深海聲信號(hào)處理關(guān)鍵技術(shù)研究

杭州應(yīng)用聲學(xué)研究所 金江明

引言

在實(shí)際海洋環(huán)境中，水聲信號(hào)十分復(fù)雜，存在諸多水聲信道畸變與環(huán)境干擾等情況，尤其是在淺海環(huán)境中表現(xiàn)得更加顯著。在現(xiàn)代潛艇技術(shù)不斷發(fā)展的背景下，使其下潛深度與活動(dòng)范圍得到進(jìn)一步擴(kuò)大，為了完成作戰(zhàn)任務(wù)，潛艇通常需要進(jìn)入到深海區(qū)工作，為了提升水聲探測(cè)性能，將水聲探測(cè)器放置在約2000m的深海環(huán)境中，與優(yōu)良安靜的水文環(huán)境以及便于遠(yuǎn)距離傳聲的深海波導(dǎo)相結(jié)合，從而達(dá)到提高聲音在深海傳播效率的目標(biāo)。

1.深海與淺海聲信號(hào)傳播特性對(duì)比

1.1 淺海聲傳播特性

要想對(duì)聲音在深海中的傳播特性進(jìn)行分析，首先需要對(duì)其在淺海中的聲音傳播進(jìn)行分析。從地理學(xué)角度上看，淺海主要是指海面與海底距離不超過(guò)200m的區(qū)域內(nèi)，二者間形成淺海聲道，當(dāng)聲波在其中傳播時(shí)，會(huì)受到海面與海底的雙重作用。經(jīng)過(guò)相關(guān)調(diào)查研究表明，聲音在淺海中傳播時(shí)，其損失度受到海水介質(zhì)、海面、海底等多種因素的影響。由于聲場(chǎng)與上述參數(shù)的依賴度較高，因此在參數(shù)不明確的前提下，只能粗略的估算淺海的傳播損失。

淺海傳播受到溫度變化的影響，反應(yīng)較為靈敏，并且也隨之季節(jié)的改變而發(fā)生變化。在冬季時(shí)，由于受到風(fēng)浪與冷空氣的影響，淺海中通常會(huì)出現(xiàn)微弱的聲速階梯分布，形成表面聲道，提升了聲音的傳播效果；而在夏季時(shí)，由于受到風(fēng)動(dòng)與太陽(yáng)輻射的影響，在淺海區(qū)域往往會(huì)存在負(fù)躍層，進(jìn)而影響了聲音的傳播。由于淺海環(huán)境具有較強(qiáng)的復(fù)雜性，使該區(qū)域水聲信道的空間、時(shí)間、頻率等均發(fā)生了改變，傳播損失加大、環(huán)境噪聲較高、帶寬的使用有限，這些都將為水聲識(shí)別與探索帶來(lái)較大的不利影響。

1.2 深海聲傳播特性

在深海聲道中，主要是由深海聲速的分布特征而形成，在分布上存在極小值，深度上主要是從中緯度海區(qū)到極地海區(qū)之間的區(qū)域，SOFAR聲道標(biāo)準(zhǔn)分布模型為：

式中，z0代表的是聲速極小值時(shí)的位置；ε代表的是與最小值偏離后的量級(jí)；c0代表的是聲速極小值；B代表的是波導(dǎo)寬度；

同時(shí)，根據(jù)上述公式繪制1—5000m的聲速分布圖，根據(jù)折射定律可知，聲線總是朝著聲速極小值的位置彎曲。而聲速極小值能夠使海水具備與透鏡相似的功能，在極小值附近的聲速梯度，將使出射聲線的彎曲方向向極小值傾斜。由此可見(jiàn)，在深海聲道中，生源的發(fā)射處部分能量因沒(méi)有經(jīng)過(guò)海面、海底的反射產(chǎn)生了聲能損失，這些損失被存留在聲道內(nèi)部，單純的由于吸收效應(yīng)而發(fā)生衰減。由于在深海區(qū)域中，聲音在傳播過(guò)程中產(chǎn)生的損失較小，尤其是在生源的位置處，聲音信號(hào)能夠在聲道中傳播很遠(yuǎn)。

在深海聲道中，與淺海聲道相比來(lái)看，由于受到季節(jié)、洋流、海面風(fēng)力、波浪等因素的干擾較小，在水聲環(huán)境上相對(duì)來(lái)看較為安靜，因此聲音在傳播過(guò)程中受到的阻力較小，產(chǎn)生的損失較小，聲道效應(yīng)的穩(wěn)定性更強(qiáng)。另外，將聲源裝置放置到深海環(huán)境當(dāng)中，能夠減少聲源與接受裝置之間的復(fù)雜因素干擾。因此，深海環(huán)境中的優(yōu)良安靜能夠更加有利于聲音的傳播[1]。

2.深海聲信號(hào)處理的關(guān)鍵技術(shù)分析

2.1 去噪處理技術(shù)

在聲信號(hào)發(fā)射之后，對(duì)其進(jìn)行去噪處理顯得十分重要，去噪處理的方式多樣，主要包括兩種方式，分別為小波分析法與矩陣束算法，這兩種方式所適用的范圍與應(yīng)用效果不盡相同。對(duì)于平穩(wěn)性較差的信號(hào)來(lái)說(shuō)，通常采用小波分析法進(jìn)行去噪處理；對(duì)于較為穩(wěn)定的聲音信號(hào)來(lái)說(shuō)，一般采用矩陣束算法，通過(guò)傅里葉轉(zhuǎn)換等方式，對(duì)信號(hào)的頻譜特征進(jìn)行選取。由于聲音在深海中發(fā)射以后，屬于非平穩(wěn)性信號(hào)，加之在信號(hào)的類型上也有所區(qū)別，因此應(yīng)尋找相應(yīng)的去噪方式進(jìn)行解決。對(duì)此，在深海環(huán)境下，當(dāng)聲音發(fā)送出去以后，需要對(duì)其傳播特性進(jìn)行分析，選擇科學(xué)的理論作為基礎(chǔ)和參考，通過(guò)小波分析法與矩陣束算法相結(jié)合的方式，對(duì)聲音信號(hào)進(jìn)行處理。

（1）小波分析法屬于其中使用頻率最高的一種，在對(duì)深海聲音信號(hào)的處理過(guò)程中，主要的處理步驟為：首先，選擇一種小波基，并對(duì)該聲音信號(hào)進(jìn)行N層的分解，使其成為多個(gè)小波，在分解之后對(duì)各個(gè)層次系數(shù)中的閥值進(jìn)行選擇并處理；然后，將閥值處理后得到的系數(shù)通過(guò)小波進(jìn)行重構(gòu)，將其作為原始信號(hào)。

（2）矩陣束算法主要是基于奇異值分解來(lái)實(shí)現(xiàn)的，使用此種方式對(duì)深海聲音傳播進(jìn)行處理時(shí)，首先需要建立一個(gè)二維矩陣束，然后對(duì)所創(chuàng)立的矩陣進(jìn)行分解，將構(gòu)建后的矩陣劃分為不同的兩個(gè)子空間，一個(gè)為噪聲子空間，另一個(gè)為信號(hào)子空間，最終通過(guò)信號(hào)子空間完成對(duì)最終信號(hào)的獲取。這種方式對(duì)于指數(shù)類型信號(hào)來(lái)說(shuō)，在深海聲音傳播中對(duì)震蕩噪音的處理效果達(dá)到十分顯著的效果[2]。

2.2 聲音發(fā)射信號(hào)特征提取技術(shù)

在對(duì)深海聲音信號(hào)的處理時(shí)，人們通常將信號(hào)看成為線性或者高斯性，但事實(shí)上，聲音信號(hào)在傳播的過(guò)程中并不是這兩種特征，加之深海環(huán)境中存在諸多干擾因素，采用常規(guī)的信號(hào)處理技術(shù)無(wú)法對(duì)信息的特征進(jìn)行全面而準(zhǔn)確的提取，這時(shí)在對(duì)聲音信號(hào)進(jìn)行處理時(shí)，需要加強(qiáng)對(duì)此方面問(wèn)題的重視程度?，F(xiàn)階段，信號(hào)特征的主要提取技術(shù)為：分形特征提取法與高階譜特征提取法，具體為：

（1）高階譜特征提取法：與二階譜相比來(lái)看，能夠提供更多豐富、高價(jià)值的信息，具有較高的分辨率與較強(qiáng)的抗噪聲性能，采用此種方式能夠?qū)β曇粼谏詈－h(huán)境中的發(fā)射信號(hào)進(jìn)行分析，將測(cè)量信號(hào)從非高斯特征中提取出來(lái)，獲取到更多常規(guī)信號(hào)測(cè)量與分析中無(wú)法得到的信息。

（2）分形理論：基于信號(hào)自相似性誕生，在深海聲音信號(hào)中，很需要信號(hào)自身存在一定的特殊性，能夠展現(xiàn)出自身相似尺度的比例，由于此種信號(hào)與幅度等參數(shù)之間并不存在太大的聯(lián)系。

2.3 獨(dú)立分量分析技術(shù)

現(xiàn)階段，該技術(shù)不但在深海聲音檢測(cè)與分析的過(guò)程中得到應(yīng)用，在其他領(lǐng)域中也有所涉及。在對(duì)深海聲音信號(hào)進(jìn)行處理的過(guò)程中，首先能夠?qū)β曇粜盘?hào)進(jìn)行獨(dú)立分量和分離處理，然后將這些信息從獨(dú)立聲源中提取出來(lái)，并進(jìn)行處理，最終將聲音中存在的噪聲進(jìn)行過(guò)濾和清除。此種分析方式的實(shí)施原則為統(tǒng)計(jì)獨(dú)立，這在深海環(huán)境中，當(dāng)聲音信號(hào)的形式不明時(shí)，根據(jù)該原則便能夠?qū)崿F(xiàn)信號(hào)分解，進(jìn)而更加良好高效的進(jìn)行深海聲信號(hào)的分析與處理[3]。

結(jié)論

綜上所述，本文從實(shí)際需求出發(fā)，對(duì)深海環(huán)境中聲音的傳播特性與聲信號(hào)的處理技術(shù)進(jìn)行分析。通過(guò)研究和分析能夠看出，與淺海區(qū)域相比來(lái)看，深海區(qū)域由于受到阻礙和干擾因素較少，因此更有利于實(shí)現(xiàn)聲音的傳播。同時(shí)，在日后的研究中，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)去噪處理技術(shù)、獨(dú)立分量分析技術(shù)、聲音發(fā)射信號(hào)特征提取技術(shù)的關(guān)注度，為反潛作戰(zhàn)、海洋開(kāi)發(fā)等提供重要的技術(shù)支持。