舰船辐射噪声RPT特征传播稳定性研究

苏晓乐　余越

【摘 要】本文首先针对信道的相干多途特性，基于射线理论，利用MATLAB仿真得到了多途信道的相关参数，并借鉴序列重复的的基本理论，计算出舰船噪声的的非线性特征—序列重复度RPT；最后将舰船辐射噪声通过多途信道作用，提取不同信道作用后的RPT特征并进行对比分析。研究表明，当舰船辐射噪声在不同传播距离和海深的信道里传播时，RPT特征的幅值缓慢变化，且其特征曲线的形状改变较小，也即舰船辐射噪声的RPT特征在多途信道里传播时保持了较好的稳定性。

【关键词】相似序列重复度；特征稳定性；舰船辐射噪声

【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

特征提取是目标识别与分类的重要前期工作[1-2]。尽管特征提取技术已经进行了多年的研究，已提取出针对不同目标的多种特征向量，然而，在实际的海洋水声环境下，利用这些特征向量进行目标识别与分类的效果不甚理想。

这种现象的出现，原因来自于多个方面，但其中很重要的一个是：舰船噪声特征经过信道传输可能发生了畸变[3]，或者说某些特征存在传播不稳定性。基于此认为，对提取的噪声特征向量进行稳定性分析是有效提高识别准确率的关键环节。

本文在射线理论的基础上构建多途传播信道，利用MALAB仿真计算，提出了舰船噪声的RPT特征，并分析了其在多途信道中的传播稳定性，为在复杂的海洋环境下提取稳定特征，准确识别目标进行了一定的探索研究。

1 构建信道模型

1.1 声传播的射线模型

射线模型是声传播的基本模型[6]，假设声波能量沿着声线传播，且声线的分布是多途的，以第i条声线为例，其幅度为Ai，时延记为τi，介质对声能的吸收和声波色散效应不计，多途的声线携带能量到达同一接收点产生干涉叠加效应，得到该信道的系统函数可表示为：

假设已知某一海区的深度、声速梯度，以及发射声源和声接收的位置关系，通过式（1）和（2）可计算出信道系统函数[7-8]。

1.2 信道系统函数仿真计算

假设发射声源和接收点位置是固定不变的，则其信道系统函数仿真为：

（1）声速负梯度（发射声源30m，接收点50m，设置0.1的衰减门限，发射声源与接收点间距依次设定为500m、1km、3km、7km、5km、10km，海面1510m/s，海底1460m/s），海区深100m，结果如图1所示。

（2）发射声源与接收点的距离改变为3km，海区水深设定为50m、80m、100m、200m、300m、400m，结果如图2所示。

通过仿真可以发现，传输函数类似于“梳状滤波器”，噪声信号在其中的传播过程会受到滤波效应的影响，从而使传输的信号发生畸变。

2 非线性特征提取

在非线性处理中，相空间重构是揭示数据内在本质特征的有效手段，本文重点研究在重构相空间下舰船噪声的RPT特征，从非线性角度揭示信号的自相似特性。

2.1 RPT特征的计算

相似序列的计算基于相空间重构的思路，计算的具体过程如下[9]：

s（n）为时间域序列，n=1，2，3，...，N；d为重构的空间维数量；T为延时量。则Yi=（s（i），s（i+T），s（i+2T），...，s（i+（d-1）T））为重构空间中的某一点，重构空间的点集合形成长度为N-（d-1）T，d维的相空间。

在d维相空间重构中，依次排列相空间点，形成序列Rj做为参考，计算与Yi的Ccoef（Rj，Yi），如果超出门限H，C（j）加1，将C（j）与N-（d-1）T比值排序后记为RPT特征RRPT（i）。

3 舰船噪声RPT特征及其传播特性仿真

提出A，B两型舰船的实录噪声，数据量为N=1000，参考文献[9]中的做法，设定延时T=13，d=50，TH=0.7。

（1）对长度相同的实录噪声信号和高斯白噪声计算RPT特征。

由图3可知，RPT值高于白噪声、低于确定信号，可以认为，舰船噪声信号具备确定性和随机性双向特征。

采用1.2节中仿真的信道函数，计算不同传播距离、不同接收深度下接收信号的RPT特征。

（2）声速梯度为（1530～1490m/s）的负梯度，接收器深度20m。传播距离为500m、1km、3km、5km、8km、11km、14km、16km、18km、20km。

（3）声速梯度为（1530～1490m/s）的负梯度，传播距离3km。接收器深度为5m、15m、20m、30m、40m、60m、80m、100m、130m、150m。

从图4到至图7可以看出，噪声在信道传播过程中，其非线性的相似序列重复度保持了较好的稳定性，且不同舰船辐射噪声的相似序列重复度具有一定的相似性又始终保持可区分性，这对于目标识别研究克服海洋信道的影响是很有益处的。

4 结束语

本文基于射线理论，利用MATLAB仿真得到了多途信道的相关参数，并借鉴序列重复的的基本理论，在变化水平距离和变化垂直深度的信道中计算对比了舰船噪声RPT特征的传播特性。

研究表明：不同距离、深度变化的信道对舰船噪声的相似序列重复度的影响较小，即相似序列重复度这一非线性特征随着噪声在海洋信道中的传播保持了较好的稳定性，因而可以预见，基于非线性动力学理论提取的非线性特征对于远距离探测和目标分类识别研究克服海洋信道的影响颇具应用价值。

【参考文献】

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[责任编辑：王楠]