基于小波域多尺度统计建模的水下噪声的检测与识别

研究了基于小波域多尺度树结构的水下噪声信号统计概率模型的建模方法。实验分析表明,船舶辐射噪声的模型特征不仪与海洋环境噪声的有很大差异,而且在不同工况下自身也表现出了不同特点。根据海洋环境噪声和船舶辐射噪声在模型参数上的特征差异,提出了一种从海洋环境噪声中检测船舶辐射噪声的方法,实验证明了该方法的检测性能大大优于以前提出的几种检测方法。另外,为了更好地解决船舶辐射噪声的分类问题,在研究了基于隐马尔可夫统计模型的分类方法的基础上,还提出结合支撑向量机和隐马尔可夫模型的综合分类方法,实验分析也取得了较好的结果。     

舰船辐射噪声超混沌现象研究

水下弱目标探测和识别一直是水声信号处理领域中研究的难点。从Lyapunov指数谱、吸引子相空间轨迹的演化、分形维数等方面，对船舶辐射噪声是否存在超混沌现象进行了研究。实验结果表明，船舶辐射噪声信号确实存在至少两个正的Lyapunov指数，即存在超混沌现象。辐射噪声吸引子在相空间中的轨迹具有多方向伸展的趋势，且不同类型目标的吸引子具有不同的分形维数。研究结果为建立精确描述辐射噪声信号的非线性模型、为水下弱目标信号探测和识别提供一定的理论依据。     

准周期随机声脉冲序列信号在浅海波导中的传播

准周期随机声脉冲序列作为船舶辐射噪声信号模型具有合理性和一定普适性,这里将此模型与海洋波导结合,探讨基于此模型产生的噪声线谱经波导传播后的物理规律变化,即船舶辐射噪声经波导作用后的信号物理特性。理论分析和传播仿真计算表明,准周期声脉冲序列船舶噪声信号所含有的线谱由于受随机波导的随机性和多途干涉共同作用,序列脉冲出现的周期性显著被削弱,线谱相对幅度将"额外"快速衰减,从一个视角揭示了船舶辐射噪声线谱不稳定的原因,为船舶辐射噪声(尤其线谱)特性进一步研究提供了相应的理论支持。      

水下目标辐射噪声的非线性检验

由于非线性是混沌产生的必要条件,所以讨论一个观测时间序列是否具有非线性,对进一步利用混沌时间序列方法分析观测时间序列很有意义。本文讨论水下目标辐射噪声信号中非线性问题,运用替代数据方法,根据实验数据与替代数据之间峭度和自相关两个量的差异性,分析了水下目标辐射噪声信号中的非线性成分,得出结论：水下目标辐射噪声信号中存在非线性成分,且这种非线性不是由于静态测量函数的非线性引起的,为利用非线性时间序列分析方法分析水下目标噪声信号提供了理论依据。     

水下声学滑翔机用于东印度洋声传播特性分析及声源估计

常规实验方法无法同步获取深海大尺度声学和水文数据,水下滑翔机可作为同步观测平台解决该问题.首先利用在东印度洋北部海域水下滑翔机同步获取的声传播和水文实验数据,分析了水下滑翔机的自噪声谱级和实验海区声传播特性,然后推算并修正了滑翔机水下运动轨迹,利用第一影区水下滑翔机接收声传播信号的脉冲多途到达时间差对声源进行测距与定深。潜标接收噪声与滑翔机自噪声谱级对比表明,水下滑翔机在海洋中无动力运动时的系统自噪声接近于潜标观测的海洋环境噪声。滑翔机实测的声传播损失与模型计算结果吻合较好,第一影区水下声源测距定深结果与实际位置较为一致,测距与定深的相对误差均小于5%。利用加载水听器的水下滑翔机可以实现水文环境数据与声学信号的同步观测,对深海声传播特性测量及定位算法研究具有重要意义。      

浅析水下高速航行体对转螺旋桨辐射噪声线谱建模

分析了某水下高速航行体辐射噪声线谱统计特性,指出对转螺旋桨水下高速航行体线谱主要由螺旋桨“叶片速率”线谱及其谐波频率线谱组成。在此基础上,以周期信号为模型建立了航行体辐射噪声线谱数学模型,并应用该模型对不同转速航行体辐射噪声线谱频率进行了预测。     

船舶典型结构损耗因子实验及应用

损耗因子是衡量系统阻尼特性并决定其振动能量耗散能力的重要参数,对船舶水下噪声预报分析具有重要影响。针对船舶结构特点,选取内底板、舱壁板和甲板等典型结构建立实验模型,基于瞬态衰减法,对船舶典型结构损耗因子进行测试,分析、掌握其特性规律。在此基础上,开展船舶典型结构损耗因子水下噪声预报应用研究,结果表明,损耗因子对船舶水下噪声预报具有较大影响,尤其高频段水下辐射噪声对损耗因子更为敏感,进行船舶水下噪声预报时需开展相关损耗因子测试。     

船舶辐射噪声的混沌现象研究

水下弱信号的检测和识别是当今水声信号处理领域中存在的难题．应用混沌、分形理论，从根空间轨迹、Lyapunov指数和关联维等方面研究了船舶辐射噪声的混饨现象，发现船舶辐射噪声信号的确存在混沌吸引子，且不同类别的信号具有不同的吸引子维数．这一结果将为水声信号处理，为水下目标探测和识别提供崭新的理论手段。     

海面干涉对船舶水下辐射噪声测量的影响及其消减方法

针对海面干涉对船舶辐射噪声测量的影响,进而导致声源级测量不准确的问题,文章给出了利用时间平均、深度平均、1/3倍频程谱级3种数据处理方法减弱海面干涉的影响,通过模型仿真验证了以上方法的有效性。根据船舶水下辐射噪声测量的国际标准,在浅海测量了某新型科考船不同航速下的水下辐射噪声,并采用前述方法进行了数据处理与分析。计算了不同航速下被测船舶辐射噪声1/3倍频程频带声压级,并与挪威船级社发布的辐射噪声衡准值进行了对比。结果表明被测船舶噪声低频控制较好,高频控制较差,高航速(13 kn)被测船舶的2 kHz以上辐射噪声大于衡准值。      

基于二级自适应滤波的水下目标动态谱线增强算法研究

为了从非高斯噪声环境中有效提取水下目标辐射的线谱信号,以提高水下探测系统检测水下目标的能力,提出了基于二级自适应滤波的水下目标动态谱线增强算法,该算法用基于高阶累积量能量幂函数变步长极性迭代的自适应谱线增强器作为第一级,用传统的自适应谱线增强器(ALE)作为第二级,实行串级联接。用输入信号的峭度定义了峭度信噪比,并用此分析了该算法的性能。用水下某目标辐射线谱的实测数据,对该算法的性能进行了仿真研究。结果表明:当环境噪声为瑞利噪声或混合噪声(包含均匀分布、瑞利分布和拉普拉斯分布的噪声成分)时,该算法与ALE算法相比,有良好的抑制抑高斯噪声或非高斯噪声、提高信噪比和跟踪时变信号的性能。     

Propagation of quasi-periodic random sound pulse sequence signals in shallow-water waveguides

It is an efficient method to model ship radiated noise as quasi-periodic random sound pulse sequences.Based on the model,this paper discusses the characteristics change of ship noise after through shallow-water waveguides.Theoretical analysis and numerical simulation show that random waveguides and multi-path effects can bring much additional transmission loss for the noise line spectra,demonstrating the instability of ship radiated noise line spectra to a certain extent,and providing some theoretical support for advanced studies of ship radiated noise.     

海洋信道随机性引起的船舶噪声线谱衰减

阐述准周期性随机声脉冲序列作为船舶噪声模型的普适性,侧重讨论船舶噪声准周期性随机声脉冲序列所产生的线谱经随机海洋信道传输后的变化。指出在大多数工况下,船舶噪声并不是以几种不同频率的加性正弦波直接叠加在宽带连续谱噪声上,而是一类本身并不含有任何有限强度加性正弦波分量的信号。研究结果表明:海洋信道多途效应引起船舶噪声脉冲序列信号时域上时延扩展;海洋信道的随机性使船舶噪声随机声脉冲序列信号准周期性下降,导致船舶噪声线谱相对幅度“额外”快速衰减,对于存在大范围不均匀水团的海洋信道,50 km传播距离上其介质随机起伏引起的船舶噪声线谱“额外”衰减最高可达11 dB。海洋信道随机性引起的船舶噪声线谱衰减不可忽视。      

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。     

水下翼型结构流噪声实验研究

为测量流激水下翼型结构的流噪声,提出了一种混响箱测量方法。在重力式水洞中搭建了一套实验测量系统,利用混响箱法测量了水下翼型结构模型的辐射声功率。在此基础上研究了流速及结构参数(厚度、肋、声学覆盖层)对其辐射声功率的影响。结果表明:当流速小于5 m/s时,辐射声功率随流速的6次方增长,符合偶极子的辐射规律;当流速大于5 m/s时,辐射声功率随流速的10土1次方规律增长,不再按偶极子的规律辐射;若对水下翼型结构模型加厚、加环肋及外部敷设黏弹性材料,均可在一定程度上抑制流噪声。此研究方法可对水下复杂结构的辐射声功率测量及结构优化设计提供一定的参考。      

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。     

水声被动目标识别技术挑战与展望

低频水声探测和船舶减振降噪技术发展,使得传统水声目标识别技术性能逐渐下降。该文分析了声呐工作带宽、探测频率、船舶减振降噪给识别技术带来的挑战。针对低频声呐广泛使用的低频线谱识别,研究了低频线谱的识别能力问题;针对智能识别技术发展,研究了深度学习技术在船舶辐射噪声识别中的应用问题,并给出了数据试验结果,文章最后指出了水声被动目标识别技术亟需开展的研究内容和方向。     

基于时延神经网络模型的舰船辐射噪声目标识别*

水声目标被动识别是水声信号处理领域的研究热点之一。海洋环境中存在的不规则噪声干扰,使得基于传统方法的水声目标被动识别技术在实际的应用场景中效果不佳。本文采用一种基于时延网络(Time Delay Neural Network,TDNN)模型的舰船辐射噪声目标识别方法,该方法利用目标的短时平稳特性和长时关联特性对目标的声纹特征进行建模,使用梅尔谱图提取目标信号的初级特征,再通过融合注意力机制和时延神经网络的深度学习模型实现高级特性提取,最后再利用余弦相似度实现不同目标的类别划分。该方法在ShipsEar数据集和自行采集的数据进行测试验证,目标识别准确率分别达到79.2%和73.9%,可证明本文方法的有效性。     

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。      

匹配场处理舰船辐射噪声级估计方法

针对水声信道对舰船辐射噪声声传播的影响,进而导致声源级测量结果不准确的问题,提出了基于匹配场处理的舰船辐射噪声级估计方法。在海洋环境噪声为空间均匀高斯白噪声的假设下,当海洋环境参数已知、信噪比满足一定要求时,匹配场处理能有效地给出被测噪声源的位置信息及该位置处的能量响应。从能量估计角度出发,推导了声源位置处匹配场输出响应的能量修正因子计算公式,从理论上证明了匹配场处理在被测声源位置处输出响应与能量修正因子的乘积为真实声源级的最小方差无偏(MVU)估计。该方法首先选择合适的声场计算模型计算拷贝场向量,对接收到的辐射噪声信号进行匹配场处理,得出接收信号级和被测声源位置;其次利用该位置所对应的拷贝场向量替换能量修正因子公式中的真实信道传输函数以计算能量修正因子的估计值;最后由接收信号级与能量修正因子估计值相乘得出舰船辐射噪声声源级的MVU估计。针对典型的浅海水声信道,进行了计算机仿真试验,结果表明:该方法能有效地进行舰船辐射噪声测量,当信噪比满足一定要求时,测量得到的声源级与实际声源级相比,误差小于1 dB。