艦船輻射噪聲RPT特征傳播穩(wěn)定性研究

蘇曉樂　余越

【摘 要】本文首先針對(duì)信道的相干多途特性，基于射線理論，利用MATLAB仿真得到了多途信道的相關(guān)參數(shù)，并借鑒序列重復(fù)的的基本理論，計(jì)算出艦船噪聲的的非線性特征—序列重復(fù)度RPT；最后將艦船輻射噪聲通過多途信道作用，提取不同信道作用后的RPT特征并進(jìn)行對(duì)比分析。研究表明，當(dāng)艦船輻射噪聲在不同傳播距離和海深的信道里傳播時(shí)，RPT特征的幅值緩慢變化，且其特征曲線的形狀改變較小，也即艦船輻射噪聲的RPT特征在多途信道里傳播時(shí)保持了較好的穩(wěn)定性。

【關(guān)鍵詞】相似序列重復(fù)度；特征穩(wěn)定性；艦船輻射噪聲

【Abstract】Multi-path parameters of underwater acoustic channel based on ray theory are got firstly. Next， similar sequence repeatability（RPT）feature of ship-noise is extracted based on RPT theory. At last the affection of multi-path channel is added to ship noise and RPT feature is extracted and compared. The research indicates that， RPT value change slowly when ship noise passes from the channels with different ranges and depths and its shape changes less. Namely RPT feature is steady passing through multi-path channel.

【Key words】Similar sequence repeatability； Feature stabilization； Ship radiated noise

0 引言

特征提取是目標(biāo)識(shí)別與分類的重要前期工作[1-2]。盡管特征提取技術(shù)已經(jīng)進(jìn)行了多年的研究，已提取出針對(duì)不同目標(biāo)的多種特征向量，然而，在實(shí)際的海洋水聲環(huán)境下，利用這些特征向量進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別與分類的效果不甚理想。

這種現(xiàn)象的出現(xiàn)，原因來自于多個(gè)方面，但其中很重要的一個(gè)是：艦船噪聲特征經(jīng)過信道傳輸可能發(fā)生了畸變[3]，或者說某些特征存在傳播不穩(wěn)定性。基于此認(rèn)為，對(duì)提取的噪聲特征向量進(jìn)行穩(wěn)定性分析是有效提高識(shí)別準(zhǔn)確率的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

本文在射線理論的基礎(chǔ)上構(gòu)建多途傳播信道，利用MALAB仿真計(jì)算，提出了艦船噪聲的RPT特征，并分析了其在多途信道中的傳播穩(wěn)定性，為在復(fù)雜的海洋環(huán)境下提取穩(wěn)定特征，準(zhǔn)確識(shí)別目標(biāo)進(jìn)行了一定的探索研究。

1 構(gòu)建信道模型

1.1 聲傳播的射線模型

射線模型是聲傳播的基本模型[6]，假設(shè)聲波能量沿著聲線傳播，且聲線的分布是多途的，以第i條聲線為例，其幅度為Ai，時(shí)延記為τi，介質(zhì)對(duì)聲能的吸收和聲波色散效應(yīng)不計(jì)，多途的聲線攜帶能量到達(dá)同一接收點(diǎn)產(chǎn)生干涉疊加效應(yīng)，得到該信道的系統(tǒng)函數(shù)可表示為：

假設(shè)已知某一海區(qū)的深度、聲速梯度，以及發(fā)射聲源和聲接收的位置關(guān)系，通過式（1）和（2）可計(jì)算出信道系統(tǒng)函數(shù)[7-8]。

1.2 信道系統(tǒng)函數(shù)仿真計(jì)算

假設(shè)發(fā)射聲源和接收點(diǎn)位置是固定不變的，則其信道系統(tǒng)函數(shù)仿真為：

（1）聲速負(fù)梯度（發(fā)射聲源30m，接收點(diǎn)50m，設(shè)置0.1的衰減門限，發(fā)射聲源與接收點(diǎn)間距依次設(shè)定為500m、1km、3km、7km、5km、10km，海面1510m/s，海底1460m/s），海區(qū)深100m，結(jié)果如圖1所示。

（2）發(fā)射聲源與接收點(diǎn)的距離改變?yōu)?km，海區(qū)水深設(shè)定為50m、80m、100m、200m、300m、400m，結(jié)果如圖2所示。

通過仿真可以發(fā)現(xiàn)，傳輸函數(shù)類似于“梳狀濾波器”，噪聲信號(hào)在其中的傳播過程會(huì)受到濾波效應(yīng)的影響，從而使傳輸?shù)男盘?hào)發(fā)生畸變。

2 非線性特征提取

在非線性處理中，相空間重構(gòu)是揭示數(shù)據(jù)內(nèi)在本質(zhì)特征的有效手段，本文重點(diǎn)研究在重構(gòu)相空間下艦船噪聲的RPT特征，從非線性角度揭示信號(hào)的自相似特性。

2.1 RPT特征的計(jì)算

相似序列的計(jì)算基于相空間重構(gòu)的思路，計(jì)算的具體過程如下[9]：

s（n）為時(shí)間域序列，n=1，2，3，...，N；d為重構(gòu)的空間維數(shù)量；T為延時(shí)量。則Yi=（s（i），s（i+T），s（i+2T），...，s（i+（d-1）T））為重構(gòu)空間中的某一點(diǎn)，重構(gòu)空間的點(diǎn)集合形成長(zhǎng)度為N-（d-1）T，d維的相空間。

在d維相空間重構(gòu)中，依次排列相空間點(diǎn)，形成序列Rj做為參考，計(jì)算與Yi的Ccoef（Rj，Yi），如果超出門限H，C（j）加1，將C（j）與N-（d-1）T比值排序后記為RPT特征RRPT（i）。

3 艦船噪聲RPT特征及其傳播特性仿真

提出A，B兩型艦船的實(shí)錄噪聲，數(shù)據(jù)量為N=1000，參考文獻(xiàn)[9]中的做法，設(shè)定延時(shí)T=13，d=50，TH=0.7。

（1）對(duì)長(zhǎng)度相同的實(shí)錄噪聲信號(hào)和高斯白噪聲計(jì)算RPT特征。

由圖3可知，RPT值高于白噪聲、低于確定信號(hào)，可以認(rèn)為，艦船噪聲信號(hào)具備確定性和隨機(jī)性雙向特征。

采用1.2節(jié)中仿真的信道函數(shù)，計(jì)算不同傳播距離、不同接收深度下接收信號(hào)的RPT特征。

（2）聲速梯度為（1530～1490m/s）的負(fù)梯度，接收器深度20m。傳播距離為500m、1km、3km、5km、8km、11km、14km、16km、18km、20km。

（3）聲速梯度為（1530～1490m/s）的負(fù)梯度，傳播距離3km。接收器深度為5m、15m、20m、30m、40m、60m、80m、100m、130m、150m。

從圖4到至圖7可以看出，噪聲在信道傳播過程中，其非線性的相似序列重復(fù)度保持了較好的穩(wěn)定性，且不同艦船輻射噪聲的相似序列重復(fù)度具有一定的相似性又始終保持可區(qū)分性，這對(duì)于目標(biāo)識(shí)別研究克服海洋信道的影響是很有益處的。

4 結(jié)束語

本文基于射線理論，利用MATLAB仿真得到了多途信道的相關(guān)參數(shù)，并借鑒序列重復(fù)的的基本理論，在變化水平距離和變化垂直深度的信道中計(jì)算對(duì)比了艦船噪聲RPT特征的傳播特性。

研究表明：不同距離、深度變化的信道對(duì)艦船噪聲的相似序列重復(fù)度的影響較小，即相似序列重復(fù)度這一非線性特征隨著噪聲在海洋信道中的傳播保持了較好的穩(wěn)定性，因而可以預(yù)見，基于非線性動(dòng)力學(xué)理論提取的非線性特征對(duì)于遠(yuǎn)距離探測(cè)和目標(biāo)分類識(shí)別研究克服海洋信道的影響頗具應(yīng)用價(jià)值。

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