深海聲信號處理關鍵技術研究
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【摘 要】隨著社會經濟的快速發展和進步，海洋資源開發與海洋生物認知逐漸成為現代各行業發展的新型領域，作為海洋探索的主要運輸和交通工具的潛艇受到了社會各界的廣泛關注，獲得了巨大的發展空間，面對在實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容，結合實際深海開發以及潛艇，分析各項深海聲信號處理的關鍵技術。
【關鍵詞】深海聲信號處理;關鍵技術
中圖分類號： TN912.3;TB56 文獻標識碼： 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
?。═he 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行的聲傳播也會有所不同，則在進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，從地理學方面來說，淺海范圍是海平面至海底距離的前200米內，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，尤其是在季節交換與溫度變化時，溫度、風力、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，且在沒有準確和全面環境情況下，根本無法對聲信號進行捕捉，或者對聲信號具體損失率進行計算，穩定聲信號傳播同樣是一項難關，因此，在未來還需要進一步的進行研究和分析。
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，則相對應的深海聲傳播特性也是具有一定的規律，經過長期研究發現，不同維度之間深海聲道內進行的深海聲傳播特性符合一定的標準分布模型，通過不同標準分布模型展現的不同情況下，能夠了解聲信號傳播的變化，且若是結合不同深海環境條件，還能發現在標準分布模型的極小值和極大值，控制相關的變化因素，同時利用現代技術手段也對聲信號傳播進行優化，從聲源位置控制頻率、強度等穩定聲信號傳播，將聲傳播控制在可控環境內，最大程度地減少由于吸收效應或者海底、海綿反應造成的聲信號減弱情況。
1.3 深、淺聲傳播對比
深海聲傳播環境穩定，且具有一定規律，研究者可以通過對不同維度深海聲信號傳播的分布模型，再結合各類提升和改善技術，各類影響深海聲信號傳播因素數量相對減少，優化深海聲傳播手段，不斷更新和結合先進技術，則深海聲傳播就能夠達到穩定狀態;而淺海聲傳播被影響因素眾多，水聲環境復雜，拋去溫度、風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躍層，這些負躍層越接近海平面，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、信號穩定性都更為穩定，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展的重點。
2 深海聲信號處理關鍵技術
2.1 去噪音處理技術
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，使得設備無法完全接收聲信號，還會對已經被設備接收的聲信號進行分析形成的一定的阻礙，要么無法獨立分離，要么分離后被破壞，因此，去噪音處理技術成為深海聲信號處理關鍵技術的基礎技術，也同樣是首要技術。根據一般潛艇在深海中傳播信號種類、穩定性和信號強弱，將現代對深海聲信號處理的去噪音處理技術的原理分為兩類：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定性較差的聲信號，是深海聲信號中去噪音處理技術中最為常用的方法，原理是對所要傳播數據進行分析，選擇適當的一種小波基，分多次對聲信號進行分解，直至使聲信號編程多個小波后停止，然后利用設備對各個小波進行閾值處理、結構重構等，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定性較好的聲信號，聲信息設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行分離，分離后的聲信號根據奇異值不同進而進入不同空間，空間就可以最大程度排除噪音，恢復聲信號。 2.2 聲音發射信號特征提取技術
不論是哪一種信號傳遞方式，都是存在其自身獨特的信號特征，也正是因為這些信號傳遞的特征，人們能夠通過利用先進的設備對信號進行處理，也許是信號源、信號強度變化，也有可能是對信號發射進行改變，而對于深海聲信號處理技術中，則是研發出聲音發生信號特征提取技術，開始時，研發者基于傳統聲信號處理思維，認為所采集的聲信號只應該是線性或者高斯性兩種特征，但是隨著研究的深入和設備水平的不斷提升，發現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，聲音發射信號特征提取技術中，主要為以下兩種方法。
1）高階譜特征提取法。傳統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、全面和高質量，而高階譜特征不僅僅擁有著二階譜和其他階譜的優勢，而且在這些優勢基礎上進一步進行優化處理，擁有獨立的聲信號數據庫，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行分類，雖然限制于深海傳播環境以及傳統聲信號，多數聲信號之間較為相似，但是在不同接受設備中，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，則再經過后期處理，就能將有用的聲信號獨立提取出來。
2.3 獨立分量分析技術
除了以上兩種深海聲信號處理關鍵技術以外，還有就是獨立分量分析方法，其實該種信號處理的關鍵技術在出現的初期，相較于前兩種，并沒有像前兩種技術一樣深入應用在深海聲信號處理中，但是隨著對深海開發的力度和范圍增加，獨立分量分析技術中的獨立性、分離性以及恢復性的特性，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立聲源狀態提取出來，則開始引入到深海聲信號處理中，成為處理的關鍵技術之一，并同時也受到了其他領域的青睞和研究，這是因為，獨立分量分析技術的運作原理并不像前兩種聲信號處理技術那么復雜，原理能夠廣泛應用在其他領域中。其主要是以統計獨立為原則，運行設備會提前對周圍深海環境進行大量、多次以及不同頻道的聲信號采集，以判定深海環境對聲信號干擾和附加，在設備接受聲信號后，按照設備內部的聲信號數據，對聲信號中有用的信號進行分辨，以有用信息號的分子量，再進行各項分離、信號加強以及修復，排除其他深海的干擾信號，將信號真正獨立出來以便分析，簡單來說就是，設備獲取聲信息，對聲信息進行獨立分量以及分離，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，就能夠提供給相關工作人員進行信號記錄、分析和研究，該項技術不僅操作簡單，且運作高效，有效利用有限資源。
3 總結
深海聲信號處理關鍵技術作為深海資源探索、開發的重要技術之一，其科學水平發展直接關聯著我國潛艇技術的發展速度，影響著潛艇對深海資源的勘探范圍和深度擴展的速度;再加上，雖然在深海范圍內進行聲信號傳播會存在眾多因素干擾，但是相較于淺海區域，深海區域更能實現聲信號穩定傳播的目標，因此，未來深海聲信號處理關鍵技術的發展前景廣闊，相應的我國潛艇技術競爭力也會在未來更進一步，促進我國綜合實力的提升，同時也實現我國海洋探索工作更為高質量的進行，同時也實現我國社會的快速發展和不斷地進步。
【參考文獻】
[1]金江明.深海聲信號處理關鍵技術研究[J].電子世界，2018（17）：101.
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