声音特征提取--Demon谱分析（舰船水声）
DEMON(噪声包络调制检测)
1.调制
**调制：**调制是指通过将低能的消息信号与高能的载波结合来生成一个新高能的载波过程。这种过程不仅能够实现信息在远程范围内的传输，还可以利用这种新载体传递所需的信息内容。此外，在这一过程中，系统会根据消息幅度的变化来调节载波的某些特性（如其幅度、频率或相位），从而实现有效的信息传递机制。
由幅度、频率及相位组成。通过消息信号的幅度变化来控制载波参数的变化情况，这些变化方式被称为调幅、调频以及调相。在基带与载波结合后生成的是经过处理后的信息载体。
2.DEMON 谱
当舰船的航速接近某一临界值时，在其螺旋桨高速旋转的过程中会产生空化噪声现象。这种现象会使得由螺旋桨产生的一系列周期性信号受到空化噪声的影响，在频域上表现为将低频区域内的离散线谱按一定规律平移至与高频率空化噪声重叠的位置。这些周期性信号在频域中呈现为离散的线谱序列，并对应于舰船轴向振动频率、叶片振动频率及其谐波分量等特征频率。然而由于舰船辐射噪声在低频段受到其他声源的影响而难以单独提取出螺旋桨运动所造成的线谱特征，在实际分析过程中需要先对高频段经过调制后的信号进行解调处理；通过采用低通滤波的方法获取信号包络信息即得到DEMON谱（即Noise Envelope Spectrum），这是一种用于识别声源特性的重要分析工具。
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目标辐射噪声信号模型可以表示为下式【1】：
x(t)=[1+f(t)]*n(t)+g(t)
周期调制信号f(t)
f(t)在频域呈现为螺旋桨旋转所导致叶片速率线谱图。当舰船进行航行时，在其运动过程中由于螺旋桨高速运转而生成了一些周期性信号，在频域上呈现为离散的线谱系列集合体，则对应于舰船螺旋桨轴心频率、叶片频率及其谐波频率等信息，在高频区通常以调制形式存在于舰船噪声中。
周期信号f(t)具有基波频率fm= m·n·s，在该信号系列中fm被定义为第m次谐波基波频率。其中n代表叶片的数量,s代表螺旋桨轴的振动频率,其单位为赫兹。DEMON光栅分析方法能够有效地分离出低频谐波成分与高频调制成分之间的差异,从而有助于精确提取相关特征参数
宽带信号n(t)
n(t)代表的是对应于连续频谱的宽带时域信号，在这种情况下它主要关联于螺旋桨产生的空化噪声特性。当舰船以常规速度行驶时, 螺旋桨通常处于空化状态, 并且这种空化产生的噪声构成了舰船辐射型连续频谱的主要组成部分。观察发现，在100Hz至1000Hz范围内其频谱呈现出一个明显的峰值特征：在该峰值右侧区域随着频率增加而衰减, 左侧区域则随着频率增加而增强；此外, 噪声频谱的峰值位置受到舰船航速和吃水深度的影响
线谱信号g(t)
该信号g(t)代表的是周期叠加成分，在机械系统中通常表现为往复运动所产生的机械噪声特征。其主要组成部分包括由螺旋桨叶片振动引发的共振型谐波分量以及由叶片转速变化引起的谐波分量，并受到水动力作用产生的共振型谐波分量的影响。这些谐波分量的频率普遍低于1000 Hz
3.DEMON谱分析流程
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采用带通滤波技术，在原始信号中仅限于包含有特征信息的频段范围内进行处理；然后选取其中包含调制成分的数据片段，并将其作为宽谱段数据序列供DEMON谱分析使用。
（2）线性解调，在信息恢复过程中采用正交解调技术以提取调制信号的基本特征参数。其中常见的检测方法包括平方检测和绝对值检测。
（3）带宽限制性数字滤波器用于处理舰船噪声信号，在分析舰船噪声时需要考虑轴向和叶片方向上的频率成分及其谐波影响所导致的调制现象。研究发现这些调制效应主要集中在频率范围0至100Hz之间因此，在处理这类信号时通常采用带宽限制性数字滤波器来提取有用信息
（4）该方法能够有效地反映主要信号特征及其高频成分的变化情况。由此可见, 对其频率特性的研究对于实际应用具有重要意义. 在这一过程中, 通过该方法能够将已调信号分解至频域, 从而方便后续分析.
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分频段综合：
通过将目标的辐射噪声信号分成几个频段，并对各频段进行DEMON处理后进行综合分析，在这种情况下产生的DEMON图可能出现具有连贯性的区域而导致主光栅覆盖不明显的情况。因此必须先从噪声型式的DEMON图结果中去除这些连续部分，并对手工修正后的数据进行线性光栅去污处理。经过上述步骤后即可获得较清晰的目标辐射光栅信号
线谱净化 ：
通过采用α双向滤波器能够实现将两种不同类型的频带分离开来。具体操作步骤如下：利用该滤波器获取待分析目标辐射噪声DEMON频带的趋势项。为实现线频带与连续频带的分离需设定一个临界阈值。其数值设定为该DEMON趋势项与某一固定数值的比例关系。超过此阈值的部分予以保留而低于或等于阈值的部分予以剔除即可实现对线频带与连续谐波分量的有效分离。
α双向滤波器 ：
属于一类一阶递归滤波器，在处理目标辐射噪声信号时具有良好的去噪性能；其中α双向滤波器的工作原理由下式表示：对于待被平滑的目标辐射噪声信号s(n)，其长度为N，在n=1,2,…,N-1以及m=1,2,…,N的范围内进行运算
对信号序列进行DEMON分析的具体实现流程如下[7]【4】【5】：
选取目标噪声时，应优先考虑具有显著调制幅度的频段；对于船舶水下辐射噪声分析，则通常建议在大于1kHz的频段范围内进行研究；在此基础上将该分析对象按均值、比例或频率区间等方式划分为 N 个子频带；通过时域滤波处理后，并采用平方检测法对各子频带的信号进行处理；最终可获得该子频带的能量谱特征值——即所谓的DEMOn谱 。记作 P i, 其中i=1,2,…N
目标的轴频、叶频、叶片数等信息，关系如下：【3】
参考资料
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