林 偉, 王汗青, 苑秉成, 王平波

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基于SαS的水聲信號噪聲統(tǒng)計分布建模

林 偉, 王汗青, 苑秉成, 王平波

(海軍工程大學(xué) 兵器工程系, 湖北 武漢, 430033)

0 引言

目前, 絕大多數(shù)自導(dǎo)魚雷都以水聲場作為控制場的自導(dǎo)系統(tǒng), 即通過分析、處理接收到的水聲信號完成對目標(biāo)的探測和跟蹤。傳統(tǒng)的水聲信號處理都是在背景噪聲滿足高斯分布假設(shè)的前提下, 采用基于2階統(tǒng)計量的方法進行的[1]。然而, 在實際應(yīng)用中, 由于海洋生物、人為噪聲, 尤其是在主動自導(dǎo)條件下產(chǎn)生的混響噪聲, 魚雷自導(dǎo)系統(tǒng)接收到的水聲信號背景噪聲并不是高斯分布的, 主要體現(xiàn)在其概率密度分布具有厚拖尾現(xiàn)象。在這種非高斯噪聲環(huán)境下, 若仍然采用高斯假設(shè), 則會導(dǎo)致魚雷自導(dǎo)系統(tǒng)性能退化。目前, 用于非高斯水聲信號噪聲描述的模型主要有瑞利分布、分布、混合高斯分布等[2-4]。

1 SαS穩(wěn)定分布

式(1)滿足如下條件

2 基于SαS分布模型水聲試驗數(shù)據(jù)驗?zāi)?/h2>

分別取水池、湖試及海試3種典型水聲環(huán)境, 并默認為環(huán)境噪聲比重依次增加, 混響噪聲比重依次降低。

2.1 水池試驗數(shù)據(jù)SαS分布模型驗?zāi)?/h3>

試驗水槽長25 m, 寬2.5 m, 水底平整, 細沙底質(zhì), 厚度0.4 m, 水槽水深度及收發(fā)換能器高度可調(diào)。

圖1 SαS分布模型對水池試驗數(shù)據(jù)概率分布函數(shù)的擬合性能

Fig. 1 Fitting performance of probability distribution funtion(PDF) of symmetric α-stable(SaS) distribution model for tank trial data

2.2 湖試數(shù)據(jù)SαS分布模型驗?zāi)?/h3>

試驗區(qū)選在水域開闊、安靜, 底部多為泥土夾雜沙石礫, 屬硬底質(zhì)類的湖域。試驗進行時, 天氣晴好, 湖上有微風(fēng)。

圖2 SαS分布模型對湖試數(shù)據(jù)PDF的擬合性能

2.3 海試數(shù)據(jù)SαS分布模型驗?zāi)?/h3>

試驗地點, 天氣晴朗, 風(fēng)速3~4級, 海況2級, 海深約76~84 m, 海底平坦, 聲速153 2~153 8 m/s, 微正聲速梯度。發(fā)射陣深度22 m, 接收陣深度20~23 m。

圖3 SαS分布模型對海試數(shù)據(jù)PDF的擬合性能

圖4 SαS分布模型對海試混響限制區(qū)數(shù)據(jù)PDF的擬合性能

3 算法驗證及試驗結(jié)果分析

圖5 SαS分布模型對海試水下噪聲限制區(qū)數(shù)據(jù)PDF的擬合性能

表1 水池數(shù)據(jù)的a估計值統(tǒng)計

表2 湖試數(shù)據(jù)的a估計值統(tǒng)計

表3 海試數(shù)據(jù)的a估計值統(tǒng)計

4 結(jié)束語

從分析結(jié)果可以看出, 本文提出的模型可以對混響信號的分布進行描述, 進而為水下探測系統(tǒng)水聲信號噪聲信號抑制提供了理論支撐。

[1] 王平波．主動聲納非高斯信號處理技術(shù)研究[D]．武漢: 海軍工程大學(xué), 2006．

[2] Shao M, Nikias C L. Signal Processing with Fractional Lower Order Moments: Stable Processes and Their Applications [J]. Proceedings of the IEEE, 1993, 81(7): 986-1010.

[3] 馮德軍．海洋混響物理統(tǒng)計建模研究[D]．武漢: 海軍工程大學(xué), 2002．

[4] 楊福生．隨機信號分析[M]．北京: 清華大學(xué)出版社, 1990．

[5] 邱天爽, 張旭秀, 李小兵, 等．統(tǒng)計信號處理: 非高斯信號處理及其應(yīng)用[M]．北京: 電子工業(yè)出版社, 2004．

[6] Ma X Y, Nikias C L. Parameter Estimation and Blind Channel Identification in Impulsive Signal Environmens[J]. IEEE Transactions on Signal Processing, 1995, 43(12): 2884-2897.

Statistical Noise Distribution Modelling for Underwater Acoustic Signals Based on SαS

,,,

(Department of Weaponry Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China )

underwater acoustic signal; reverberation; symmetric-stable distribution

TJ630.34; TN911.23

A

1673-1948(2012)05-0336-03

2012-03-12;

2012-04-18.

國防預(yù)研基金項目(513030404).

林 偉(1980-), 男, 在讀博士, 講師, 研究方向為水下探測信號處理.

(責(zé)任編輯: 楊力軍)