CN109815942B - 基于海洋环境噪声信号的简正波特征提取方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于海洋环境噪声信号的简正波特征提取方法，用于解决现有基于主动声信号的简正波特征提取方法隐蔽性差的技术问题。技术方案是将噪声干涉仪技术与简正波分离技术(warping变换)相结合，通过对两个接收水听器接收的海洋环境噪声信号做互相关，被动提取两点间的声场格林函数，然后对声场格林函数做warping变换，分离不同阶简正波，利用窄带滤波器过滤得到单阶模态并恢复单阶模态时域信号，最后对单阶模态信号做时频分析提取其频散特征。本发明无需主动声源，只需要两个接收水听器即可提取海洋波导的频散特征，隐蔽性好。

Description

基于海洋环境噪声信号的简正波特征提取方法

技术领域

本发明涉及一种简正波特征提取方法，特别涉及一种基于海洋环境噪声信号的简正波特征提取方法。

背景技术

文献《A new twist on signal processing[J].IEEE Trans.Sign.Process.,1995,43(10):2269-2282》给出了一种基于warping变换的简正波频散特性提取方法，利用简正波的瞬时相位表达式，通过warping变换算子在时域上按照相应特定关系对信号进行重采样，将复杂的非平稳的声传播信号变换为具有特定频率的准单频信号，再通过简单的窄带滤波器就可以将各号简正波分离，最后再通过warping逆变换恢复到原来的时域空间进行时频特征的提取。该方法仅需要一个宽带主动声源和一个水听器即可实现简正波频散特征的提取。之后很多水声学者们都对这一方法进行了改进和完善，并成功的将其应用于海洋声学环境参数反演、水下目标测距等多个方面。但是所有的研究都是基于主动声信号开展的，宽带主动声源造价昂贵且其在工作时不具有隐蔽性，一定程度上限制了该技术的应用。

发明内容

为了克服现有基于主动声信号的简正波特征提取方法隐蔽性差的不足，本发明提供一种基于海洋环境噪声信号的简正波特征提取方法。该方法将噪声干涉仪技术与简正波分离技术(warping变换)相结合，通过对两个接收水听器接收的海洋环境噪声信号做互相关，被动提取两点间的声场格林函数，然后对声场格林函数做warping变换，分离不同阶简正波，利用窄带滤波器过滤得到单阶模态并恢复单阶模态时域信号，最后对单阶模态信号做时频分析提取其频散特征。本发明无需主动声源，只需要两个接收水听器即可提取海洋波导的频散特征，隐蔽性好。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案：一种基于海洋环境噪声信号的简正波特征提取方法，其特点是包括以下步骤：

步骤一、利用海洋环境噪声信号恢复声场格林函数。

水平分层波导中点源辐射声场格林函数用一系列简正波之和表征：

其中，S(ω)为声源频谱，u_n(z)为对应于第n阶模态水平波数k_n的本征函数在深度z处的值。

为0阶1类贝塞尔函数。z_s和z₂分别为主动声源和接收水听器的深度。R为接收水听器与声源之间的水平距离。

对格林函数在频域上积分，得到声场格林函数的时域表达式：

水平分层介质中空间两点噪声场声压互相关函数表示成：

其中，q²为噪声源谱强度，k为参考波数，z′、z₁和z₂分别为噪声源深度以及两个接收水听器的深度。R为两个接收水听器之间的水平距离。水平波数k_n为一复数k_n＝κ_n+iα_n。对噪声频域互相关函数做反傅里叶变换，得到噪声信号声压场互相关函数的时域表达式：

步骤二、基于warping变换的简正波频散特性提取。

海洋理想波导中水听器接收到的声压信号的时域表达式表示为：

其中，t_R＝R/c，c为水中平均声速，B_n(t)第n阶简正波的瞬时幅度，f_cn是第n阶简正波的截止频率。

Warping算子h(t)表示为：

将warping算子代入warping变换的计算公式，得到warping变换的结果：

保证了变换前后信号的能量不变，warping变换后的各阶简正波变成了以该阶简正波的截止频率为信号频率的单频信号，信号转换成了若干先后到达的单频信号的组合。对warping变换后的信号进行简正波分离和频域滤波后，得到单独的某阶简正波的信息，对其做warping逆变换，获得该阶简正波原始时域信号

Warping逆变换的算子为：

Warping逆变换表示为下式：

式中，

为经过warping变换和逆变换后的单阶模态的还原信号，G_hn(t)为warping变换后的单阶模态信号。

本发明的有益效果是：该方法将噪声干涉仪技术与简正波分离技术(warping变换)相结合，通过对两个接收水听器接收的海洋环境噪声信号做互相关，被动提取两点间的声场格林函数，然后对声场格林函数做warping变换，分离不同阶简正波，利用窄带滤波器过滤得到单阶模态并恢复单阶模态时域信号，最后对单阶模态信号做时频分析提取其频散特征。本发明无需主动声源，只需要两个接收水听器即可提取海洋波导的频散特征，隐蔽性好。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。

附图说明

图1是本发明基于海洋环境噪声信号的简正波特征提取方法的流程图。

图2是采用本发明方法和背景技术方法提取的频散曲线对照图。

图3是采用本发明方法提取的频散曲线：(a)噪声互相关信号；(b)Warping变换之后的噪声互相关信号；(c)Warping变换之后的噪声互相关信号时频图；(d)噪声互相关信号时频图及提取的频散曲线(灰色实线：用warping变换提取的结果；白色点线：用kraken模型计算的结果)。

图4是采用背景技术方法提取的频散曲线：(a)声场格林函数信号；(b)Warping变换之后的声场格林函数信号；(c)Warping变换之后的声场格林函数信号时频图；(d)声场格林函数信号时频图及提取的频散曲线(灰色实线：用warping变换提取的结果；白色点线：用kraken模型计算的结果)。

具体实施方式

参照图1-4。本发明基于海洋环境噪声信号的简正波特征提取方法具体步骤如下：

仿真海洋环境如下：声源和1号接收水听器位于20m深度上。噪声源深度为0.1m，2号接收水听器深度为90m。海水深度100m，海水声速和密度分别为1500m/s和1.0g/cm³，海底声速密度分别为1600m/s和1.5g/cm³。

结合噪声源模型与传播模型，建立空间两点噪声信号声压场互相关模型，对空间互相关函数做反傅里叶变换得到噪声场互相关函数时域解。噪声场时间互相关函数正比声场格林函数与时反时间格林函数。对时间互相关函数正半轴部分做warping变换，得到warped信号。Warped信号在时频域能够很好分离，采用窄带滤波器并做warping逆变换即可恢复格林函数的各单模分量。最后对各单模信号做时频分析即可提取到各阶模态的频散曲线。通过和简正波模型kraken计算的各阶模态理论频散曲线进行对比，验证用海洋环境噪声信号提取的频散曲线的正确性。

步骤一、利用海洋环境噪声信号恢复声场格林函数。

水平分层波导中点源辐射声场格林函数可以用一系列简正波之和表征：

其中S(ω)为声源频谱，u_n(z)为对应于第n阶模态水平波数k_n的本征函数在深度z处的值。

为0阶1类贝塞尔函数。z_s和z₂分别为主动声源和接收水听器的深度。R为接收水听器与声源之间的水平距离。

对格林函数在频域上积分，可以得到声场格林函数的时域表达式：

水平分层介质中空间两点噪声场声压互相关函数可以表示成：

其中q²为噪声源谱强度，k为参考波数，z′、z₁和z₂分别为噪声源深度以及两个接收水听器的深度。R为两个接收水听器之间的水平距离。水平波数k_n为一复数k_n＝κ_n+iα_n。对噪声频域互相关函数做反傅里叶变换可以得到噪声信号声压场互相关函数的时域表达式：

对比声场格林函数和噪声场互相函数可以看到：噪声场声压互相关函数比声压格林函数多了一项

其中

项主要是因为当噪声源分布于海洋表面时，海洋自由表面下的单极子声源表现出偶极子特征，分母κ_nα_n项由海洋波导的衰减决定，噪声场互相关函数与声压格林函数的差异项只会影响多途结构的幅值，对多途结构到达时刻没有影响。也正因为二者存在差异，所以用噪声提取的多途结构幅度和用主动方法提取的多途结构幅度不完全相同。噪声场声压互相关函数中有一个频率依赖项1/k²，该项表明宽带噪声的高频成分会在一定程度上受到抑制，该项也不会影响多途结构到达时刻。

步骤二、基于warping变换的简正波频散特性提取。

虽然用海洋环境噪声信号提取的声场格林函数与真实声源提取的声场格林函数在幅度上有所差异，但是二者具有相同的相对结构，对于warping变换而言，只关心信号的相位结构，而不关心信号的幅度特征，因此可以将warping变换应用于用噪声信号恢复的格林函数，从而提取简正波频散特性。Warping变换基本理论如下：

根据简正波理论，海洋理想波导中水听器接收到的声压信号的时域表达式可以表示为：

其中t_R＝R/c，c为水中平均声速，B_n(t)第n阶简正波的瞬时幅度，f_cn是第n阶简正波的截止频率。

Warping算子h(t)表示为：

将warping算子代入warping变换的计算公式可得到warping变换的结果：

保证了变换前后信号的能量不变，warping变换后的各阶简正波变成了以该阶简正波的截止频率为信号频率的单频信号，信号转换成了若干先后到达的单频信号的组合。对warping变换后的信号进行简正波分离和频域滤波后，可得到单独的某阶简正波的信息，对其做warping逆变换，获得该阶简正波原始时域信号

Warping逆变换的算子为：

Warping逆变换可以表示为下式：

式中

为经过warping变换和逆变换后的单阶模态的还原信号，G_hn(t)为warping变换后的单阶模态信号。Warping变换具有很强的稳健性，对于大部分浅海波导均适用。本发明就采用理想波导环境下的warping算子来进行简正波分离。

图3和图4分别给出的是用噪声信号和用主动声源信号提取简正波频散曲线的仿真结果。对比图3(a)和图4(a)可以看到噪声场互相关函数和真实的声场格林函数具有相似的相位结构，但是二者幅度明显不同。对噪声互相关信号做warping变换，得到warped信号(见图3(b)和图4(b))。图3(c)和图4(c)给出的是对噪声互相关函数warped信号以及真实的声场格林函数warped信号的时频图，从图中能够清晰的看到四阶彼此分离的简正波，四阶模态warped频率均不重合，利用窄带滤波器很容易提取单阶模态成分。对提取的单阶模态成分做warping逆变换即可得到单阶模态信号的时域信号，对单模时域信号做时频分析就能够很容易提取到该阶模态的频散曲线。图3(d)和图4(d)中红线部分分别为用噪声信号和主动声信号提取的各阶模态频散曲线，黑线部分是用简正波软件kraken计算得到的理论结果。无论是用海洋环境噪声，还是用主动声压，基于warping变换提取的频散曲线和理论计算结果基本吻合。证明了用海洋环境噪声信号提取简正波频散曲线是可行的。

图2给出的是用海洋环境噪声信号和用主动声信号提取的频散曲线对比，可以看到二者基本完全重合，再次证明了用环境噪声信号提取的频散曲线是正确的。

Claims (1)

1.一种基于海洋环境噪声信号的简正波特征提取方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一、利用海洋环境噪声信号恢复声场格林函数；

水平分层波导中点源辐射声场格林函数用一系列简正波之和表征：

其中，S(ω)为声源频谱，u_n(z)为对应于第n阶模态水平波数k_n的本征函数在深度z处的值；

为0阶1类贝塞尔函数；z_s和z₂分别为声源和接收水听器的深度，；R为接收水听器与声源之间的水平距离；

对格林函数在频域上积分，得到声场格林函数的时域表达式：

水平分层介质中空间两点噪声场声压互相关函数表示成：

其中，q²为噪声源谱强度，k为参考波数，z′、z₁和z₂分别为噪声源深度以及两个接收水听器的深度；R为两个接收水听器之间的水平距离；水平波数k_n为一复数k_n＝κ_n+iα_n；对噪声频域互相关函数做反傅里叶变换，得到噪声信号声压场互相关函数的时域表达式：

步骤二、基于warping变换的简正波频散特性提取；

海洋理想波导中水听器接收到的声压信号的时域表达式表示为：

其中，t_R＝R/c，c为水中平均声速，B_n(t)第n阶简正波的瞬时幅度，f_cn是第n阶简正波的截止频率；

Warping算子h(t)表示为：

将warping算子代入warping变换的计算公式，得到warping变换的结果：

保证了变换前后信号的能量不变，warping变换后的各阶简正波变成了以该阶简正波的截止频率为信号频率的单频信号，信号转换成了若干先后到达的单频信号的组合；对warping变换后的信号进行简正波分离和频域滤波后，得到单独的某阶简正波的信息，对其做warping逆变换，获得该阶简正波原始时域信号

Warping逆变换的算子为：

Warping逆变换表示为下式：

式中，

为经过warping变换和逆变换后的单阶模态的还原信号，G_hn(t)为warping变换后的单阶模态信号。

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