水下蛙人呼吸聲信號(hào)特征提取研究.pdf

1、水下蛙人對(duì)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(qiáng)對(duì)了水下蛙人的防御力度，提出了大量基于主動(dòng)聲吶探測和識(shí)別水下蛙人的技術(shù)和方法，研制出了相應(yīng)的設(shè)備并投入使用。水下蛙人在水下執(zhí)行任務(wù)時(shí)，會(huì)向外輻射呼吸聲信號(hào)，用被動(dòng)聲吶接收水下蛙人的呼吸聲信號(hào)，并建立有效的特征提取和分類識(shí)別理論，是基于被動(dòng)聲吶探測和識(shí)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停靠及過往的船只，海況

2、復(fù)雜，因此較強(qiáng)背景的環(huán)境噪聲和艦船輻射噪聲是被動(dòng)聲吶探測水下蛙人的主要干擾因素。蛙人呼吸聲信號(hào)根據(jù)其產(chǎn)生機(jī)理可將其視作一種語音信號(hào)，人耳聽覺感知系統(tǒng)對(duì)語音信號(hào)有著較好的感知能力，其獨(dú)特的“聽音辨物”的優(yōu)勢能夠使其完成對(duì)不同目標(biāo)信號(hào)的感知和識(shí)別。本文將人耳聽覺感知特性應(yīng)用到水下蛙人呼吸聲信號(hào)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(shí)別；本文在非線性語音信號(hào)處理和心理聲學(xué)領(lǐng)域已有的聽覺感知參量特征提取的基礎(chǔ)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(duì)象，基于模擬人耳聽覺感知系統(tǒng)的Mel濾波器對(duì)蛙人呼吸聲信號(hào)、環(huán)境噪聲和艦船輻射噪聲三種信號(hào)提取上述特征參量。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴對(duì)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(dǎo)了信號(hào)MFCC的表達(dá)式，根據(jù)湖試測得的數(shù)據(jù)，提取了三類信號(hào)的MFCC特征參量，對(duì)所提取的MFCC參量進(jìn)行特征匹配，并基于MFCC特征匹配結(jié)果計(jì)算了呼吸聲信號(hào)之間、呼吸聲信號(hào)

4、與環(huán)境噪聲及呼吸聲信號(hào)與艦船輻射噪聲之間的MFCC夾角與MFCC距離。計(jì)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?hào)與干擾噪聲進(jìn)行區(qū)分，證明了基于MFCC特征算法的有效性，對(duì)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(yù)警系統(tǒng)具有實(shí)際意義。⑵對(duì)于音色參量，推導(dǎo)了譜能量參數(shù)與譜形結(jié)構(gòu)參數(shù)的表達(dá)式并分析了各個(gè)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(jìn)行描述的，因此要在信

5、號(hào)的功率譜（二階統(tǒng)計(jì)量）上提取音色特征，而蛙人呼吸聲信號(hào)和噪聲信號(hào)在頻域上的分布是非高斯的，二階統(tǒng)計(jì)量會(huì)帶來嚴(yán)重的分布噪聲，嚴(yán)重影響提取效果；高階統(tǒng)計(jì)量可以抑制分布噪聲，提高信噪比，從而提高兩類信號(hào)的可分性及分類識(shí)別的準(zhǔn)確率，為減少計(jì)算量，本文在三階、四階累計(jì)量的對(duì)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(hào)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(jī)算法計(jì)算了呼吸聲信號(hào)與兩類噪聲間的類間可分性和分類識(shí)