深海聲信號處理關鍵技術研究

杭州應用聲學研究所 金江明

引言

在實際海洋環境中，水聲信號十分復雜，存在諸多水聲信道畸變與環境干擾等情況，尤其是在淺海環境中表現得更加顯著。在現代潛艇技術不斷發展的背景下，使其下潛深度與活動范圍得到進一步擴大，為了完成作戰任務，潛艇通常需要進入到深海區工作，為了提升水聲探測性能，將水聲探測器放置在約2000m的深海環境中，與優良安靜的水文環境以及便于遠距離傳聲的深海波導相結合，從而達到提高聲音在深海傳播效率的目標。

1.深海與淺海聲信號傳播特性對比

1.1 淺海聲傳播特性

要想對聲音在深海中的傳播特性進行分析，首先需要對其在淺海中的聲音傳播進行分析。從地理學角度上看，淺海主要是指海面與海底距離不超過200m的區域內，二者間形成淺海聲道，當聲波在其中傳播時，會受到海面與海底的雙重作用。經過相關調查研究表明，聲音在淺海中傳播時，其損失度受到海水介質、海面、海底等多種因素的影響。由于聲場與上述參數的依賴度較高，因此在參數不明確的前提下，只能粗略的估算淺海的傳播損失。

淺海傳播受到溫度變化的影響，反應較為靈敏，并且也隨之季節的改變而發生變化。在冬季時，由于受到風浪與冷空氣的影響，淺海中通常會出現微弱的聲速階梯分布，形成表面聲道，提升了聲音的傳播效果；而在夏季時，由于受到風動與太陽輻射的影響，在淺海區域往往會存在負躍層，進而影響了聲音的傳播。由于淺海環境具有較強的復雜性，使該區域水聲信道的空間、時間、頻率等均發生了改變，傳播損失加大、環境噪聲較高、帶寬的使用有限，這些都將為水聲識別與探索帶來較大的不利影響。

1.2 深海聲傳播特性

在深海聲道中，主要是由深海聲速的分布特征而形成，在分布上存在極小值，深度上主要是從中緯度海區到極地海區之間的區域，SOFAR聲道標準分布模型為：

式中，z0代表的是聲速極小值時的位置；ε代表的是與最小值偏離后的量級；c0代表的是聲速極小值；B代表的是波導寬度；

同時，根據上述公式繪制1—5000m的聲速分布圖，根據折射定律可知，聲線總是朝著聲速極小值的位置彎曲。而聲速極小值能夠使海水具備與透鏡相似的功能，在極小值附近的聲速梯度，將使出射聲線的彎曲方向向極小值傾斜。由此可見，在深海聲道中，生源的發射處部分能量因沒有經過海面、海底的反射產生了聲能損失，這些損失被存留在聲道內部，單純的由于吸收效應而發生衰減。由于在深海區域中，聲音在傳播過程中產生的損失較小，尤其是在生源的位置處，聲音信號能夠在聲道中傳播很遠。

在深海聲道中，與淺海聲道相比來看，由于受到季節、洋流、海面風力、波浪等因素的干擾較小，在水聲環境上相對來看較為安靜，因此聲音在傳播過程中受到的阻力較小，產生的損失較小，聲道效應的穩定性更強。另外，將聲源裝置放置到深海環境當中，能夠減少聲源與接受裝置之間的復雜因素干擾。因此，深海環境中的優良安靜能夠更加有利于聲音的傳播[1]。

2.深海聲信號處理的關鍵技術分析

2.1 去噪處理技術

在聲信號發射之后，對其進行去噪處理顯得十分重要，去噪處理的方式多樣，主要包括兩種方式，分別為小波分析法與矩陣束算法，這兩種方式所適用的范圍與應用效果不盡相同。對于平穩性較差的信號來說，通常采用小波分析法進行去噪處理；對于較為穩定的聲音信號來說，一般采用矩陣束算法，通過傅里葉轉換等方式，對信號的頻譜特征進行選取。由于聲音在深海中發射以后，屬于非平穩性信號，加之在信號的類型上也有所區別，因此應尋找相應的去噪方式進行解決。對此，在深海環境下，當聲音發送出去以后，需要對其傳播特性進行分析，選擇科學的理論作為基礎和參考，通過小波分析法與矩陣束算法相結合的方式，對聲音信號進行處理。

（1）小波分析法屬于其中使用頻率最高的一種，在對深海聲音信號的處理過程中，主要的處理步驟為：首先，選擇一種小波基，并對該聲音信號進行N層的分解，使其成為多個小波，在分解之后對各個層次系數中的閥值進行選擇并處理；然后，將閥值處理后得到的系數通過小波進行重構，將其作為原始信號。

（2）矩陣束算法主要是基于奇異值分解來實現的，使用此種方式對深海聲音傳播進行處理時，首先需要建立一個二維矩陣束，然后對所創立的矩陣進行分解，將構建后的矩陣劃分為不同的兩個子空間，一個為噪聲子空間，另一個為信號子空間，最終通過信號子空間完成對最終信號的獲取。這種方式對于指數類型信號來說，在深海聲音傳播中對震蕩噪音的處理效果達到十分顯著的效果[2]。

2.2 聲音發射信號特征提取技術

在對深海聲音信號的處理時，人們通常將信號看成為線性或者高斯性，但事實上，聲音信號在傳播的過程中并不是這兩種特征，加之深海環境中存在諸多干擾因素，采用常規的信號處理技術無法對信息的特征進行全面而準確的提取，這時在對聲音信號進行處理時，需要加強對此方面問題的重視程度。現階段，信號特征的主要提取技術為：分形特征提取法與高階譜特征提取法，具體為：

（1）高階譜特征提取法：與二階譜相比來看，能夠提供更多豐富、高價值的信息，具有較高的分辨率與較強的抗噪聲性能，采用此種方式能夠對聲音在深海環境中的發射信號進行分析，將測量信號從非高斯特征中提取出來，獲取到更多常規信號測量與分析中無法得到的信息。

（2）分形理論：基于信號自相似性誕生，在深海聲音信號中，很需要信號自身存在一定的特殊性，能夠展現出自身相似尺度的比例，由于此種信號與幅度等參數之間并不存在太大的聯系。

2.3 獨立分量分析技術

現階段，該技術不但在深海聲音檢測與分析的過程中得到應用，在其他領域中也有所涉及。在對深海聲音信號進行處理的過程中，首先能夠對聲音信號進行獨立分量和分離處理，然后將這些信息從獨立聲源中提取出來，并進行處理，最終將聲音中存在的噪聲進行過濾和清除。此種分析方式的實施原則為統計獨立，這在深海環境中，當聲音信號的形式不明時，根據該原則便能夠實現信號分解，進而更加良好高效的進行深海聲信號的分析與處理[3]。

結論

綜上所述，本文從實際需求出發，對深海環境中聲音的傳播特性與聲信號的處理技術進行分析。通過研究和分析能夠看出，與淺海區域相比來看，深海區域由于受到阻礙和干擾因素較少，因此更有利于實現聲音的傳播。同時，在日后的研究中，應加強對去噪處理技術、獨立分量分析技術、聲音發射信號特征提取技術的關注度，為反潛作戰、海洋開發等提供重要的技術支持。