文章来源
韩冰. 基于深度学习的水声信号降噪识别方法[D].电子科技大学,2023.DOI:10.27005/d.cnki.gdzku.2022.000448.
摘要
声呐接收信号往往包含恶劣海洋背景噪声，甚至混杂着人为干扰信号，这使得早期水下目标识别系统效果不甚理想。数十年来，研究人员在水声信号处理领域不懈努力，越来越优秀的水声降噪抗干扰技术和水下目标识别技术涌现出来。降低混入噪声和人为干扰，提高接收水声信号信噪比对后续处理具有事半功倍的效果。本文首先详尽分析了水下常见噪声与干扰的声音机理，研究了四种传统降噪抗干扰方法原理，并基于常用信号水下目标识别系统对其进行了实验测试。研究发现：传统降噪抗干扰方法对常用信号信噪比和水下目标识别系统识别准确率都具有一定程度提升，直观证明了降噪抗干扰环节对水声系统的重要性。之后本文研究了常用人为强宽带干扰，并基于常用信号与水下目标识别系统进行实验，测试了传统降噪抗干扰方法的介入对受强宽带干扰的水声系统性能的提升效果。结果表明信号信噪比和目标识别准确率得到了一定幅度提升，传统方法对强宽带干扰具有有限的抗干扰效果，但对目标信号造成了一定失真。本文提出了一种基于最优抽头选取迭代(Optimal Tap Selection and Iteration,OTSI)的水声降噪抗干扰方法，并在水下目标识别系统中进行实验。研究结果表明：相比传统方法及小波阈值降噪方法，OTSI算法具有更加优秀的降噪抗干扰性能，在提升混入人为强宽带干扰的信号信噪比和系统识别准确率方面具有良好表现。最后，在对比研究谱特征提取阶段常用的低频分析记录谱(Low Frequency Analysis Recording,LOFAR)和噪声包络调制检测谱(Detection of Envelope Modulation on Noise,DEMON)之后，针对DEMON谱对新型发动机特征提取不明显的问题，提出了基于振幅阈值DEMON(Amplitude Threshold DEMON,ATDEMON)谱特征提取方法。以生成对抗网络(Generative Adversarial Network,GAN)扩充后的Ships Ear数据库为输入，比较了DEMON谱、ATDEMON谱和小波变换特征三种方法对基于卷积神经网络(Convolutional Neural Network,CNN)的水下目标识别准确率的影响。研究表明：ATDEMON谱方法可以更完整地提取出实测舰船辐射噪声信号的特征，整体识别准确率最优。其对特定舰船类型的识别准确率达100.00%，并取得了98.25%的平均识别准确率。与另两种方法相比，ATDEMON谱方法整体上对水下目标识别系统的性能提升更加明显。
第一章 绪论
1.1 研究工作的背景与意义
① 外来侵扰；
② 水下通信降噪和水下目标识别技术起步晚，被“卡脖子”；
③ 三种通信方式：电磁波、光信号和声波。声波在长距离传输中衰减更慢，适合作为水下信息载体；
④ 描述在被动声呐检测识别目标的过程中降噪的必要性。
1.2 国内外研究现状
第二章 传统水声降噪识别技术研究
2.1 水下环境声音信号源分类
海洋环境恶劣，存在风成噪声、降雨噪声、海洋生物噪声、海底火山噪声等各种声音信号源，给水下通信的可靠性和水下目标识别的准确率造成了严重影响。
2.1.1 常见海洋环境噪声概述
常见的海洋噪声源及其频谱特征可以总结为以下几类：
（1）海水热噪声
海水分子受热移动产生，200kHz以下频段噪声的关键成分，其频谱具有上升谱的特点。
（2）水动力噪声
声音机理和海况、海面风速有关。频率范围为0.5~50kHz，存在于所有海域。
（3）生物噪声
海洋里会发出声音的动物有甲壳类、鱼类和以鲸鱼海豚为代表的海洋哺乳动物。他们会发出各种各样的生物噪声。甲壳动物的虾类靠钳子碰撞发声； 许多鱼类也会发出声音，比如北美的叫鱼，它们的声音是断续的，中国黄海地区的黄鱼叫声频率从 500 到 5000 Hz 不等；海豚会发出以高频为主的叫声，并在超声探测搜寻的过程中发出短暂的脉冲信号。
（4）极低频噪声
频率范围为 1~10Hz。为了精确地测量环境中的极低频噪音，应尽可能地减少各种噪声干扰。
2.1.2 有用信号舰船辐射噪声的产生原理
