深海声信号处理关键技术研究

林伊凡

【摘 要】随着社会经济的快速发展和进步，海洋资源开发与海洋生物认知逐渐成为现代各行业发展的新型领域，作为海洋探索的主要运输和交通工具的潜艇受到了社会各界的广泛关注，获得了巨大的发展空间，面对在实际深海中信息传递以及探测的需求。本文以不同深度海洋中声音传播特性为主要研究内容，结合实际深海开发以及潜艇，分析各项深海声信号处理的关键技术。

【关键词】深海声信号处理;关键技术

中图分类号： TN912.3;TB56 文献标识码： A 文章编号： 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

（The 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 深淺海声传播特性

1.1 浅海声传播特性

声信号在海洋中的传播中，其海洋深度不同所进行的声传播也会有所不同，则在进行浅海声传播特性叙述之前，需要了解浅海和深海之间的界限，从地理学方面来说，浅海范围是海平面至海底距离的前200米内，这段范围也被称作浅海声道，而影响浅海声传播特性的根本因素是海面和海底，其中相较于海底，海面的影响程度和影响因素更多，尤其是在季节交换与温度变化时，温度、风力、辐射等微弱的变化，在声信号传播中被放大，不仅会对浅海声信息传播造成阻碍和削弱，还会对声信号传播造成一定破坏和损失，且在没有准确和全面环境情况下，根本无法对声信号进行捕捉，或者对声信号具体损失率进行计算，稳定声信号传播同样是一项难关，因此，在未来还需要进一步的进行研究和分析。

1.2 深海声传播特性

从海平面到海底200米以外的区域则为深海，即深海声道，由于其受到的影响因素少，且具有一定的影响时间、频率和范围，则相对应的深海声传播特性也是具有一定的规律，经过长期研究发现，不同维度之间深海声道内进行的深海声传播特性符合一定的标准分布模型，通过不同标准分布模型展现的不同情况下，能够了解声信号传播的变化，且若是结合不同深海环境条件，还能发现在标准分布模型的极小值和极大值，控制相关的变化因素，同时利用现代技术手段也对声信号传播进行优化，从声源位置控制频率、强度等稳定声信号传播，将声传播控制在可控环境内，最大程度地减少由于吸收效应或者海底、海绵反应造成的声信号减弱情况。

1.3 深、浅声传播对比

深海声传播环境稳定，且具有一定规律，研究者可以通过对不同维度深海声信号传播的分布模型，再结合各类提升和改善技术，各类影响深海声信号传播因素数量相对减少，优化深海声传播手段，不断更新和结合先进技术，则深海声传播就能够达到稳定状态;而浅海声传播被影响因素众多，水声环境复杂，抛去温度、风力和太阳辐射等常见因素，仅是海水一类，从种类、浓度等就会被划分不同负跃层，这些负跃层越接近海平面，对声传播影响就越大，甚至破坏和中断声传播。综上对比，深海声信号被影响因素较少，信号频道、信号稳定性都更为稳定，则深海声信号传播会比浅海声信号传播更为简单，是未来声传播在海洋中发展的重点。

2 深海声信号处理关键技术

2.1 去噪音处理技术

声信号在深海中传播时，最大的影响因素就是噪音，不仅会影响声信号的正常传播，使得设备无法完全接收声信号，还会对已经被设备接收的声信号进行分析形成的一定的阻碍，要么无法独立分离，要么分离后被破坏，因此，去噪音处理技术成为深海声信号处理关键技术的基础技术，也同样是首要技术。根据一般潜艇在深海中传播信号种类、稳定性和信号强弱，将现代对深海声信号处理的去噪音处理技术的原理分为两类：小波分析法和矩阵束算法。1）小波分析法。主要针对深海传播过程中稳定性较差的声信号，是深海声信号中去噪音处理技术中最为常用的方法，原理是对所要传播数据进行分析，选择适当的一种小波基，分多次对声信号进行分解，直至使声信号编程多个小波后停止，然后利用设备对各个小波进行阈值处理、结构重构等，组建成无噪音的原始声信号。2）矩阵束算法。主要针对深海传播过程中稳定性较好的声信号，声信息设备会提前建立二维矩阵，这个矩阵不仅是用来接收声信号同时也是用来分离噪音，工作人员通过设置将二维矩阵分为两个，一个是噪音空间，另一个则是有用空间，然后利用奇异值原理对声信号进行分离，分离后的声信号根据奇异值不同进而进入不同空间，空间就可以最大程度排除噪音，恢复声信号。

2.2 声音发射信号特征提取技术

不论是哪一种信号传递方式，都是存在其自身独特的信号特征，也正是因为这些信号传递的特征，人们能够通过利用先进的设备对信号进行处理，也许是信号源、信号强度变化，也有可能是对信号发射进行改变，而对于深海声信号处理技术中，则是研发出声音发生信号特征提取技术，开始时，研发者基于传统声信号处理思维，认为所采集的声信号只应该是线性或者高斯性两种特征，但是随着研究的深入和设备水平的不断提升，发现深海中声信号受到众多外界其他因素干扰，传播过程中不仅仅局限于两种信号特征。目前，声音发射信号特征提取技术中，主要为以下两种方法。

1）高阶谱特征提取法。传统二阶谱在声信息的种类和完整性上，相较于其他阶普更加完善、全面和高质量，而高阶谱特征不仅仅拥有着二阶谱和其他阶谱的优势，而且在这些优势基础上进一步进行优化处理，拥有独立的声信号数据库，能够减少外界干扰因素造成的影响，最大程度地将声信号中各个独立声信息从非高斯性特征中分辨出来。

2）分形理论。顾名思义，利用声信号之间的不同形进行分类，虽然限制于深海传播环境以及传统声信号，多数声信号之间较为相似，但是在不同接受设备中，不同声信号会在不同频道或者阶谱中有着不同信号特征以及不同的信号比例，则再经过后期处理，就能将有用的声信号独立提取出来。

2.3 独立分量分析技术

除了以上两种深海声信号处理关键技术以外，还有就是独立分量分析方法，其实该种信号处理的关键技术在出现的初期，相较于前两种，并没有像前两种技术一样深入应用在深海声信号处理中，但是随着对深海开发的力度和范围增加，独立分量分析技术中的独立性、分离性以及恢复性的特性，能够在不损害或者不影响其他声信号的情况下，将检测者想要的声信号以独立声源状态提取出来，则开始引入到深海声信号处理中，成为处理的关键技术之一，并同时也受到了其他领域的青睐和研究，这是因为，独立分量分析技术的运作原理并不像前两种声信号处理技术那么复杂，原理能够广泛应用在其他领域中。其主要是以统计独立为原则，运行设备会提前对周围深海环境进行大量、多次以及不同频道的声信号采集，以判定深海环境对声信号干扰和附加，在设备接受声信号后，按照设备内部的声信号数据，对声信号中有用的信号进行分辨，以有用信息号的分子量，再进行各项分离、信号加强以及修复，排除其他深海的干扰信号，将信号真正独立出来以便分析，简单来说就是，设备获取声信息，对声信息进行独立分量以及分离，提取有用信息后，利用后期加工手段，将有用声信息中存在的干扰去除，就能够提供给相关工作人员进行信号记录、分析和研究，该项技术不仅操作简单，且运作高效，有效利用有限资源。

3 总结

深海聲信号处理关键技术作为深海资源探索、开发的重要技术之一，其科学水平发展直接关联着我国潜艇技术的发展速度，影响着潜艇对深海资源的勘探范围和深度扩展的速度;再加上，虽然在深海范围内进行声信号传播会存在众多因素干扰，但是相较于浅海区域，深海区域更能实现声信号稳定传播的目标，因此，未来深海声信号处理关键技术的发展前景广阔，相应的我国潜艇技术竞争力也会在未来更进一步，促进我国综合实力的提升，同时也实现我国海洋探索工作更为高质量的进行，同时也实现我国社会的快速发展和不断地进步。

【参考文献】

[1]金江明.深海声信号处理关键技术研究[J].电子世界，2018（17）：101.