深海聲信號處理關(guān)鍵技術(shù)研究

林伊凡

【摘 要】隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和進(jìn)步，海洋資源開發(fā)與海洋生物認(rèn)知逐漸成為現(xiàn)代各行業(yè)發(fā)展的新型領(lǐng)域，作為海洋探索的主要運(yùn)輸和交通工具的潛艇受到了社會各界的廣泛關(guān)注，獲得了巨大的發(fā)展空間，面對在實(shí)際深海中信息傳遞以及探測的需求。本文以不同深度海洋中聲音傳播特性為主要研究內(nèi)容，結(jié)合實(shí)際深海開發(fā)以及潛艇，分析各項(xiàng)深海聲信號處理的關(guān)鍵技術(shù)。

【關(guān)鍵詞】深海聲信號處理;關(guān)鍵技術(shù)

中圖分類號： TN912.3;TB56 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）15-0030-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.15.014

Research on Key Technologies of Deep Sea Acoustic Signal Processing

LIN Yi-fan

（The 7th military representative office of the naval armament department in Shanghai，Shanghai 2001108，China）

【Abstract】With the rapid development and progress of social economy，marine resources development and marine biology recognition have gradually become a new field of modern industry development.As the main means of transportation and transportation for ocean exploration，submarines have attracted widespread attention from all walks of life，and have gained tremendous space for development，facing the needs of information transmission and exploration in the actual deep sea.In this paper，the characteristics of sound propagation in different depths of the ocean as the main research content，combined with the actual deep-sea development and submarine，the key technologies of deep-sea acoustic signal processing are analyzed.

【Key words】Deep-sea acoustic signal processing;Key technologies

1 深淺海聲傳播特性

1.1 淺海聲傳播特性

聲信號在海洋中的傳播中，其海洋深度不同所進(jìn)行的聲傳播也會有所不同，則在進(jìn)行淺海聲傳播特性敘述之前，需要了解淺海和深海之間的界限，從地理學(xué)方面來說，淺海范圍是海平面至海底距離的前200米內(nèi)，這段范圍也被稱作淺海聲道，而影響淺海聲傳播特性的根本因素是海面和海底，其中相較于海底，海面的影響程度和影響因素更多，尤其是在季節(jié)交換與溫度變化時，溫度、風(fēng)力、輻射等微弱的變化，在聲信號傳播中被放大，不僅會對淺海聲信息傳播造成阻礙和削弱，還會對聲信號傳播造成一定破壞和損失，且在沒有準(zhǔn)確和全面環(huán)境情況下，根本無法對聲信號進(jìn)行捕捉，或者對聲信號具體損失率進(jìn)行計算，穩(wěn)定聲信號傳播同樣是一項(xiàng)難關(guān)，因此，在未來還需要進(jìn)一步的進(jìn)行研究和分析。

1.2 深海聲傳播特性

從海平面到海底200米以外的區(qū)域則為深海，即深海聲道，由于其受到的影響因素少，且具有一定的影響時間、頻率和范圍，則相對應(yīng)的深海聲傳播特性也是具有一定的規(guī)律，經(jīng)過長期研究發(fā)現(xiàn)，不同維度之間深海聲道內(nèi)進(jìn)行的深海聲傳播特性符合一定的標(biāo)準(zhǔn)分布模型，通過不同標(biāo)準(zhǔn)分布模型展現(xiàn)的不同情況下，能夠了解聲信號傳播的變化，且若是結(jié)合不同深海環(huán)境條件，還能發(fā)現(xiàn)在標(biāo)準(zhǔn)分布模型的極小值和極大值，控制相關(guān)的變化因素，同時利用現(xiàn)代技術(shù)手段也對聲信號傳播進(jìn)行優(yōu)化，從聲源位置控制頻率、強(qiáng)度等穩(wěn)定聲信號傳播，將聲傳播控制在可控環(huán)境內(nèi)，最大程度地減少由于吸收效應(yīng)或者海底、海綿反應(yīng)造成的聲信號減弱情況。

1.3 深、淺聲傳播對比

深海聲傳播環(huán)境穩(wěn)定，且具有一定規(guī)律，研究者可以通過對不同維度深海聲信號傳播的分布模型，再結(jié)合各類提升和改善技術(shù)，各類影響深海聲信號傳播因素數(shù)量相對減少，優(yōu)化深海聲傳播手段，不斷更新和結(jié)合先進(jìn)技術(shù)，則深海聲傳播就能夠達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài);而淺海聲傳播被影響因素眾多，水聲環(huán)境復(fù)雜，拋去溫度、風(fēng)力和太陽輻射等常見因素，僅是海水一類，從種類、濃度等就會被劃分不同負(fù)躍層，這些負(fù)躍層越接近海平面，對聲傳播影響就越大，甚至破壞和中斷聲傳播。綜上對比，深海聲信號被影響因素較少，信號頻道、信號穩(wěn)定性都更為穩(wěn)定，則深海聲信號傳播會比淺海聲信號傳播更為簡單，是未來聲傳播在海洋中發(fā)展的重點(diǎn)。

2 深海聲信號處理關(guān)鍵技術(shù)

2.1 去噪音處理技術(shù)

聲信號在深海中傳播時，最大的影響因素就是噪音，不僅會影響聲信號的正常傳播，使得設(shè)備無法完全接收聲信號，還會對已經(jīng)被設(shè)備接收的聲信號進(jìn)行分析形成的一定的阻礙，要么無法獨(dú)立分離，要么分離后被破壞，因此，去噪音處理技術(shù)成為深海聲信號處理關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)技術(shù)，也同樣是首要技術(shù)。根據(jù)一般潛艇在深海中傳播信號種類、穩(wěn)定性和信號強(qiáng)弱，將現(xiàn)代對深海聲信號處理的去噪音處理技術(shù)的原理分為兩類：小波分析法和矩陣束算法。1）小波分析法。主要針對深海傳播過程中穩(wěn)定性較差的聲信號，是深海聲信號中去噪音處理技術(shù)中最為常用的方法，原理是對所要傳播數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，選擇適當(dāng)?shù)囊环N小波基，分多次對聲信號進(jìn)行分解，直至使聲信號編程多個小波后停止，然后利用設(shè)備對各個小波進(jìn)行閾值處理、結(jié)構(gòu)重構(gòu)等，組建成無噪音的原始聲信號。2）矩陣束算法。主要針對深海傳播過程中穩(wěn)定性較好的聲信號，聲信息設(shè)備會提前建立二維矩陣，這個矩陣不僅是用來接收聲信號同時也是用來分離噪音，工作人員通過設(shè)置將二維矩陣分為兩個，一個是噪音空間，另一個則是有用空間，然后利用奇異值原理對聲信號進(jìn)行分離，分離后的聲信號根據(jù)奇異值不同進(jìn)而進(jìn)入不同空間，空間就可以最大程度排除噪音，恢復(fù)聲信號。

2.2 聲音發(fā)射信號特征提取技術(shù)

不論是哪一種信號傳遞方式，都是存在其自身獨(dú)特的信號特征，也正是因?yàn)檫@些信號傳遞的特征，人們能夠通過利用先進(jìn)的設(shè)備對信號進(jìn)行處理，也許是信號源、信號強(qiáng)度變化，也有可能是對信號發(fā)射進(jìn)行改變，而對于深海聲信號處理技術(shù)中，則是研發(fā)出聲音發(fā)生信號特征提取技術(shù)，開始時，研發(fā)者基于傳統(tǒng)聲信號處理思維，認(rèn)為所采集的聲信號只應(yīng)該是線性或者高斯性兩種特征，但是隨著研究的深入和設(shè)備水平的不斷提升，發(fā)現(xiàn)深海中聲信號受到眾多外界其他因素干擾，傳播過程中不僅僅局限于兩種信號特征。目前，聲音發(fā)射信號特征提取技術(shù)中，主要為以下兩種方法。

1）高階譜特征提取法。傳統(tǒng)二階譜在聲信息的種類和完整性上，相較于其他階普更加完善、全面和高質(zhì)量，而高階譜特征不僅僅擁有著二階譜和其他階譜的優(yōu)勢，而且在這些優(yōu)勢基礎(chǔ)上進(jìn)一步進(jìn)行優(yōu)化處理，擁有獨(dú)立的聲信號數(shù)據(jù)庫，能夠減少外界干擾因素造成的影響，最大程度地將聲信號中各個獨(dú)立聲信息從非高斯性特征中分辨出來。

2）分形理論。顧名思義，利用聲信號之間的不同形進(jìn)行分類，雖然限制于深海傳播環(huán)境以及傳統(tǒng)聲信號，多數(shù)聲信號之間較為相似，但是在不同接受設(shè)備中，不同聲信號會在不同頻道或者階譜中有著不同信號特征以及不同的信號比例，則再經(jīng)過后期處理，就能將有用的聲信號獨(dú)立提取出來。

2.3 獨(dú)立分量分析技術(shù)

除了以上兩種深海聲信號處理關(guān)鍵技術(shù)以外，還有就是獨(dú)立分量分析方法，其實(shí)該種信號處理的關(guān)鍵技術(shù)在出現(xiàn)的初期，相較于前兩種，并沒有像前兩種技術(shù)一樣深入應(yīng)用在深海聲信號處理中，但是隨著對深海開發(fā)的力度和范圍增加，獨(dú)立分量分析技術(shù)中的獨(dú)立性、分離性以及恢復(fù)性的特性，能夠在不損害或者不影響其他聲信號的情況下，將檢測者想要的聲信號以獨(dú)立聲源狀態(tài)提取出來，則開始引入到深海聲信號處理中，成為處理的關(guān)鍵技術(shù)之一，并同時也受到了其他領(lǐng)域的青睞和研究，這是因?yàn)?，?dú)立分量分析技術(shù)的運(yùn)作原理并不像前兩種聲信號處理技術(shù)那么復(fù)雜，原理能夠廣泛應(yīng)用在其他領(lǐng)域中。其主要是以統(tǒng)計獨(dú)立為原則，運(yùn)行設(shè)備會提前對周圍深海環(huán)境進(jìn)行大量、多次以及不同頻道的聲信號采集，以判定深海環(huán)境對聲信號干擾和附加，在設(shè)備接受聲信號后，按照設(shè)備內(nèi)部的聲信號數(shù)據(jù)，對聲信號中有用的信號進(jìn)行分辨，以有用信息號的分子量，再進(jìn)行各項(xiàng)分離、信號加強(qiáng)以及修復(fù)，排除其他深海的干擾信號，將信號真正獨(dú)立出來以便分析，簡單來說就是，設(shè)備獲取聲信息，對聲信息進(jìn)行獨(dú)立分量以及分離，提取有用信息后，利用后期加工手段，將有用聲信息中存在的干擾去除，就能夠提供給相關(guān)工作人員進(jìn)行信號記錄、分析和研究，該項(xiàng)技術(shù)不僅操作簡單，且運(yùn)作高效，有效利用有限資源。

3 總結(jié)

深海聲信號處理關(guān)鍵技術(shù)作為深海資源探索、開發(fā)的重要技術(shù)之一，其科學(xué)水平發(fā)展直接關(guān)聯(lián)著我國潛艇技術(shù)的發(fā)展速度，影響著潛艇對深海資源的勘探范圍和深度擴(kuò)展的速度;再加上，雖然在深海范圍內(nèi)進(jìn)行聲信號傳播會存在眾多因素干擾，但是相較于淺海區(qū)域，深海區(qū)域更能實(shí)現(xiàn)聲信號穩(wěn)定傳播的目標(biāo)，因此，未來深海聲信號處理關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展前景廣闊，相應(yīng)的我國潛艇技術(shù)競爭力也會在未來更進(jìn)一步，促進(jìn)我國綜合實(shí)力的提升，同時也實(shí)現(xiàn)我國海洋探索工作更為高質(zhì)量的進(jìn)行，同時也實(shí)現(xiàn)我國社會的快速發(fā)展和不斷地進(jìn)步。

【參考文獻(xiàn)】

[1]金江明.深海聲信號處理關(guān)鍵技術(shù)研究[J].電子世界，2018（17）：101.