[发明专利]一种基于时频特征产生水声环境噪声数据的方法及装置

摘要

针对水下航行器研制与试验过程中对快速产生大规模水声环境噪声逼真模拟数据的需求以及已有方法实用性不强的问题，本发明公开了一种基于时频特征产生水声环境噪声数据的方法及装置，该方法通过分析实测噪声数据样本的时间相关特性及统计分布特性，提取模拟噪声应具备的时频特征，然后经过特征标准化、模型参数辨识等处理得到模拟噪声数据生成模型，最后采用白噪声序列激励该模型产生所需的模拟噪声数据。本发明能够不重复地产生指定长度、与任意实测样本特征接近的水声环境噪声数据，且实施简便、应用灵活，具有较好的工程实用性。

主权项

1.一种基于时频特征产生水声环境噪声数据的方法，其特征在于，具体包括如下步骤：步骤1：根据应用需求，获取目标水域在特定季节、深度、海况条件下的环境噪声实测数据样本，记录测量系统的接收灵敏度M及放大倍数G；步骤2：利用统计理论分析实测数据样本的分布特性，确定分布模型及其参数；步骤3：采用功率谱方法分析实测数据样本的幅频特性，形成噪声频谱图；步骤4：在噪声频谱图上的噪声模拟频带内选取几何特征点与特定信息点作为特征点；所述几何特征点包括边界点、极值点、拐点三种，所述特定信息点是与应用相关但不能被几何特征点涵盖的其他信息点，每个特征点包括一个频率值和一个谱级值；步骤5：按照频率递增的顺序将步骤4得到的N₀个特征点组织形成原始特征向量L₀，向量L₀的每个元素包括对应的频率值、谱级值；步骤6：求取原始特征向量L₀中相邻两个频率元素的差值f_i‑f_i‑1，i＝1，2，…，N₀‑1，得到一个长度为N₀‑1的频率间隔向量ΔL；步骤7：基于频率间隔向量ΔL计算出一个最大的频率单元Δf_max，确保频率间隔向量ΔL的每个元素都是Δf_max的整数倍；当频率间隔向量ΔL的每个元素均为整数时，则Δf_max即为其最大公约数；步骤8：根据应用系统对噪声模拟计算效率及谱级精度的要求确定滤波器系数长度N_F，以0为初值、为公差构造长度为的等差数列，作为标准特征向量L₁的频率元素；步骤9：将原始特征向量L₀中的各个谱级元素由对数表示转换为线性表示，即将分贝值转换为幅度值，并映射到标准特征向量L₁中频率最接近的元素处，其余频率元素处的幅值初始化为0；步骤10：针对模拟频带内标准特征向量L₁中与原始特征向量L₀映射剩余的元素，在由成功映射的N₀个元素划分形成的N₀‑1个区间内分别进行线性插值以确定其幅值；步骤11：将标准特征向量L₁中耐奎斯特频率以下的元素的幅值对称映射到耐奎斯特频率以上，完成对标准特征向量L₁的赋值；步骤12：根据步骤11赋值完成的标准特征向量L₁，采用频率采样法设计FIR数字滤波器，得到长度为N的滤波器系数向量，如果N＞N_F则对称地截取中间部分的N_F个元素；步骤13：根据步骤2确定的模型及参数，采用伪随机数仿真方法生成与实测数据样本具有相同数值分布特性的白噪声序列；步骤14：用步骤11得到的数字滤波器处理步骤13所得到的白噪声序列，得到与实测数据样本谱级特征相近的色噪声序列；步骤15：利用步骤1记录的接收灵敏度M及放大倍数G将色噪声序列的动态范围还原到原始声场，得到模拟的噪声数据。