MATLAB对水下目标去噪声代码,水下目标噪声与背景噪声的建模与仿真

0引言在水声信号处理领域中,舰船在海水中的辐射噪声信号一直是人们研究的热点,它是被动式声呐设备的信息来源,这一信息可用于对舰船目标进行探测、定向、定位、跟踪和识别等。由于实测舰船噪声离散性很大并需要耗费大量的经费和时间。因此,在对舰船辐射噪声进行信号处理、识别和分类等研究时,完全依赖实测数据是不现实的。为此,需要建立大量的仿真数据来对被动声呐以及水中兵器进行识别方法和动作参数的研究及验证;在水声对抗技术中,舰船声特征逼真模拟技术是声诱饵的关键技术;舰艇指挥系统的方案论证、仿真实验、模拟训练等,都需要舰艇噪声信号[1],因此,舰船噪声信号的模拟仿真研究有着重要的现实意义和作战意义。舰船辐射噪声的模拟主要是研究和分析舰船的声学特征,并能高逼真地将这些特征模拟出来,用于对各种声学系统的测评以及在水声对抗中达到诱骗鱼雷和声呐的目的。本文利用线性预测技术,以AR模型去拟合已知功率谱分布的方法[2-3],对“双重频率功率谱”进行了建模与仿真,其中线谱用一组正弦信号进行模拟,而连续谱部分用Ecs型模型模拟,另外还包括时变调制谱部分。由于海洋背景噪声的复杂性,很难用一个数学模型来模拟,因此,我们根据一些公开发表的实测环境噪声谱经验公式来近似地仿真浅海环境噪声信号。1噪声机理分析目前,对海目标(主要包括水面舰艇、潜艇和鱼雷)的识别主要是依靠对其辐射噪声的信号功率谱的提取与分析,因此,首先研究海目标的噪声特性,使模拟的信号更加真实逼真。舰船、潜艇和鱼雷运动时所辐射的噪声是被动声呐要检测的信号,其噪声来源主要分为3类:机械噪声、螺旋桨噪声和水动力噪声[4]。1)机械噪声主要是由主机、辅机及各种空调设备的机械振动产生,这种机械振动通过安装设备的支架、管道及壳体向水中辐射。2)螺旋桨叶片在转动时周期性地击水,产生噪声,螺旋桨上或其附近空化和涡流声,都为螺旋桨噪声。3)目标在运动过程中,水流过壳体时产生的摩擦声以及通过壳体引起安装于壳体上的附件的共振,又辐射回水中。前两种噪声是主要的,螺旋桨的空化噪声是由大量小气泡随机破碎引起的,所以空化噪声具有连续的频谱。在高频段,它的谱级随频率大约每倍程下降68dB,而在低频端,随频率增加稍有提升,于是空化噪声的谱有一个峰值,对于舰船和潜艇,这个峰值大约位于1001000Hz[6]。除空化噪声形成的连续谱外,水流过螺旋桨还产生单频分量,一种分量是频率较高的叶片共振;另一种是频率较低的“叶片速率谱”,它是由螺旋桨的叶片切割所有进入螺旋桨及其周围空间的不规则水流引起的,其频率为fm=mns,fm代表叶片速率线谱的第m次谐波频率,n是螺旋桨的叶片数,s为转速。产生海洋噪声的因素是多种多样的,通常包括潮汐、涌浪所引起的压力波和湍流引起的压力脉冲,还包括地震活动、风动海面、降雨、分子热运动及海洋中生物的群体活动。在近海湾或港口处,工业的人为噪声、进出港口的船只的噪声也是海洋噪声的重要来源。2建模与仿真2.1海目标的建模由对海目标噪声的产生机理可以发现,舰船辐射噪声是随机的,包括连续谱、线谱和时变调制谱。辐射噪声信号总的时变功率谱[8]表示为:G(t,f)=GL(f)+GX(f)+2m(t)m(f)GX(f)=GL(f)+[1+2m(t)m(f)]GX(f)(1)其中GL(f)代表初相随机的正弦波形谱部分;GX(f)代表平稳各态历经高斯过程的功率谱,第三部分是局部过程的时变谱,它反映了辐射噪声中的动态特性与有关,m(t)称为调制函数;m(f)称为调制深度谱;而2m(t)m(f)GX(f)称为时变调制功率谱。1)线谱部分GL(f)建模GL(f)=Mj