水下蛙人呼吸聲信號特征提取研究.pdf

1、水下蛙人對各國海洋安全造成的威脅逐年加劇，已經(jīng)引起了各國海軍和海事部門空前的重視；近些年各國海軍紛紛加強對了水下蛙人的防御力度，提出了大量基于主動聲吶探測和識別水下蛙人的技術(shù)和方法，研制出了相應的設備并投入使用。水下蛙人在水下執(zhí)行任務時，會向外輻射呼吸聲信號，用被動聲吶接收水下蛙人的呼吸聲信號，并建立有效的特征提取和分類識別理論，是基于被動聲吶探測和識別水下蛙人的核心所在。一般情況下，港口、碼頭等近海海域存著在大量?？考斑^往的船只，海況

2、復雜，因此較強背景的環(huán)境噪聲和艦船輻射噪聲是被動聲吶探測水下蛙人的主要干擾因素。蛙人呼吸聲信號根據(jù)其產(chǎn)生機理可將其視作一種語音信號，人耳聽覺感知系統(tǒng)對語音信號有著較好的感知能力，其獨特的“聽音辨物”的優(yōu)勢能夠使其完成對不同目標信號的感知和識別。本文將人耳聽覺感知特性應用到水下蛙人呼吸聲信號的特征提取中，完成其與環(huán)境噪聲和艦船輻射噪聲之間的分類和識別；本文在非線性語音信號處理和心理聲學領域已有的聽覺感知參量特征提取的基礎上，選取Mel頻率

3、倒譜系數(shù)和音色參量中的譜能量參數(shù)與譜形結(jié)構(gòu)參數(shù)作為研究對象，基于模擬人耳聽覺感知系統(tǒng)的Mel濾波器對蛙人呼吸聲信號、環(huán)境噪聲和艦船輻射噪聲三種信號提取上述特征參量。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴對于Mel頻率倒譜系數(shù)（MFCC）參量，分析了同態(tài)處理的基本原理并推導了信號MFCC的表達式，根據(jù)湖試測得的數(shù)據(jù)，提取了三類信號的MFCC特征參量，對所提取的MFCC參量進行特征匹配，并基于MFCC特征匹配結(jié)果計算了呼吸聲信號之間、呼吸聲信號

4、與環(huán)境噪聲及呼吸聲信號與艦船輻射噪聲之間的MFCC夾角與MFCC距離。計算結(jié)果表明蛙人呼吸聲與艦船輻射噪聲及環(huán)境噪聲的MFCC參數(shù)有著明顯的差異，能夠?qū)ν苋撕粑曅盘柵c干擾噪聲進行區(qū)分，證明了基于MFCC特征算法的有效性，對發(fā)展港口、碼頭等近海海域附近的水下蛙人探測聲吶和預警系統(tǒng)具有實際意義。⑵對于音色參量，推導了譜能量參數(shù)與譜形結(jié)構(gòu)參數(shù)的表達式并分析了各個參數(shù)的物理意義，本文所研究的音色參量是基于音色的頻域描述符進行描述的，因此要在信

5、號的功率譜（二階統(tǒng)計量）上提取音色特征，而蛙人呼吸聲信號和噪聲信號在頻域上的分布是非高斯的，二階統(tǒng)計量會帶來嚴重的分布噪聲，嚴重影響提取效果；高階統(tǒng)計量可以抑制分布噪聲，提高信噪比，從而提高兩類信號的可分性及分類識別的準確率，為減少計算量，本文在三階、四階累計量的對角切片譜（即1.5維譜和2.5維譜）上提取了音色特征，分析了三類信號在特征域上的差異，并采用類內(nèi)類間離散度算法和支持向量機算法計算了呼吸聲信號與兩類噪聲間的類間可分性和分類識