分析的快速实现方法

田丰 杨益新 吴姚振 杨龙

（西北工业大学航海学院 西安７１００７２）

摘要：水下目标辐射线谱噪声的多普勒信息可用于估计目标上的噪声源参数。由于噪声源的低频和低速特性，其

多普勒频移变化微弱，需要在选定窄带内进行高分辨率时频分析。Ｗｉｇｎｅｒ—Ｖｉｌｌｅ分布（ＷＶＤ）具有良好的时频聚焦性

能，但是当频率分辨率要求较高时，其计算量和存储空间长度也大幅增加。该文提出一种选带细化ｗＶＤ的快速数

值计算方法。该方法对线性调频ｚ变换（ＣＺＴ）进行改进并与ｗＶＤ相结合，可以大幅提高选定窄带内高分辨率ｗＶＤ

时频分析的计算效率。数值仿真和海试数据验证了方法的有效性。

关键词：水下信号处理； 时频分析； 水下多普勒信号； Ｗｉｇｎｅｒ．Ｖｉｌｌｅ分布； 细化频谱分析

中图分类号：ＴＢ５６６ 文献标识码：Ａ 文章编号：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］最大限度利用了时域

水下运动目标辐射源信号检测是现代水下噪声

信号，具有理想的时频分辨率和能量集中性，是应

测量中的关键技术。运动目标内部机械的往复运动

用最广泛的一种时频联合分析方法。由于低频窄带

会激励目标表面振动，形成稳定的线谱类噪声

条件的限制，ＷＶＤ在分析频带内的划分点数通常

源［ｉ－３｝。当目标与接收端之间存在相对运动时，噪

较少，难以提供理想的计算分辨率，需要增加采样

声源辐射线谱信号会产生多普勒频移。对接收端获

点数以细化频率分析。但是ＷＶＤ算法具有计算量

取的多普勒信号进行时频分析，可用于估计运动噪

和存储空间需求较高的特性，一旦频率细化点数增

声源的辐射参数［４】０

加，计算需求也会随之大幅增长。目前各种快速算

由于水下目标运动速度较低，且线谱类噪声一

法都还不能从根本上解决ＷＶＤ快速处理的问题［６】０

般位于低频或甚低频段，使其多普勒频移变化往往

考察低频线谱的多普勒时频特性后可以看出，尽管

只限定在较窄的频带范围内。为了精确描述窄带内

其频带窄、细化要求高，但是并不需要处理多普勒

的多普勒时频分布，需要较高的时域和频域分辨率。

频移以外的频带数据，因此本文提出了一种选带细

化ＷＶＤ的快速数值计算方法。该方法对线性调频

２０１２—１１—１２收到，２０１３—０３—１５改回

ｚ变换（ＣｚＴ）［ 】进行了改进并与ＷＶＤ相结合，大幅

国家自然科学基金（１１２７４２５３）资助课题

提高选定窄带内高分辨率ＷＶＤ时频分析的计算效

通信作者：田丰ｔｆ１９８３０９１０＠ｈｏｔｍａｉｌ．ｃ０ｍ

率。数值仿真和海试数据验证了方法的有效性。