激光相干探测水下声信号的特征提取与分析

摘要

本文采用激光干涉法设计光路和搭建实验平台，对水下声信号提取进行了实验探索，验证了激光相干探测水下声源的可行性。实验对自然水面波动情况进行了提取，并对三组不同位置、不同频率以及不同振幅的数据进行了对比分析。
　　同时，针对信号特征微弱的问题，本课题在传统频谱分析的基础上，分别采用了滤波、短时傅里叶变换、小波分析、Wigner-Ville分布以及时频分布的重排等时频分析手段，以实现信号降噪和特征信号增强。实验结果表明：
　　（1）水面自然波动频率主要集中在500 Hz以下的低频区，水面波动频率范围的确定为进一步的滤波降噪和时频分析等提供了参考，也便于将水面自然波动频率同特征信号频率区分。
　　（2）三组设定条件的数据采集和分析结果表明：距离探测位置越远，信号衰减越严重。相同频率的水下扬声器设备，随着输入幅值的增大，可探测到的信号强度明显增强。输入幅值一定时，频率越高，信号强度越微弱。
　　（3）在特征信号微弱的情况下，对采集的数据直接做傅里叶变换，特征信号不明显，容易淹没在背景中。采用滤波和小波分析等频谱分析方法处理后，噪声信号可以得到有效的滤除，特征信号增强明显。
　　（4）频谱分析结果只能得到某一时刻各个频率分量的相对强度分布，为了实现观察一段时间内频率随时间的变化情况的目的，本课题采用了短时傅里叶变换、谱图以及Wigner-Ville分布等时频分析方法。针对二次型时频分布方法存在的交叉项等问题，本文采用增加窗口函数的方法来抑制交叉项。为了增加时频聚集性，本文对数据做了时频分布的重排。结果表明：交叉项干扰得到了相当程度的抑制，时频聚集性显著改善。
　　该系统采用光纤型的实验装置，避免了光路暴露在空气中，大大减少了外界环境的影响。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景和意义

1.2 国内外研究历史及现状

1.3 本文的主要内容

1.4 本章小结

2 实验系统设计

2.1 Michelson干涉仪

2.2探测系统的设计原理

2.3光学系统部分

2.4实验仪器部分

2.5本章小结

3实验数据的初步分析

3.1傅氏变换的基本理论

3.2傅氏变换结果分析

3.3.本章小结

4实验数据的预处理与分析

4.1滤波的原理及分类

4.2滤波处理结果

4.3本章小结

5水下振源特征的小波分析与提取

5.1小波变换的基本理论

5.2水下振源的特征提取与分析

5.3本章小结

6 水下振源的时频分析与特征提取

6.1短时Fourier变换

6.2谱图

6.3 Wigner-Ville分布

6.4多种时频分析的比较

6.5本章小结

7特征提取方法的比较

7.1不同方法的优点和不足分析

7.2本章小结

8总结与展望

8.1总结

8.2展望

参考文献

致谢

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