船舶辐射噪声信号仿真及评价

船舶辐射噪声信号仿真应尽可能多地仿真特定船舶辐射噪声的信号特征,达到具体应用对信号仿真度的要求。对船舶辐射噪声仿真信号进行评价,是调整仿真参数和判定仿真信号是否达到要求的必要步骤。该文给出了一套对实测船舶辐射噪声信号进行重构仿真及评价的方法,仿真过程考虑了信号的听觉、连续谱、调制谱和线谱特征,评价方法对各特征进行指标提取和量化,并通过实测与仿真信号之间的相似度计算评价仿真信号的仿真度。对实测船舶辐射噪声信号进行重构仿真的试验结果显示,仿真信号具有较高的特征仿真度,与计算的仿真度评价数值一致。     

舰船多辐射声源近距离通过特性的仿真

由于舰船三个特定部位(尾部、中后部、中部)的辐射噪声具有明显不同的功率谱特征,利用这些特征具有实际的意义。我们采用简化的近距离舰船辐射噪声三亮点模型来逼近舰船这三个特定部位的辐射噪声中的连续谱结构,采用时间滑动的卷积算法来重构舰船某一辐射噪声源的噪声序列,重构的噪声序列同时具有要求的幅度概率分布和功率谱形状。在重构不同辐射声源时域信号的基础上,对舰船辐射噪声的通过特性以及三个辐射噪声源在不同的接收位置的影响进行了仿真。仿真结果与实测的某型舰船的通过频谱结果相比较,表明其频域特征是大体一致的。     

一种重构辐射噪声调制谱的方法

在进行辐射噪声信号的仿真研究中,希望利用经滤波、特征提取等处理所得到的反映目标特性的线谱、连续谱、调制谱来重构辐射噪声,以便于研究辐射噪声在声场中的传播特性。本文提出了利用迭代算法估算调制深度谱的算法,给出了时域辐射噪声的重构模型,以实测数据的调制谱为出发点,来重构其时域信号,并对重构前后的调制谱进行了误差分析,取得了较好的效果。     

感知线性预测在水下目标分类中的应用研究

提出了基于感知线性预测(PLP)的模仿人耳听觉特性来提取水声信号鲁棒特征的方法。运用听觉心理学的三个概念: (1)临界带谱分析、(2)等响度曲线、(3)强度响度听觉幂率,形成估计听觉谱的方法,可获得一个12阶全极点模型的鲁棒特征矢量。运用这一特征矢量进行训练和识别的实验结果表明:(1)在不同的频率段内,人耳对6类目标辐射噪声信号敏感程度是不同的。(2)提取的基于听觉感知水下目标特征具有鲁棒性。(3)通过此方法提取的特征维数较低,运算速度快,识别的正确率比以往有所提高。     

一种基于功率谱特征参量的水中目标辐射噪声非母板匹配分类识别方法

本文阐述了一种非母板匹配的水中目标辐射噪声分类识别的思想、技术路线及算法的计算机实现关键技术。该算法基于提取水中目标辐射噪声信号功率谱中的最强谱带位置、线谱位置、线谱根数、线谱平均间隔等特征参量，通过特定处理后，直接给出识别结果，不需要附带庞大数据库。经试验验证，该技术突破了传统的母板匹配目标识别的算法思想，能够适用于复杂海况，做到宽容性匹配。识别效率高，识别率达到试验预期要求。     

基于听觉模型的话者特征参数提取及其在噪声背景下的话者辨识

本文基于人耳听觉模型提出了一种鲁棒性的话者特征参数提取方法。该种方法中,首先由Gamma tone听觉滤波器组和Meddis内耳毛细胞发放模型获得表征听觉神经活动特性的听觉相关图。由听觉神经脉冲发放的锁相特性和双声抑制特性,我们将听觉相关图每个频带中的幅值最大频率分量作为表征当前频带特性的特征参量,于是所有频带的特征参量便构成了表征当前语音段特性的特征矢量;我们采用DCT交换进一步消除各个特征参量之间的相关性,压缩特征矢量的维数。有效性试验表明,该种特征矢量基本上反映了输入语音的谱包络特性;抗噪声性能实验表明,在高斯白噪声和汽车噪声干扰下,这种特征参数比LPCC和MFCC有较小的相对失真;基于矢量量化的文本无关话者辨识表明,对于三种类型的噪声干扰该种特征参数在低信噪比下都获得了较好的识别结果。     

基于多域特征提取和深度学习的声源被动测距*

由于实际海洋环境中存在大量的非高斯噪声,一些基于高斯假设的传统去噪方法在实际海洋环境中性能下降甚至失效。针对非高斯噪声,如α稳定分布噪声、非平稳行船噪声下的脉冲信号的去噪与重构,该文提出一种基于深度学习的方法。去噪模型首先通过学习带噪信号短时傅里叶变换谱与残差谱之间的映射关系以去除环境噪声,之后对去噪信号的时频谱进行逆变换重构脉冲信号。仿真实验结果表明,深度学习模型在非高斯噪声环境下脉冲信号的去噪与重构任务中有着良好的表现,在实测样本上也表现出良好的泛化性,体现了一定的工程应用价值。     

参数未知的舰船辐射噪声检测方法

舰船辐射噪声的检测方法已有广泛研究,其中线谱特征是检测的重要依据。基于线谱特征的舰船辐射噪声检测方法常需要线谱数目、频率等参数作为检测的先验信息,这些信息不准确或无法确知时,检测方法的性能会受到显著影响。针对实际应用中对于未知舰船无法获得其参数信息的情况,研究基于连续谱谱峰特征的更为一般性的信号存在性检测方法。将窄带信号瞬时频率分析的思想扩展到舰船辐射噪声这类宽带信号,从信号频率与能量分布的角度推导得到宽带信号"瞬时频率"的近似表示式。构建宽带信号的瞬时频率检测器,并对其性能进行理论分析,结果表明该检测器的性能主要受舰船辐射噪声瞬时频率方差以及接收信噪比影响。通过计算机仿真和实际数据对算法的性能进行了验证。      

解调带宽对船舶辐射噪声调制谱的影响

利用傅里叶分解原理建立了幅度调制的船舶辐射宽带噪声信号数学模型,导出了基于平方解调算法船舶辐射噪声调制谱数学表达式。通过理论分析和仿真计算得到了关于调制谱分析两个新的结论:(1)解调性能与解调处理带宽关系:在声呐接收的船舶辐射噪声各频带调制度相同时,解调性能正比于解调所采用的带通滤波带宽,解调所采用的带通滤波带宽越宽,解调谱信噪比越高;(2)宽带解调谱和子频带解调谱之间关系:船舶辐射噪声宽带解调谱可以近似认为各子频带解调谱之和。为了验证以上两点结论,对实际船舶辐射噪声解调谱进行了相应处理,结果与仿真计算吻合较好。      

参数未知的舰船辐射噪声检测方法

舰船辐射噪声的检测方法已有广泛研究,其中线谱特征是检测的重要依据。基于线谱特征的舰船辐射噪声检测方法常需要线谱数目、频率等参数作为检测的先验信息,这些信息不准确或无法确知时,检测方法的性能会受到显著影响。针对实际应用中对于未知舰船无法获得其参数信息的情况,研究基于连续谱谱峰特征的更为一般性的信号存在性检测方法。将窄带信号瞬时频率分析的思想扩展到舰船辐射噪声这类宽带信号,从信号频率与能量分布的角度推导得到宽带信号"瞬时频率"的近似表示式。构建宽带信号的瞬时频率检测器,并对其性能进行理论分析,结果表明该检测器的性能主要受舰船辐射噪声瞬时频率方差以及接收信噪比影响。通过计算机仿真和实际数据对算法的性能进行了验证。     

船舶辐射噪声解调谱相位耦合特性与应用

研究了船舶辐射噪声解调谱谐波线谱的相位特性,通过对实际船舶辐射噪声数据分析,指出船舶辐射噪声解调谱线谱中轴频线谱相位和部分谐波线谱相位之和,与叶频线谱相位的差值为零或为一常数,即存在相位耦合关系。给出了频率具有耦合关系、相位差为非零常数谐波信号的高阶累量,并对这种谐波信号的高阶谱进行了仿真计算。研究了船舶辐射噪声解调谱线谱相位耦合特性的利用方法,通过对部分典型弱调制噪声信号高阶谱分析,指出利用相位耦合关系可以提高弱解调谱船舶目标的螺旋桨参数特征提取能力。      

矢量水听器拖曳阵的信号模拟器设计

本文中所设计的基于矢量水听器的拖线阵声纳模拟器,仿真了拖线阵的拖船干扰时域信号和空间传播特性,以及矢量水听器偶极子指向性。对于拖船干扰的仿真用Ecs模型来设定宽带功率谱,以AR模型来拟合指定功率谱,利用海底、海面对声场的一次反射作用仿真了拖船干扰的空间多途信道。利用插值滤波器的方法按照设定的时间精度仿真了宽带信号的阵元间精确延时。处理该模拟器所产生阵元时空采样仿真信号而得到的波束形成结果验证了该模拟器的有效性。     

A detecting method for line-spectrum target by fusing output DC jump to fluctuations ratio of sub-band spatial spectrum and beam space

The low frequency line components of the radiated noise from an underwater target usually have both high spectrum level and sustained stability.This feature could be used to increase the detection performance of conventional broadband energy integration method.The required spectrum level is theoretically discussed when the detection performance of the known line detection is better than that of broadband energy integration method.Under the condition of the target can be detected in line spectrum band,the relationship between the line spectrum level and signal to noise ratio(SNR)is also discussed.This paper proposes a line spectrum target detection method that a matrix using DC jump to fluctuations ratios of sub-band spatial spectrum and beam space output is constructed.This matrix acts as a filter that the line spectrum target with certain frequency and azimuth is passed at most.By fusing with the other sub band results,the conventional detection performance can be improved.At the same time,the applicable condition and detection performance are analyzed in the paper.The simulation and the sea trial data processing results show that the algorithm can effectively extract weak goal line spectrum target under the condition of multi-interference.The algorithm doesn't need multi-frame statistics and the detection performance is closer to the optimal line spectrum method.     

遗传算法优化变分模态分解提取舰船辐射噪声特征线谱方法

特征线谱提取是舰船目标识别的一个重要研究环节,常采用传统的DEMON谱分析方法,处理过程中,一般对舰船噪声时域信号未予抑噪,低信噪比情况下,传统DEMON谱分析性能差。对此,提出一种采用遗传算法优化变分模态分解方法,用于分解舰船噪声原时域信号,获得抑制噪声后的舰船噪声重构信号,进而有效提取了舰船目标噪声幅度调制特征线谱。该方法首先采用遗传算法优化变分模态分解的两个关键输入参数(分解所取模态个数和惩罚因子),对变分模态分解得到的各阶固有模态分量加以判别,去除噪声主导分量,保留信号主导分量,使重构舰船噪声信号显著抑制了干扰噪声,然后对降噪后的重构信号进行频谱分析,获得目标噪声调制特征线谱。理论分析、仿真和实验数据处理结果表明,相比传统DEMON谱分析法,基于遗传算法优化变分模态分解的舰船噪声特征线谱提取方法具有更好的噪声抑制能力,所获取的舰船噪声幅度调制特征线谱信噪比明显高于传统DEMON方法,具有一定优势,前景良好。     

An auditory periphery model for improving narrow-band noise recognition rate of underwater targets

The recognition rate of the auditory periphery features decreases when the model is used to identify underwater targets in practice. To solve this problem, an improved method based on Gammatone filter bank is proposed. Firstly, after the reason of the decreasing of the recognition results is analyzed,the mechanism of multichannel data acquisition in acoustic engineering may narrow down signal frequency range, which leads to time-frequency features distortion. Secondly, the Gammatone filter bank is implemented to simulate frequency decomposition characteristics of human ear basilar membrane. Since the class information of the underwater noise signal is mostly contained in low frequency range, the auditory features of the conventional model are interpolated and the channel number of the filter bank and the central frequency of each frequency band are adjusted accordingly to obtain a 27-dimensional feature vector of the narrow-band target signal. The adjusted model may reflect the target's timefrequency feature more precisely. Finally, the performance of the auditory features is tested by a Neural Network classifier. The experiment results show that the modified auditory model is more effective than the conventional ones. The major information contained in broadband signals is reserved and the classification ability for real targets is further enhanced. The recognition results are increased from 82.59% to 88.80%. The modified auditory features effectively improve the recognition rate for underwater target radiated noise signals.     

Chaotic signal denoising algorithm based on sparse decomposition

Denoising of chaotic signal is a challenge work due to its wide-band and noise-like characteristics. The algorithm should make the denoised signal have a high signal to noise ratio and retain the chaotic characteristics. We propose a denoising method of chaotic signals based on sparse decomposition and K-singular value decomposition(K-SVD) optimization. The observed signal is divided into segments and decomposed sparsely. The over-complete atomic library is constructed according to the differential equation of chaotic signals. The orthogonal matching pursuit algorithm is used to search the optimal matching atom. The atoms and coefficients are further processed to obtain the globally optimal atoms and coefficients by K-SVD. The simulation results show that the denoised signals have a higher signal to noise ratio and better preserve the chaotic characteristics.     

一种基于新型间歇混沌振子的舰船线谱检测方法

为了实现低信噪比下未知频率的舰船辐射线谱的检测,对常规型间歇混沌振子列检测方法进行了改进,提出了一种基于适应步长型间歇混沌振子的信号检测方法.该方法可以只用一个Duffing振子,通过设定一组能够覆盖待测信号所在频段的求解步长序列,实现对未知频率、具有任意初相位的微弱周期信号的搜索检测.为进一步提高系统的弱信号检测性能,分析了Holmes型Duffing方程在不同频率内置策动力下对弱信号灵敏度的差异.综合理论分析和仿真研究结果给出了Duffing振子在内置策动力角频率为0.4 rad/s时对弱信号检测性能最佳,并据此对所采用的Duffing振子进行了优化;仿真结果表明,改进后的Duffing振子的弱信号检测性能提高了12 dB.最后将此方法应用于一组含有舰船辐射线谱的实船数据,结果表明此方法可以实现低信噪比下的未知频率微弱线谱检测.     

A Sound Field Separation and Reconstruction Technique Based on Reciprocity Theorem and Fourier Transform

We show a method to separate the sound field radiated by a signal source from the sound field radiated by noise sources and to reconstruct the sound field radiated by the signal source. The proposed method is based on reciprocity theorem and the Fourier transform. Both the sound field and its gradient on a measurement surface are needed in the method. Evanescent waves are considered in the method, which ensures a high resolution reconstruction in the near field region of the signal source when evanescent waves can be measured. A simulation is given to verify the method and the influence of measurement noise on the method is discussed.     

基于信噪比通道宽度的光电成像系统匹配方法的研究

将光电成像系统中的光学系统和探测器视为线性系统,应用匹配滤波和等效平方带宽理论,综合考虑了系统的信噪比和带宽,建立了基于信噪比通道宽度的系统性能评价模型。利用评价模型进行计算机仿真。根据仿真结果分析,得出了光学系统与探测器的匹配特性和最佳匹配条件。