一种海洋环境下的航体微弱辐射噪声信号检测方法技术

一种海洋环境下的航体微弱辐射噪声信号检测方法，涉及航体辐射噪声信号检测。建立欧拉域随机共振与欧拉域混合随机共振模型。将强背景噪声淹没的信号在欧拉空间的稳态系统中处理，信号映射为周期指数形式，稳态模型具有多谐振特点，打破传统随机共振理论的近似绝热定理与驻留时间的制约，可凸显辐射噪声信号的特征并提高信噪比。利用欧拉域非线性随机共振与混合随机共振系统，可侦测出水下航体辐射出的周期信号与脉冲信号。提高水下微弱信号检测的性能，有效提高输出信噪比。在500m距离范围以上检测目标信号，在‑5dB的低信噪比和多种其他水声干扰共同存在的条件下探测目标的存在，稀疏特征提取和数据量的降解处理，提高计算速度。

【技术实现步骤摘要】
一种海洋环境下的航体微弱辐射噪声信号检测方法
本专利技术涉及航体辐射噪声信号检测，尤其是涉及一种海洋环境下的航体微弱辐射噪声信号检测方法。
技术介绍
海洋作为一个复杂的背景噪声场，由海面风浪、海洋生物活动、航体行驶等自然界与人类活动所产生的声波形成，各类声波在传播过程中与海面、海底以及各种介质相互作用，更加使声场的特征分布多变。海洋物理研究者们通过分析和研究海洋声场试验数据及相关理论，得到了的海洋环境噪声来源及其声谱。海底火山喷发或地震都会产生强烈的声波，是海洋环境中低频噪声的主要来源。风浪潮流引发的噪声是海洋背景噪声的重要组成部分，风浪、潮流会在海洋表面产生大量气泡，伴随气泡破裂产生噪声，环境恶劣时会产生1000Hz以上的海洋噪声，特别是浅海，噪声的量级主要是随风浪变化。雨雪冰雹天气会对海面造成众多微小冲击，形成宽广的噪声源，频率范围在(1～10)KHz内。海洋中大部分的哺乳类、鱼和甲壳类生物都会发声，这些生物的发声各机制各不相同，同一种生物在不同时期发出的声音也不一样，因而生物噪声占据了海洋环境噪声相当宽的频率范围。航体噪声的频率分布在可听范围到频率为100KHz之间，峰值在(5～50)Hz附近，在较深海海域，航体噪声的高频部分衰减严重，其频谱主要成分为100Hz以下的低频成分。显然，海洋背景噪声为水下航体的声隐蔽提供了良好环境和物理参数，同时也制约了声呐等探测装备发挥应有作用，大大增加了探测水下航体的难度。而且随着现代科学技术的发展，水下航体的减振、降噪和隐身技术得到迅猛提升，并在航体中普遍推广，例如使用低噪声发动机和传动装置、多桨叶螺旋桨等方法控制自身噪声，粘贴壳体吸声材料吸收声波，在潜艇指挥台围壳、潜望镜涂敷吸波涂层减小雷达波的散射面积等。对国防安全与军事战争而言，这些神出鬼没的“魅影”对海洋军事目标构成了极大威胁。在潜艇及水面舰艇在海战中，水下目标识别是先敌发现并有效地对敌进行水声对抗，先敌使用武器攻击，克敌制胜的前提，也是我海军目前各型潜艇和水面舰艇急需解决的关键技术。因而，为了满足日益严峻水下航体探测的需求，水下目标识别作为现代声纳系统与水声对的一个重要的组成部分，各国学者、工程技术人员以及军事部门一直致力于研究和提升海洋背景噪声下微弱声信号检测技术。在分析各类航体机械结构和航行状况的基本特征后，我们发现航体噪声与自然界的噪声不同，可以将其声场视为伴随着“无规律”噪声的“有规律”信号。其“无规律”的噪声是指由空化现象而生成的大量气泡不断上升振动破裂所产生的噪声，以及航体在行驶过程中与海水冲击产生的湍流等带来的噪声。“有规律”是指由螺旋桨叶片旋转时不断拍打海水以及航体上的主机、辅机和各种机械设备开动时所产生的低频线谱成分，以及航体发射鱼雷、水雷时的脉冲信号成分。航体行进时向四周辐射出的低频声场和脉冲信号是侦测水下航体、估计其各类物理参数的重要数据库和分析依据。然而，如何在复杂的背景噪声场中实时地、高效地检测、估计和识别航体辐射噪声信号，是长期困扰科研工作者们的问题。特别地，航体距离较远或航速较快时会产生具有瞬态性的辐射信号，而且信号相对周围声场能量非常小的情况，对目标信号的特征提取会造成很大困难。目前，声呐系统主要分为主动与被动声呐。在检测微弱目标时，在声源级、检测阈及声纳系统的时间、空间增益确定的情况下，噪声级的大小直接影响声纳系统的探测距离与探测范围。尤其是在多径效应和散射现象严重的沿岸浅海环境探测远程目标，海洋环境每增加几分贝噪声，声呐的探测距离就会大大下降。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于提供一种海洋环境下的航体微弱辐射噪声信号检测方法，以解决上述
技术介绍
存在的缺点。本专利技术包括以下步骤：1)对舰船水声信号采集和预处理，并对处理后的源信号进行稀疏表示，得到测量观测矩阵，并用稀疏编码对信号重构；2)构造酉变换矩阵，令矩阵U对重构信号矩阵R进行变换，得到变换后的矩阵S，利用盖尔圆半径估计信源数目；3)考虑的对象空间由参数化Chirp函数族与待检测信号的内积形成的多维参量空间，对自适应稀疏度矩阵进行Chirplet变换，得到自适应稀疏度的Chirplet基，利用混合采样算子Φ的DCT观测阵和Noiselet随机观测阵通过信号x观测矩阵和Chirplet基，得到混合观测矩阵；4)对于任意时间t自变量舰船辐射噪声线频信号，用欧拉变换，将信号映射至欧拉域，时域信号将转变为欧拉域复指数信号，构建双稳态模型；5)利用欧拉变换，将时域线频信号映射至欧拉空间，分别对欧拉域下的信号进行欧拉域线性随机共振、欧拉域非线性随机共振和欧拉域混合随机共振；6)利用欧拉变换得到二维线频信号转换至三维空间，结合压缩感知提取频率特征，检测和分析信号的频率与振幅。在步骤1)中，所述稀疏编码，可采用航体辐射噪声信号稀疏编码实现对信号进行稀疏处理，设信号X的长度为N，对X计算K(K<<N)个基向量的线性组合，得到信号X的K-稀疏的，采用的测量观测矩阵是随机高斯测量矩阵，该矩阵构造相对简单，利用M≥K·log(N/K)的测量值可高概率重构原信号，结合网络特性构造新型的测量矩阵以适应带宽、硬件、重构精度的要求，并采用正交匹配追踪算法(OMP)重构原信号。在步骤2)中，所述构造酉变换矩阵的具体方法可为：令：矩阵U对重构信号矩阵R进行变换，得到变换后的矩阵G为：G的前(P-1)个盖尔圆的圆心和半径分别为ci＝λi和ri＝|ρi|，(i＝1,2,…,P-1)，利用盖尔圆半径估计信源数目的盖尔圆准则为：在步骤3)中，所述自适应稀疏度的混合观测基特征提取利用基于盖尔圆定理的信号源数目估计算法，根据变换后的自相关矩阵的盖尔圆半径的大小，对信号源数目进行估计；对自适应稀疏度矩阵进行Chirplet变换，用参数化Chirp函数族，求与待分析信号的内积，形成的多维参量空间，得到Chirplet基；利用DCT与Noiselet两部分组成的混合采样算子，得到信号的观测矩阵，提取辐射信号高低频分量，弥补在低采样率下观测维数不足，从而有效提取水下航体特征；所述混合观测矩阵可记为y：在步骤4)中，所述用欧拉变换的公式可为：在步骤5)中，所述将时域线频信号映射至欧拉空间可得到：在步骤6)中，所述利用欧拉变换可以得到二维线频信号转换至三维空间为：exp(j*2*pi*f)＝A*cos(2*pi*f*t)+j*A*sin(2*pi*f*t)其中，exp(j*2*pi*f)即为三维线频信号。本专利技术建立欧拉域随机共振与欧拉域混合随机共振模型。将强背景噪声淹没的信号在欧拉空间的稳态系统中处理，信号映射为周期指数形式，稳态模型具有多谐振特点，打破了传统随机共振理论的近似绝热定理与驻留时间的制约，而且可凸显辐射噪声信号的特征并提高信噪比。利用欧拉域非线性随机共振与混合随机共振系统，可分别侦测出水下航体辐射出的周期信号与脉冲信号。为了详细的介绍本专利技术的内容，以下对一些概念进行阐述或者定义：定义一：随机共振系统；假设布朗粒子在具有双势阱函数的势场中运动，如果该粒子受到某周期外力的调谐，同时在一定强度周围环境噪声的协助下，可以在双稳态势函数的两个势阱之间迁跃。该粒子在噪声环境中受周期性驱动力的运动方程可以用朗之万方程描述为：其中，是双稳态系统势函数本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种海洋环境下的航体微弱辐射噪声信号检测方法，其特征在于包括以下步骤：1)对舰船水声信号采集和预处理，并对处理后的源信号进行稀疏表示，得到测量观测矩阵，并用稀疏编码对信号重构；2)构造酉变换矩阵，令矩阵U对重构信号矩阵R进行变换，得到变换后的矩阵S，利用盖尔圆半径估计信源数目；3)考虑的对象空间由参数化Chirp函数族与待检测信号的内积形成的多维参量空间，对自适应稀疏度矩阵进行Chirplet变换，得到自适应稀疏度的Chirplet基，利用混合采样算子Φ的DCT观测阵

【技术特征摘要】
1.一种海洋环境下的航体微弱辐射噪声信号检测方法，其特征在于包括以下步骤：1)对舰船水声信号采集和预处理，并对处理后的源信号进行稀疏表示，得到测量观测矩阵，并用稀疏编码对信号重构；2)构造酉变换矩阵，令矩阵U对重构信号矩阵R进行变换，得到变换后的矩阵S，利用盖尔圆半径估计信源数目；3)考虑的对象空间由参数化Chirp函数族与待检测信号的内积形成的多维参量空间，对自适应稀疏度矩阵进行Chirplet变换，得到自适应稀疏度的Chirplet基，利用混合采样算子Φ的DCT观测阵和Noiselet随机观测阵通过信号x观测矩阵和Chirplet基，得到混合观测矩阵；4)对于任意时间t自变量舰船辐射噪声线频信号，用欧拉变换，将信号映射至欧拉域，时域信号将转变为欧拉域复指数信号，构建双稳态模型；5)利用欧拉变换，将时域线频信号映射至欧拉空间，分别对欧拉域下的信号进行欧拉域线性随机共振、欧拉域非线性随机共振和欧拉域混合随机共振；6)利用欧拉变换得到二维线频信号转换至三维空间，结合压缩感知提取频率特征，检测和分析信号的频率与振幅。2.如权利要求1所述一种海洋环境下的航体微弱辐射噪声信号检测方法，其特征在于在步骤1)中，所述稀疏编码，是采用航体辐射噪声信号稀疏编码实现对信号进行稀疏处理，设信号X的长度为N，对X计算K个基向量的线性组合，K＜＜N，得到信号X的K-稀疏的，采用的测量观测矩阵是随机高斯测量矩阵，该矩阵构造相对简单，利用M≥K·log(N/K)的测量值可高概率重构原信号，结合网络特性构造新型的测量矩阵以适应带宽、硬件、重构精度的要求，并采用正交匹配追踪算法重构原信号。3.如权利要求1所述一种海洋环境下的航体微弱辐射噪声信号检测方法，其特征在于在步骤2)中，所述构造酉变换矩阵的具体方法为：令：矩阵U对重构信号矩阵...

【专利技术属性】
技术研发人员：齐洁，孙海信，苗永春，许静萱，朱正根，周明章，成垦，
申请(专利权)人：厦门大学，
类型：发明
国别省市：福建,35