無(wú)人駕駛的快速水下航行體的聲信號(hào)處理研究

費(fèi)子笑

（上海船舶電子設(shè)備研究所，上海 201108）

現(xiàn)階段無(wú)人駕駛技術(shù)發(fā)展較快，水下航行體自身研究工作，更加重視自身性能，滿足不同水下作業(yè)需求。尤其是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，為海洋探索與水下潛艇制作提供了更為先進(jìn)的技術(shù)儲(chǔ)備，能夠進(jìn)一步提高整體性能，以便于發(fā)揮該技術(shù)的巨大優(yōu)勢(shì)，完成水下航行任務(wù)。

一、深淺海聲傳播特性

聲信號(hào)在傳播過(guò)程中，往往會(huì)隨著海洋深度的變化而出現(xiàn)不同的傳播方式，因此，在研究無(wú)人駕駛的快速水下航行體的聲信號(hào)處理技術(shù)時(shí)，技術(shù)人員應(yīng)該了解深淺海之間的界限，更好地完成各項(xiàng)研究工作。其中淺海區(qū)域則是水下200m以內(nèi)的范圍，而深海區(qū)域則是水下200m以下區(qū)域。在海洋聲信號(hào)處理過(guò)程中，對(duì)聲傳播影響較大的因素有海面與海底，其中海面的影響大于海底的影響，技術(shù)人員在現(xiàn)有設(shè)計(jì)中，應(yīng)該統(tǒng)籌兼顧，做好海面信息傳遞的細(xì)致分析工作。

當(dāng)前深淺海的傳播環(huán)節(jié)較為穩(wěn)定，并且在聲信號(hào)傳輸過(guò)程中，存在一定的規(guī)律。因此，研究無(wú)人駕駛的快速水下航行體工作中，各部門應(yīng)該重視對(duì)聲信號(hào)的處理研究工作，便于發(fā)揮自身重要作用，能夠?qū)崿F(xiàn)信息的傳遞與獲取，有效完成各項(xiàng)工作。

例如：當(dāng)前技術(shù)人員通過(guò)對(duì)深海聲傳播特性的分析，可以發(fā)現(xiàn)這些信號(hào)存在一定的標(biāo)準(zhǔn)分布特性，通過(guò)對(duì)這些信號(hào)的處理，能夠了解不同海洋環(huán)境的變化，有效發(fā)現(xiàn)分布模型中存在的問(wèn)題，便于改進(jìn)現(xiàn)有技術(shù)設(shè)備，提高信息傳遞的準(zhǔn)確性。

二、快速水下航行體聲信號(hào)處理重點(diǎn)分析

（一）降低自噪聲的影響

在水下航行過(guò)程中，航行體自身會(huì)隨著外界的擾動(dòng)而產(chǎn)生一定的流動(dòng)噪聲，從而對(duì)于當(dāng)前聲信號(hào)傳遞工作起到一定的負(fù)面影響。這些流動(dòng)噪聲可以簡(jiǎn)稱為自噪聲，其根源是航行體表面產(chǎn)生的一個(gè)湍流附面層，容易受到外界環(huán)境的影響。因此，在快速水下航行體聲信號(hào)處理工作中，需要技術(shù)人員進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)，最大限度上減少當(dāng)前自噪聲的負(fù)面影響。在現(xiàn)有航行體設(shè)計(jì)中，主要將靈敏的聲接收基陣限制在頭部區(qū)域，從而減少水下航行體的流動(dòng)噪聲影響。

在水下航行體研究工作中，應(yīng)該重視對(duì)現(xiàn)有基陣的處理，將當(dāng)前信號(hào)控制在一定范圍內(nèi)，有利于減少自噪聲對(duì)于聲信號(hào)處理設(shè)備的影響。這種對(duì)聲基陣在使用階段，往往會(huì)使用更低的頻率，便于獲得更大的增益。

（二）完成目標(biāo)的探測(cè)與定位

當(dāng)前設(shè)備使用階段，技術(shù)人員應(yīng)該重視對(duì)設(shè)備的目標(biāo)檢測(cè)工作，從而完成對(duì)目標(biāo)區(qū)域的探測(cè)、識(shí)別工作。各部門應(yīng)該重視自身能力的提升，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)航行體的定位工作。目前，水下航行體使用聲吶探測(cè)設(shè)備，有效降低設(shè)備使用階段存在的問(wèn)題，能夠進(jìn)一步延伸，從而擴(kuò)大掃描寬度。尤其是無(wú)人駕駛的快速水下航行設(shè)備，在很大程度上，需要完成對(duì)目標(biāo)的探測(cè)與定位工作，從而完成海洋探索與國(guó)防力量建設(shè)等工作。

當(dāng)前無(wú)人駕駛航水下航行體在完成自身任務(wù)階段，往往是由空中運(yùn)輸，當(dāng)達(dá)到目標(biāo)區(qū)域后，再由空中設(shè)備投入到水下，按照固定的流程，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)周邊區(qū)域的搜索工作。現(xiàn)階段崗位工作中，各部門應(yīng)該制定合適的應(yīng)對(duì)機(jī)制，發(fā)揮聲處理設(shè)備的重要作用，逐步擴(kuò)大搜索半徑，完成對(duì)目標(biāo)的探測(cè)與定位工作。

（三）實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的跟蹤

當(dāng)水下航行體設(shè)備完成對(duì)水下目標(biāo)的探測(cè)與定位工作后，各部門工作人員應(yīng)該重視對(duì)目標(biāo)的跟蹤工作。為了實(shí)現(xiàn)這一目的，完成對(duì)目標(biāo)的自導(dǎo)，需要水下航行體從最開始的遠(yuǎn)程探測(cè)逐漸轉(zhuǎn)移到目標(biāo)跟蹤工作中。目前，這一項(xiàng)目與蝙蝠的行為有著相似之處，自然界中蝙蝠為了捕獲食物，往往會(huì)變換自己的主動(dòng)聲吶信號(hào)，從而完成對(duì)目標(biāo)的跟蹤。而無(wú)人駕駛的快速水下航行體的活動(dòng)，應(yīng)該將聲信號(hào)處理作為重中之重，借助聲吶設(shè)備，逐步改變目標(biāo)的視角，從而體現(xiàn)出當(dāng)前目標(biāo)的變化特征。

現(xiàn)階段技術(shù)人員在研究該項(xiàng)目中，逐漸明確了整體工作途徑，將整體活動(dòng)有效劃分為搜索、探索、定位、瞄準(zhǔn)、自導(dǎo)五個(gè)不同的階段，逐步改變聲信號(hào)處理設(shè)備的工作方式，便于實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)信號(hào)的捕捉與跟蹤。技術(shù)人員重視對(duì)聲信號(hào)影響要素的分析工作，有效降低外界信號(hào)的負(fù)面影響，從而預(yù)測(cè)當(dāng)前目標(biāo)的航向情況。

三、聲信號(hào)處理的關(guān)鍵技術(shù)

（一）去噪聲技術(shù)

現(xiàn)有設(shè)備在使用中，噪聲對(duì)于設(shè)備的影響較大，各部門應(yīng)該重視去噪聲技術(shù)的應(yīng)用，避免在聲信號(hào)處理工作中，造成現(xiàn)有設(shè)備難以正常使用。這些噪聲一方面會(huì)影響聲信號(hào)的正常傳播，另一方面還會(huì)造成現(xiàn)有設(shè)備難以接收到聲音信號(hào)。目前，噪聲難以獨(dú)立分離，保持聲音信號(hào)的完整性。因此，現(xiàn)階段技術(shù)人員應(yīng)該重視對(duì)去噪聲技術(shù)的研究工作，有效降低噪聲的負(fù)面影響。這種技術(shù)在使用階段，能夠有效劃分不同信號(hào)的種類，便于獲得準(zhǔn)確的聲音信號(hào)，完成對(duì)目標(biāo)的跟蹤工作。

現(xiàn)階段常用的去噪聲技術(shù)，主要是使用小波分析法與矩陣束算法。其中小波分析法的使用，能夠完成對(duì)現(xiàn)有信號(hào)的分解工作，確保該設(shè)備能夠正常使用。這種小波分析法在使用階段，主要是基于小波基，實(shí)現(xiàn)對(duì)聲信號(hào)的分解，便于實(shí)現(xiàn)對(duì)聲信號(hào)的閾值處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)有聲信號(hào)的重構(gòu)。而矩陣束算法在使用階段，應(yīng)該重視自身能力的提升，可以將現(xiàn)有聲信號(hào)進(jìn)行劃分，建立二維矩陣，并且該算法能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)噪聲的有效分離，將其劃分為噪聲空間與有用空間，并且使用奇異值原理，有效降低噪聲對(duì)于當(dāng)前設(shè)備的影響，最大限度保留有用信息。

目前去噪聲技術(shù)的應(yīng)用較為普遍，尤其是無(wú)人駕駛的快速水下航行體工作中，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)現(xiàn)有聲處理技術(shù)的改進(jìn)，克服當(dāng)前設(shè)備使用中存在的問(wèn)題，從而快速恢復(fù)聲信號(hào)。

（二）聲音發(fā)射特征提取技術(shù)

在設(shè)備使用中，不同聲音具有自己獨(dú)特的信號(hào)特征，當(dāng)前技術(shù)人員重視對(duì)該設(shè)備的信號(hào)處理工作，能夠制定合適的應(yīng)對(duì)機(jī)制，逐步適應(yīng)當(dāng)前信號(hào)的變化。當(dāng)前崗位工作中，技術(shù)人員應(yīng)該重視自身能力的提升，借助先進(jìn)的技術(shù)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的處理工作。在深海聲信號(hào)處理工作中，發(fā)揮聲音發(fā)射特征提取技術(shù)的重要作用，能夠?qū)ΜF(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)，符合現(xiàn)階段工程技術(shù)的需求。

其中常見的聲音特征提取技術(shù)包括高階譜特征提取方法與分形理論，在很大程度上，能夠改進(jìn)現(xiàn)有工程施工，逐步提高崗位工作質(zhì)量。目前，高階譜特征提取法在使用階段，與傳統(tǒng)的聲音提取技術(shù)相比，整體性能獲得了較大的提升，并且擁有特定的聲信號(hào)數(shù)據(jù)庫(kù)，有效降低外界環(huán)境的干擾。

并且分形理論在實(shí)施階段，應(yīng)該充分利用聲信號(hào)的不同形狀特點(diǎn)，重視后期處理工作，從而將有用的信號(hào)及時(shí)分離。分形理論的應(yīng)用，能夠發(fā)現(xiàn)不同信號(hào)特征，并且對(duì)信號(hào)比例進(jìn)行細(xì)致處理，逐步增強(qiáng)自身性能，逐步提高自身崗位工作質(zhì)量。現(xiàn)階段技術(shù)人員在對(duì)聲信號(hào)特征信息提取中，應(yīng)該重視對(duì)收集到聲信號(hào)處理工作，獲取準(zhǔn)確的信息。

（三）獨(dú)立分量技術(shù)

獨(dú)立分量技術(shù)與其他兩種技術(shù)相比，具有一定的操作難度，在該技術(shù)研發(fā)前期，并沒(méi)有得到廣泛應(yīng)用，往往在聲信號(hào)處理過(guò)程中，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)有用信號(hào)的提取工作。近年來(lái)，科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展，設(shè)備更新?lián)Q代為獨(dú)立分量技術(shù)的應(yīng)用提供了可靠的條件。該技術(shù)的原理較為簡(jiǎn)單，在設(shè)備使用中，能夠在眾多領(lǐng)域得到應(yīng)用，主要是以統(tǒng)計(jì)獨(dú)立作為首要原則，便于實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的處理工作。在數(shù)據(jù)處理中，需要進(jìn)行多次、大量的聲信號(hào)采集工作，以便于實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的分辨。并且各部門應(yīng)該重視自身能力的提升，制定合適的應(yīng)對(duì)措施，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)有數(shù)據(jù)分量的辨別，從而獲取有用的信息。目前，該技術(shù)已經(jīng)在無(wú)人駕駛的快速水下航行體中得到廣泛應(yīng)用，使用該技術(shù)，能夠獲取有用的信息，并且將其中存在的干擾源進(jìn)行去除，并且整體操作較為簡(jiǎn)單，能夠充分利用現(xiàn)有資源，實(shí)現(xiàn)對(duì)海域聲信號(hào)的處理工作。

獨(dú)立分量技術(shù)主要是通過(guò)對(duì)不同頻道信號(hào)的采集，從而判定信號(hào)干擾，實(shí)現(xiàn)對(duì)有用信號(hào)的分辨工作，并且結(jié)合較為先進(jìn)的數(shù)據(jù)處理技術(shù)，有效分離不同獨(dú)立分量，將這些獨(dú)立分量進(jìn)行去除，從而獲得有用的聲音信號(hào)。

四、結(jié)論

總而言之，現(xiàn)階段無(wú)人駕駛的快速水下航行體聲信號(hào)的研究工作已經(jīng)取得了較大的進(jìn)步，在海洋資源探索與國(guó)防力量建設(shè)中有著廣泛的應(yīng)用。近年來(lái)，研究人員在去噪聲技術(shù)、聲音特征信息提取技術(shù)以及獨(dú)立分量技術(shù)中取得了較大的進(jìn)展，整體設(shè)備性能獲得了較大的提升。