海洋环境噪声中的α稳定分布模型

针对海洋环境噪声的非高斯特性,将α稳定分布模型应用到噪声统计建模中。基于模型特征指数与样本峰度物理意义的相似性,建立了二者的对应关系,并推导得出相互独立的两个随机变量之和的峰度。通过数值仿真,表明了α稳定分布对尖峰态噪声建模的可行性和适应性。以安静环境、气枪干扰、航船干扰3种典型环境下的海上实测数据为样本,借助分位数图判断了样本的非高斯特性,并利用分位数法和特征函数法联合估计了模型的参数,得出了特征指数的统计规律:安静环境下特征指数接近2.0,趋近于正态分布;气枪干扰下特征指数介于1.2~1.7之间,具有尖峰厚尾特性;航船干扰下与航速、干扰源到接收位置距离有关,航船影响越显著,特征指数越小,该现象恰好与干扰噪声的峰度变化在物理意义上一致。模型验证结果表明,α稳定分布对3类样本均表现出良好的建模效果,尤其对具有尖峰特性的气枪干扰噪声,效果远远优于正态分布。      

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。     

非高斯噪声激励下含周期信号FitzHugh-Nagumo系统的响应特征

研究了非高斯噪声激励下含周期信号的FHN模型的动力学行为. 通过计算神经元的平均响应时间、观察神经元的共振活化和噪声增强稳定现象,分析了非高斯噪声对神经元动力学行为的影响. 发现通过改变非高斯噪声的相关时间可以有效地改变共振活化和噪声增强稳定现象. 观察到在强相关噪声下不同强度的非高斯噪声抑制了神经元的噪声增强稳定现象而共振活化现象几乎不变,也就是非高斯噪声有效地增强了神经响应的效率. 观察了平均响应时间与非高斯噪声参数q之间的关系,当q为一个有限的小于1的值时,平均响应时间取得最小值. 最后表明在一定条件下,非高斯噪声出现重尺度现象,即非高斯噪声产生的效果可以由高斯白噪声来估计. 关键词： FHN神经系统 非高斯噪声 平均响应时间 共振活化现象     

一种基于非完整二维相空间分量置换的混沌检测方法

由于混沌时间序列和随机过程具有很多类似的性质, 因而在实际中很难将两者区分开来. 混沌信号检测与识别是混沌时间序列分析中一个重要的课题. 混沌信号是由确定性的混沌映射或混沌系统产生的, 相比于高斯白噪声序列, 其在非完整的二维相空间中表现出更加丰富的结构特性. 本文通过研究混沌时间序列和高斯白噪声序列在非完整二维相空间中的分布特性, 利用混沌信号的非线性动力学特性, 提出了一种基于非完整二维相空间分量置换的混沌信号检测方法. 该方法首先由接收序列得到非完整的二维相空间, 基于第一维分量大小关系实现对第二维分量的置换与分组, 进一步求得F检验统计量. 然后利用混沌系统的局部特性, 获取非完整二维相空间的动力学结构信息, 实现对混沌序列的有效检测. 在高斯白噪声条件下对多种混沌信号进行了信号检测的数值仿真. 仿真结果表明: 相比置换熵检测, 本文所提算法所需数据量小、计算简单以及具有更低的时间复杂度, 同时对噪声具有更好的鲁棒性.     

东印度洋海域风和降雨对环境噪声的影响

海面风和降雨对海洋环境噪声影响显著,利用海洋环境噪声模型结合风速和降雨率参数可对环境噪声谱级进行预报.本文研究了东印度洋海域环境噪声特性,分析了海面风速和降雨率对海洋环境噪声的影响规律,结果表明没有降雨时高频段噪声谱级与风速的相关系数可达0.59,存在降雨时高频段噪声谱级和降雨率的相关系数可达0.85,强降雨可使高频段环境噪声谱级增大6 dB以上.同时修正了风生噪声源级公式使其适用于东印度洋深海环境,修正后模型预报强降雨噪声谱级与实验数据整体误差在2 dB以内.利用小范围降雨噪声数据对模型进行验证时发现,在小范围降雨时噪声源模型采用海面非均匀降雨噪声源,比采用均匀噪声源的计算结果更加准确.修正后的风生及降雨噪声模型对东印度洋海洋环境噪声特性预报具有重要意义.     

浅海舰船噪声声强流的垂直方向性

浅海环境中,确定性声源的多途声信号干涉使得接收点处声强流的方向发生改变,不再与声源位置处的声强流方向一致。只测量声场的标量声强时,无法得到接收点处声强流的垂直方向性,而基于简正波矢量场建模和仿真,可获得理想条件下宽带点声源激发声场声强流的垂直方向性。本文采用单矢量水听器进行海上实验,获得了海洋环境噪声和干扰条件下舰船噪声声强流的垂直方向性。仿真和实验结果表明:远场条件下,浅海干涉现象引起接收点处声强流的方向(极角)随频率和距离变化,其时间-频率分布呈现与LOFAR谱干涉条纹相似的条纹,声强流的极角值主要分布在70?～110?范围内。     

功率谱反演大气湍流随机相位屏采样方法的研究

从产生大气湍流随机相位屏的功率谱反演法原理出发,分析了均匀采样造成的随机相位屏大量低频信息泄漏的不足,提出利用非均匀采样方法对功率谱进行滤波产生随机相位屏.建立了非均匀采样模型,并分析比较了两种采样方法覆盖的采样频率范围和单边采样频率区域的湍流功率,理论证明了非均匀采样功率谱反演产生大气湍流随机相位屏的可行性和有效性.针对大气湍流的Kolmogorov谱,分别仿真计算了两种采样模型下功率谱反演生成的大气湍流随机相位屏.仿真结果表明,在不增加采样点和计算量条件下,非均匀采样方法生成的大气湍流随机相位屏具有丰富的低频和高频信息,有效改善了传统功率谱反演大气湍流随机相位屏时低频信息严重不足的缺陷.     

宽频带海洋环境噪声矢量场空间相关特性建模

基阵的信噪比增益与噪声场空间特性密切联系,海洋环境噪声空间特性建模始终是水声学研究的热门问题.声纳功能不同,其工作频段和带宽通常也不相同,因此,任意频带噪声场的空间相关系数对声纳系统设计具有重要参考价值.依据海洋环境噪声场的产生过程,在高频近似条件下,本文提出一种噪声场时域建模方法,给出了水平分层介质中表面噪声时域声压和质点振速的积分表示,为噪声矢量场宽带模型的建立奠定了基础.根据风成噪声谱结构,数值计算了不同频带、不同谱斜率的噪声场空间相关系数,揭示了带宽、谱结构对风成噪声空间特性的影响规律.随着阵元间距和带宽增大,噪声矢量场各分量的空间相关系数的振荡周期数逐渐减少,振荡幅度逐渐减小,这是由于噪声场相关系数频域平均的结果.当谱斜率小于零时,宽频带噪声场的空间相关半径大于窄带噪声场的相关半径,这是由于低频段噪声起主要贡献的结果,实测海洋环境噪声声压场竖直方向空间相关特性变化规律与理论结果一致.本文模型对换能器成阵技术研究以及环境参数反演具有潜在应用前景.     

北极海域海洋环境噪声建模与特性分析

北极海域海洋环境噪声的特殊性在于具有偶发的尖脉冲声,为分析其特性与规律,首先建模仿真分析不同脉冲噪声下高斯分布与α稳定分布的拟合效果,验证后者的鲁棒性。再从实测北极海域噪声中选取三种典型环境噪声为样本,通过对其非高斯性判定及不同分布模型对比,验证α稳定分布在北极海域环境噪声统计特性建模中的有效性,同时研究不同深度、不同频段对模型参数的影响,最后通过各月参数的统计结果与海冰密集度分析冰下噪声成因。由于通道数量有限,没有给出所有深度的变化规律。结果表明,北极海域冰下环境噪声具有明显脉冲成分和非高斯性,利用α稳定分布能更好的描述其统计特性;100Hz可作为冰下环境噪声脉冲性干扰源的划分界限;结冰期环境噪声具有强烈的非高斯性,而冰封期则高斯性较强。     

海洋环境噪声空间相关特性建模综述*

相对于大多数声纳,海洋环境噪声通常被视为背景干扰。水听器基阵的信噪比增益成为了基阵设计和性能估计的重要参数。从空间相关特性的角度看,当信号场已知时,阵增益可唯一由噪声场的空间相关特性来确定,这就是海洋环境噪声空间相关特性建模的动机。根据环境和声场之不同,文献中已给出几种不同的噪声场模型。为了阐明已有模型的特点及未来的研究方向,本文对噪声场空间相关特性建模做了简要综述。     

The α stable distribution model in ocean ambient noise

In view of the non-Gaussian ocean ambient noise,the a stable distribution is applied to the statistical modeling.Firstly,the correspondence between the model characteristic exponent and the sample kurtosis is established based on the similarity in physical meaning of the two.And the kurtosis of the sum of two independent random variables is deduced,and this can be used to explain the kurtosis characteristic of interfered background noise.Secondly,some numerical simulations are made to model samples with higher and lower kurtosis than three,the results show good adaptability in leptokurtic distribution.Finally,three typical samples are taken under quiet environment,air gun interference and ship interference environment.Their Gaussianities are judged by the quantile-quantile plot.And then the four parameters of the model are estimated by the quantile based method and characteristic function based method jointly of the three categories.The statistical law of the characteristic exponent is emphatically analyzed:in the quiet environment,the characteristic exponent is close to 2.0,which is the value of Gaussian model;but for the air gun data,it is between 1.2 and 1.7,which means leptokurtic;and under the interference of the sailing ship,the value of a is related to the ship speed and the distance from the ship source to the receiving location,the more significant the ship impact is,the smaller the characteristic exponent is,which is consistent with the variation of kurtosis of disturbing noise in physical meaning.The results of the model verification show that the a stable distribution behaves well under the above three kinds of trial conditions,especially for the air gun environment which is far superior to the normal distribution.     

海面波浪对海洋环境噪声垂直空间相关性的影响

研究了由海浪谱导得的噪声源的相关函数对海洋环境噪声垂直空间相关性的影响。常用的海洋环境噪声空间相关性模型一般假设海面噪声源是非相关的,这种假设可以解释一些物理现象,但是与真实情况并不符合。考虑到风成噪声与海浪运动的相关性,引入海浪谱,得到噪声源的相关函数,利用Kuperman-Ingenito (K/I)噪声模型,计算海洋环境噪声的垂直相关性。通过仿真结果与实验数据对比可以看出,在高风速下,假设噪声源不相关时计算得到的噪声场垂直相关性与实验结果相差较大,而利用由海浪谱导得的噪声源的相关函数计算得到的噪声场的垂直相关性与实验结果符合较好。      

台风“启德”对南海深海海洋环境噪声特性的影响研究

研究台风“启德”经过南海北部对南海深海海洋环境噪声的影响,表明台风导致的风速增减、降雨强弱以及形成的长波涌浪均会影响海洋环境噪声级的大小变化,海洋环境噪声显著受到台风的影响。相同风级下,台风期间海洋环境噪声级与风速的相关性明显好于非台风期间。分析测量的415 h海洋环境噪声数据与风速、波高的相关性,频率大于300 Hz时,海洋环境噪声级与风速的互相关系数大于0.5,达到中度相关;频率大于630 Hz时,互相关系数介于0.8和0.9之间,达到高度相关;频率大于300 Hz时,海洋环境噪声级与风速的相关性好于海洋环境噪声级与波高的相关性。南海海洋环境噪声10~20 Hz的次声频与风速的相关性差,是因为南海航运繁忙,该频段的海洋环境噪声会受到航船噪声的影响,即使台风期间也不例外。      

Effects of typhoon "KAI-TAK" on deep ocean ambient noise in the South China Sea

By investigating the effects on deep ocean ambient noise of typhoon "KAI-TAK" which passed the north area of the South China Sea,it is shown that the wind speed,the rainfall intensity and the long wave swell caused by typhoon affect the ocean ambient noise significantly.The correlation between the ocean ambient noise and the wind speed during the typhoon is much better than that in the non-typhoon period in the same Beaufort scale.Analysis of the correlation between the 415 h ocean ambient noise measured data and wind speed shows that,when the frequency is greater than 300 Hz,the correlation coefficient between the ocean ambient noise and the wind speed is greater than 0.5,achieving a moderate correlation;when the frequency is greater than 630 Hz,the correlation coefficient is between 0.8 and 0.9,achieving a high degree of correlation.The correlation between the ocean ambient noise and the wind speed is better than that between the ocean ambient noise and the significant wave height when the frequency is greater than 300 Hz.The correlation between the ocean ambient noise and the wind speed in infrasonic band from 10 Hz to 20 Hz is poor in the South China Sea,because the shipping is busy in this sea area and the ocean ambient noise is contaminated by the ship noise even during the typhoon.     

岛礁海域海洋环境噪声垂直分布和垂直指向性

依据岛礁海域复杂海底地形、海试期间航船分布和实测风速数据,应用射线声传播理论,建立岛礁海域海洋环境噪声三维模型。在海试岛礁海域深海声道条件下,采用射线3D算法,仿真计算了32元垂直测量阵所处265~885 m负声速梯度深度范围内1 kHz风关和50 Hz远处航船海洋环境噪声级垂直分布,以及50 Hz航船海洋环境噪声垂直指向性,并与实测分析进行比较。结果表明,仿真结果与海试实测数据一致性良好。在本例海底起伏、接收点周边存在众多岛礁和海底山的三维环境中,1 kHz风关海洋环境噪声级随深度分布较近于均匀;西南方向较远处航道区海域海底较平坦,航道区至接收阵为缓斜坡海底,50 Hz远处航船海洋环境噪声级随深度有所增加,其噪声垂直指向性无明显水平凹槽。文中建立的岛礁海域海洋环境噪声三维模型,可较好地表征本例岛礁复杂地形海底起伏海域的风关和航船海洋环境噪声级的垂直分布、及航船环境噪声的垂直指向性,实测和仿真的岛礁海域海洋环境噪声相关数据,可供实际应用及相关研究参考。      

考虑噪声源深度分布的海洋环境噪声模型及地声参数反演

考虑到海洋环境噪声源深度分布不集中,建立了噪声源随深度分布的海洋环境噪声模型,分析了源深度对噪声场垂向特征的影响并从简正波角度予以解释,发现海底声阻抗和声源深度都显著影响由海洋环境噪声获得的等效海底反射损失大掠射角部分,进而将该模型用于地声参数反演.两段实测噪声数据200—525 Hz频段的反演结果表明:基于海洋环境噪声的地声参数反演最优值与声传播的反演结果相近;源平均深度最优值随频率增加有变小的趋势,说明随频率增加环境噪声主要贡献源逐渐由航船转为风浪;当海况大于3级时,400 Hz以上频段噪声源深度平均值很小,与Monahan气泡理论的描述一致.     

A high-frequency warm shallow water acoustic communications channel model and measurements

Underwater acoustic communication is a core enabling technology with applications in ocean monitoring using remote sensors and autonomous underwater vehicles. One of the more challenging underwater acoustic communication channels is the medium-range very shallow warm-water channel, common in tropical coastal regions. This channel exhibits two key features-extensive time-varying multipath and high levels of non-Gaussian ambient noise due to snapping shrimp-both of which limit the performance of traditional communication techniques. A good understanding of the communications channel is key to the design of communication systems. It aids in the development of signal processing techniques as well as in the testing of the techniques via simulation. In this article, a physics-based channel model for the very shallow warm-water acoustic channel at high frequencies is developed, which are of interest to medium-range communication system developers. The model is based on ray acoustics and includes time-varying statistical effects as well as non-Gaussian ambient noise statistics observed during channel studies. The model is calibrated and its accuracy validated using measurements made at sea.     

The effect of ocean wave on the vertical spatial correlation of ocean ambient noise

The effect of the correlation function of noise sources derived from the ocean wave spectrum on the vertical spatial correlation of ocean ambient noise is investigated. The spatial correlation models of ocean ambient noise usually assume that the surface noise sources are uncorrelated. This assumption can be used to explain some physical phenomena, but it is not consistent with the real situation. Considering the relation between the ocean wave motion and the ambient noise generated by wind, the spectrum of ocean wave is introduced to calculate the vertical correlation of ocean ambient noise as the correlation function of noise sources by using the Kuperman-Ingenito(K/I) noise model. The comparison of the simulations and the experimental data shows that the simulations of vertical correlation of ambient noise have some differences with the experimental data by assuming the noise sources are uncorrelated and the simulations of vertical correlation of ambient noise have a good agreement with the experimental data by using the correlation function of noise sources derived from the ocean wave spectrum under the situation of high wind speed.