基于谐波集检测的飞行目标水下声探测算法研究
一种基于MFCC特征的水下目标分类网络
一种基于MFCC特征的水下目标分类网络作者：徐晓刚罗昕炜来源：《声学与电子工程》2022年第01期摘要水声目标辐射噪声特征提取和识别技术是水声目标识别的重要任务，也是水声信号处理领域的难题。
鉴于梅尔滤波器中提取的听觉特征在语音识别中的广泛应用，文章基于梅尔倒谱系数（Mel Frequency Cepstrum Coefficient ，MFCC）和卷积神经网络（Convolutional Neural Network ，CNN）构建了一个水声信号深度分类网络。
该分类网络通过MFCC特征提取方法逐帧提取舰船辐射噪声信号的梅尔倒谱系数，将其构建特征矩阵输入CNN中进行分类，构建了一个4类舰船辐射噪声样本集，并利用所提出的网络考察了不同维度下MFCC和I LOFAR 特征的分类性能，分析了不同类型特征和不同特征维度输入对网络分类性能的影响，可为水声分类研究相关人员提供参考。
关键词水声信号：梅尔系数；目标分类；CNN；时频分析水下目标的分类识别是水声领域研究的热点问题，对于现代海洋装备目标探测尤为关键，特征向量提取的方法是水声目标分类识别的研究重点。
文献[1]提出了一种基于小波包变换的水下目标辐射噪声特征提取算法，文献[2]提出了一种基于双谱估计的水下目标辐射噪声特征提取算法，文献[3]提出了一种基于波数谱模态能量差特征的目标分类方法。
由于声呐识别不同水下辐射噪声源的原理与人耳语音识别的机理类似，因此，基于听觉特征的水下声目标特征提取方法是研究热点之一，其中提取梅尔倒谱系数进行水下声目标识别是常用的方法之一。
文献[4]介绍了差分梅尔频率倒谱系数的概念和相应的特征提取方法，对水下目标进行了基于MFCC特征提取方法仿真研究和实验分析；文献[5]将MFCC特征应用于船舶和鲸类水下声信号的特征提取中，提取了船舶和鯨类声信号的MFCC特征，通过高斯混合模型对提取的MFCC特征进行训练和识别分类，讨论MFCC维数变化和不同MFCC特征组合对识别分类性能的影响：文献[6-8]也进行了MFCC特征提取相关方面的研究工作，并取得了一定的研究成果。
主动隔振与水下声辐射控制的实验研究
对 于流 体 域 ， 设 流 体是 无 粘 、 旋 的 ， 假 无 而且 质 点
作微 幅振 动 ， 其运 动规 律 由波 动方 程描述 ：
干扰 的非 常有 效 的方 法 ， 信 号处 理 和控 制 领 域 广 泛 在
应 用 。常 用 的 自适 应 算 法 是 Ｆｌ ｒｄＸ Ｌ ｉｅｅ ． ＭＳ算 ｔ
振
动
与
冲
击
第 ２ 第 ８期 ９卷
Ｊ ＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＶＩ ＢＲＡ ＯＮ ＴＩ ＡＮＤ Ｓ ＨＯＣＫ
主 动 隔 振 与 水 下 声 辐 射 控 制 的 实 验 研 究
张志谊 ，李 增 ，黄修长 ，华宏 星
２ ０４ ） ０２ ０
（ 上海 交通 大学 机 械 系 统 与振 动 围家 重 点 实 验 室 ， 海 上
进 展 。 。相 比 而言 ， 。 对结 构 在 重 质 流体 巾 的 声 辐 射
主动控制 的研 究 还 比较 少 ， 这部 分 归 因于 水 下 声 辐 射 控制 的特 殊 性 和 有 限 的应 用 。然 而 ， 着 水 下 随
噪声 对海 洋环 境 影 响 的加 剧 ， 辐 射 控 制 就 显 得 越 来 声 越重 要 。船舶动 力 没备 是 导致 船体 结 构振 动 及 水下 声 辐射 的 重要 冈 素 ， 中 低 频 振 动 声 辐 射 义 较 难 控 制 。 其 动 力设备 主动 隔振是减 小 低频 振动 及 声辐 射 的有 效 途 径， 可改善船 舶 舒 适 性 、 制 结 构 的低 频水 下声 辐 射 ， 抑 相关研 究也 较 多 ” 。水 下 结 构声 辐 射 受 流体 影 响 较大， 流体 附加 质 量 和 阻 尼效 应 显 著 地 改 变 了结 构 的
水下目标偏振成像探测技术研究
水下目标偏振成像探测技术研究水下目标偏振成像探测技术研究目前，随着科学技术的快速发展，人们对于水下目标的探测与成像技术提出了更高的要求。
传统的成像技术在水下存在着许多限制与挑战，例如水质影响、光线衰减等，导致成像质量较低。
而近年来，水下目标偏振成像探测技术逐渐崭露头角，并在水下探测领域取得了显著的成果。
本文将重点研究水下目标偏振成像探测技术的原理、方法以及应用前景。
水下目标偏振成像探测技术是利用光的偏振特性进行目标探测和成像的一种新兴技术。
光波传播时会受到水介质的吸收、散射以及反射等因素的影响，而波长较长的红外光波在水中的传输损失相对较小，因此我们可以选择合适波长的红外光进行水下目标的探测与成像。
偏振成像探测技术的基本原理是通过采集目标表面反射光的偏振信息，借此获取目标特征并进行成像。
在水下环境中，利用偏振成像技术可以有效地抑制散射光与背景噪声，提高成像质量和目标的对比度。
因此，水下目标偏振成像技术在海洋勘探、水下生态环境监测以及水下遗址考古等领域具有广阔的应用前景。
水下目标偏振成像探测技术的方法主要有两种，分别是直接法和间接法。
直接法是通过直接测量目标表面反射光的偏振状态，然后根据偏振光的传输特性进行成像。
这种方法可以获得较高的成像分辨率和目标对比度，但在实际应用中存在困难，由于水下环境中的大气湍流、光散射等因素，导致目标偏振信息容易受到干扰。
间接法是通过分析目标散射光与背景光的偏振差异来确定目标位置与形态，然后进行成像。
这种方法相对直接法更为稳定可靠，但成像分辨率相对较低。
未来的研究方向主要集中在两个方面：一是完善水下目标偏振成像探测技术的理论基础，探究光波在水中的传播规律和散射特性，以提高成像质量和目标对比度；二是开发更高效、更精确的探测设备与算法，以提升水下目标偏振成像的实际应用能力。
这些研究对于加深我们对水下世界的了解，保护海洋环境，促进水下资源开发与利用等方面具有重要的意义。
综上所述，水下目标偏振成像探测技术是一项具有广阔应用前景的水下探测技术。
基于FFT的水下动目标回波仿真
在水声探测 中 ， 由于发射平 台和 目标 的相对运 动 ， 于声 纳 对
接收机来说 ， 目标 回波 相对 于发射波就 产生时 间尺度伸缩 现象 。
因此 ， 对于运动 目标 的回波仿真 ， 关键 在于对 发射波 的时 间尺度 伸缩进行仿真 。 当前 ， 对运动 目标 回波的速度仿真 主要有 以下几 种方法 ： １ ）利用多普 勒频 移 ＝ ｖｃ・ｏ ２ｌ ｆ 对发 射波进行 多普勒 频移 处理 ：（）＝ （） ｇ ｔ ， ｔ ， 中： 其 为 目标 的径 向速 度 ；（ ） ， ｔ 为发 射
摘要 ： 水声 探测 中， 在 由于声 纳平台和 目标 的运 动 ， 回波信 号将会 产生 时间 尺度伸缩 。针对 该问题 提 出了一种 基 于 Ｆｒ ｆ ｒ的 动 目标 回波仿真算 法。该方法不需要知道发射信号 的具体形式和参数 ， 只利用 了 目标径 向速度 ， 并且 具有计算速度快 、 度 精
令 ｒ ）＝ ， （０ ０得
ｒ ＝， （） ｒ 。＋ （— ） ｆ 。 （） ３
代 入式 ｇ ￡ ， ｔ （） ， （）＝ （ — ｔ ） 得
ｇｔ （）＝￣ ＜ ｔ ］ ｓ —ｒ ） － ｆ
（ ）为时间尺度因子 ； ｃ一 信号 的能量保 持一致 。
（） ４
式 （ ） 匀 速 运 动 点 目标 的 回波 模 型 ， 中 ： ４ 为 其 ｓ＝（ ｃ＋ｖ ／ ） 归一化 因子 ， 使得接 收信号 和发射
２ 基 于 Ｆ ｒ 回 波 速 度 模 型 Ｆ ｒ的
这里只考虑 目标速度 的影响 ， 忽略时延 ｒ和归 一化 因子 ， 则
） 然后产生 回波信号 ｇ ｔ ． ｓ） ， （ ）＝ （ｔ 。这种方 法需要 明确知 道发 厂
射 波的信号形式 和参数 。 ‘
水下声呐信号处理及目标识别研究
水下声呐信号处理及目标识别研究水下声呐技术的应用范围十分广泛，包括：水下探测、矿产开采、海底地形勘测、海洋生物探测、海军军事应用等等。
其中，水下目标探测和识别是水下声呐技术的重要应用之一。
本文将着重探讨水下声呐信号处理及目标识别的相关研究。
一、水下声呐信号处理水下声呐信号处理是指对声波信号进行分析、降噪、滤波等处理，以提高信号的可识别性和探测性，为水下目标识别提供基础数据。
水下声呐信号处理主要包括：信号采集、信号预处理、信号分析和信号降噪等方面。
1. 信号采集声呐信号采集是声呐系统中的第一步，其目的是获取目标传回的声波信号。
通常情况下，声呐系统由发射器和接收器两部分构成。
发射器会向周围环境发出声波信号，信号被周围环境反射后，就会被接收器捕捉。
是对声波信号进行采集的过程。
2. 信号预处理信号预处理是为了去除杂音和干扰信号，从而提高信号的质量和清晰度。
该过程中常用的技术包括滤波、去噪、增益等方法。
其中，滤波常用于去除信号中的高频噪声，去噪就是降低信号中的低频噪声的过程，而增益用于增强信号的可读性和能量。
3. 信号分析信号分析是指对信号进行参数提取以及信号的频谱、时域等特征分析。
通过对信号的分析，可以更好地了解声波传播的特性、声源和水下目标的特征等。
4. 信号降噪信号降噪是针对信号中噪声的处理，目的是去除干扰信号，提高信号的准确性和可读性。
降噪处理一般包括自适应滤波、小波去噪、频域滤波等方法。
其中，小波去噪的效果较好，可以较好地去除信号中的噪音。
二、水下目标识别水下目标识别是指通过声呐信号处理技术，将确定的信号特征与目标数据库中的特征进行匹配，对水下目标进行分类和识别。
下面将着重介绍基于声波信号的水下目标识别方法。
1. 基于模式识别的目标识别方法该方法基于目标的特征，通过比较目标的特征与数据库中已有的目标特征，最终实现目标的分类和识别。
目标的特征常包括目标的形态、声回波、饰品等因素。
常用的模式识别算法包括KNN算法、SVM算法、神经网络算法等。
声纳信号处理技术在水下目标探测中的应用研究
声纳信号处理技术在水下目标探测中的应用研究随着技术的不断进步，声纳信号处理技术在水下目标探测中发挥了重要作用。
声纳信号处理技术是利用声波在水中的传播特性，通过接收和分析反射回来的声波信号来探测水下目标。
本文将对声纳信号处理技术在水下目标探测中的应用进行探讨。
首先，声纳信号处理技术在水下目标探测中的应用主要体现在目标识别和目标定位两个方面。
通过对接收到的声波信号进行处理和分析，可以提取目标的特征信息，从而进行目标识别。
同时，结合声纳阵列的布置和声波信号的传播时间差等特性，可以实现对目标的定位。
这使得声纳信号处理技术在水下目标探测中具有良好的应用前景。
其次，声纳信号处理技术在水下目标探测中所面临的挑战主要有两个方面。
首先是水下环境的复杂性。
水下环境中存在着多种声源，如海洋生物声、水声干扰、底床反射等，这些声源可能会干扰到目标信号的接收。
同时，水下目标的种类众多，大小、形状以及材质也各不相同，这就给目标的识别和定位带来了一定的困难。
其次是声纳信号的处理和分析算法的复杂性。
声纳信号处理需要对接收到的声波信号进行滤波、增益、时差测量等一系列处理步骤，这就需要设计和实现复杂的算法。
针对上述挑战，研究人员提出了一系列的解决方案。
一方面，可以通过优化声纳阵列的布置和参数设置，以减小水声干扰并增强目标信号的接收。
另一方面，可以采用多传感器融合的方法，将其他传感器（如光学传感器、磁力传感器等）的数据与声纳信号进行融合，从而提高目标探测和识别的准确性。
此外，还可以利用深度学习等人工智能技术，对大量的声纳信号进行分析和处理，从而提取更加丰富和准确的目标特征信息。
除此之外，声纳信号处理技术在水下目标探测中还有一些潜在的应用。
首先是潜艇探测与追踪。
潜艇作为一种隐秘而又危险的水下目标，对其进行探测和追踪一直是海军的重要任务。
声纳信号处理技术可以有效地对潜艇进行探测和定位，为海军提供准确的情报和作战支持。
其次是海底资源勘探。
利用声纳信号处理技术可以对海底地形和地质进行探测，从而帮助人们了解海底的环境和资源分布情况，为海底资源的勘探和开发提供科学依据。
工程勘察船的水下目标探测与跟踪技术
工程勘察船的水下目标探测与跟踪技术工程勘察船在海洋工程、海洋科学研究和海底资源勘察等领域起着重要的作用。
在海洋勘察任务中，对水下目标的探测与跟踪是保障勘察工作顺利进行的关键环节。
随着科学技术的不断发展，工程勘察船的水下目标探测与跟踪技术也得到了巨大的进步。
本文将介绍几种常见的工程勘察船的水下目标探测与跟踪技术，包括声学探测、电磁探测和光学探测。
声学探测是工程勘察船常用的水下目标探测技术之一。
声学探测利用水中的声波传播特性实现对水下目标的探测与跟踪。
工程勘察船通过在船体底部或船舶周围部署声呐阵列来发射聚焦的声波信号，然后根据返回的回波信号来获取目标的位置和特征。
声学探测技术具有探测范围广、探测精度高、实时性强等优点，广泛应用于海洋工程中的水下目标定位、水下建筑物勘察等任务。
电磁探测是另一种常见的工程勘察船的水下目标探测技术。
电磁探测利用电磁波在水中传播的特性，通过接收水下目标散射的电磁波信号来实现目标探测与跟踪。
电磁探测技术适用于较大范围的探测任务，对于水下目标的材料特性、形状等都有较好的识别能力。
此外，电磁探测还可以用于水下通信，实现与水下设备的远程控制与数据传输等。
光学探测是近年来发展迅速的工程勘察船的水下目标探测技术。
光学探测利用光的传播特性，通过水下光学设备记录目标的光学特征，并利用图像处理技术对目标进行识别和跟踪。
光学探测技术具有分辨率高、探测范围广、成本相对低廉等优点。
光学探测在海洋科学研究和水下文物勘察中有着广泛的应用。
尽管以上介绍了声学探测、电磁探测和光学探测等常见的工程勘察船的水下目标探测技术，但这些技术在实际应用中仍然面临一些挑战。
首先，海洋环境的复杂性会对探测和跟踪的精度和稳定性造成一定的影响。
其次，水下目标的种类与形状多样，对探测设备的性能和参数提出了更高的要求。
此外，海洋资源的开发与利用对探测技术提出了新的需求，如对水下油气管道、海底矿产等的探测与监测。
为了提升工程勘察船的水下目标探测与跟踪技术，还需进一步开展研究与创新。
空中声源水下声场的简正波建模方法
ｃ ， ．
－嘶 一 ４
性 ，可 以通 过修改 一般的计算 水下声场 的简正波计
算 程序来计 算空气 中点源在水 下产生 的声场 。 ”
两边进行 Ｆ ｕｉ ． ｅｓｌ ｏ ｒ ｒ ｓｅ变换 消去 ， ｅＢ ． 变量 ， 到 ： 得
罢 ＋ ）＝２ｚ ） ≤ ＜ （ ｄ （一 Ｐ 一 （ ， ｚ 。 ２ — 七 ６一 ０ ）
作者 简介 ：张 丹 （ ９ ４ ，女 ，硕 士生。杨 日杰 （ ９ ３ ，男 ，教授 ，博导 ，博士 。 １８ 一） １ ６一）
６６ ８
海 军 航 空 工 程 学 院 学 报
第 ２ 卷 ４
度 ，Ｈ ｌ ｈ ｌ ｅｍ ｏ ｚ等式 为 ｔ 】
相 比，并没 有改变模式 函数 和特 征波数 ，而仅 Ｈ。１ （ 仅 是 声 源 的激 发 系数 发生 了变化 ，式 （） ９具有 一般
的角频率 为 ， 洋 中波数为 ｋｚ ＝ｗ／（） 深度 ｚ 海 （） ｃｚ 。 处 的声压 Ｐ为 （， ｚ） ． ， ，， 为距 声源 的距离 ，ｄ为深
收稿 日期 ：２ ０ ．６３ ０ ９０ ．０
基金项 目：泰 山学者建设工程专项经费资助 ；国家 自然科学基金 资助 （ ０ ７ １ １ ６５２６ ）
方 法 需 要 求 解 与 深 度 有 关 的方 程 ，无 论 声 源 在 空 中
下 面用简 正波方 法解决 空 中声 源在 水下产生 的
声 场 】 。 设 随 海 洋 深 度 变 化 的 声 速 抛 面 为 ｃｚ ，谐 波 源 （）
还 是在水 中 ，在 浅海产 生 的声场 由于海 底和海 表 面 多路 反射 变得非 常复杂 ， 离声源 较远 的范 围 内（ 在 大
ｚ‘
２ 仿真 分 析
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摇 摇 收稿日期: 2018鄄07鄄11 基金项目: 近地面探测技术重点实验室基金项目(6142414040307) 作者简介: 穆森(1993—) , 男, 硕士研究生。 E鄄mail: 946071400@ qq. com 通信作者: 李京华(1964—) , 女, 教授, 博士生导师。 E鄄mail: ljhy6331@ nwpu. edu. cn
机。 水下单水听器接收的实测信号检测结果表明,对于巡航速度为 36 m / s 的螺旋桨飞机,探测距
离可以达到 2郾 48 km.
摇 摇 关键词: 螺旋桨飞机; 水下声探测; 谐波集; 自适应门限
摇 摇 中图分类号: TB566
文献标志码: A
文章编号: 1000鄄1093(2019)05鄄1050鄄08
MU Sen1,2 , LI Jinghua1 , ZHANG Heng3 , CHEN Guo2
(1郾 College of Electronic Information, Northwestern Polytechnical University, Xi蒺an 710072, Shaanxi, China; 2郾 Near Ground Detection Technology Laboratory, Army Research Institute, Wuxi 214035, Jiangsu, China;
摇 摇 摘要: 螺旋桨飞机以一定高度在水面上飞行时,其噪声谱中的线谱存在明显的谐波关系。 随
着噪声由空气入水的跨界传播以及水下传播环境的变化,谐波关系有减弱的趋势。 针对此问题,提
出了基于谐波集检测与最强谱线检测相结合的检测算法。 该算法采用门限调节因子来自适应地调
整检测门限,提高了远距离低信噪比情况下目标的探测性能,可以有效地在水下环境检测螺声探测算法研究
1051
0摇 引言
反潜直升机对于水下潜艇具有很大的威胁,为 了提高水下潜艇对抗反潜机的能力,有必要尽快解 决水下对空探测的技术问题。 反潜直升机飞行时, 旋翼辐射噪声的声波穿越空- 海界面入水后形成的 频谱具有谐波特性,为水下探测空中反潜飞机提供 了可行途径。
3郾 Yichang Institute of Testing Technology, Yichang 443003, Hubei, China)
Abstract: The line spectrum in noise spectrum has obvious harmonic relation when a propeller鄄driven air鄄 craft flies over the water surface at a certain height. With the cross鄄border propagation of noise from air to water and the change of underwater propagation environment, the harmonic relation tends to weaken. To solve this problem, an underwater acoustic detection algorithm based on the combination of harmonic set detection and strongest line detection is proposed, and the detection threshold is adaptively adjusted by u鄄 sing the threshold adjustment factor 琢, which improves the target detection performance under the condi鄄 tion of the low signal鄄to鄄noise ratio at a long distance and can effectively detect the propeller鄄driven air鄄 crafts in underwater environment. The detection results of the measured signals received by the single hy鄄 drophone in water show that the detection distance can reach 2郾 48 km for a propeller鄄driven aircraft with a cruise speed of 36 m / s. Keywords: propeller鄄driven aircraft; underwater acoustic detection; harmonic set; threshold adjustment factor
第 40 卷第 5 期 2 0 1 9年5月
兵工学报 ACTA ARMAMENTARII
Vol. 40 No. 5 May 2019
基于谐波集检测的飞行目标水下声探测算法研究
穆森1,2 , 李京华1 , 张恒3 , 陈果2
(1郾 西北工业大学 电子信息学院, 陕西 西安 710072; 2郾 陆军研究院 近地面探测技术实验室, 江苏 无锡 214035; 3郾 宜昌测试技术研究所, 湖北 宜昌 443003)
摇 摇 DOI: 10. 3969 / j. issn. 1000鄄1093. 2019. 05. 018
Research on Underwater Acoustic Detection Algorithm of Aerial Targets Based on Harmonic Set Detection