陶　榮，詹　鋒

(1.廣西工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院,廣西 南寧 530008； 2.廣西大學(xué),廣西 南寧530004)

基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的海面噪聲預(yù)測算法

陶榮1，詹鋒2

(1.廣西工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院,廣西 南寧 530008； 2.廣西大學(xué),廣西 南寧530004)

摘要：海面噪聲是整個(gè)海洋噪聲研究領(lǐng)域的重要組成部分，準(zhǔn)確預(yù)測海面噪聲對(duì)于船舶探測系統(tǒng)及水聲系統(tǒng)性能至關(guān)重要。本文對(duì)影響海面噪聲的信號(hào)源特性進(jìn)行分析，通過統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對(duì)噪聲源的分布情況及噪聲傳播條件進(jìn)行研究，分析傳播中的射線原理對(duì)噪聲的影響。最后利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對(duì)簡正波模型進(jìn)行改進(jìn)，研究小角度范圍內(nèi)噪聲場的密度函數(shù)，并發(fā)散至大廣角范圍，得到海面噪聲以及噪聲信道的統(tǒng)計(jì)特性函數(shù)，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；簡正波；海面噪聲

0引言

隨著海洋開發(fā)的持續(xù)深入，船舶及探測系統(tǒng)已越來越向縱深發(fā)展。海底探測現(xiàn)行主要技術(shù)是聲吶探測，但是海洋環(huán)境噪聲對(duì)聲吶探測會(huì)造成一定干擾，所以對(duì)海洋噪聲的研究成為海洋探測領(lǐng)域中很重要的課題，在對(duì)目標(biāo)物進(jìn)行探測定位時(shí)，首先需要了解目標(biāo)物周圍的噪聲場統(tǒng)計(jì)特性。

現(xiàn)在已發(fā)展了多種海洋噪聲預(yù)測模式對(duì)噪聲的特性進(jìn)行預(yù)測，如簡正波模型、射線模型以及波束積分模型，這些模型都是基于噪聲獨(dú)立分布于海面上，并且沒有考慮海水的折射反射影響。同時(shí)，經(jīng)過多年的實(shí)驗(yàn)測量表明，海面噪聲統(tǒng)計(jì)特性往往是深海噪聲特性的Wenz曲線，所以海面噪聲是整個(gè)海洋噪聲研究的基礎(chǔ)。

本文在分析海面噪聲簡正波模型以及射線理論的基礎(chǔ)上，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對(duì)小角度范圍內(nèi)噪聲場進(jìn)行研究，得到其密度函數(shù)，同時(shí)計(jì)算獲得了海面噪聲空間及強(qiáng)度的算術(shù)表達(dá)式。

1海面噪聲數(shù)學(xué)模型分析

1.1　海面噪聲的射線理論模型

假設(shè)海面噪聲源在海面均勻分布，并且所有噪聲源信號(hào)發(fā)射向下，如圖1所示。

圖1　海面噪聲模型Fig.1　The sea surface noise model

圖1假設(shè)噪聲源信號(hào)以傾斜角度a角度向水下輻射，則其聲壓指向?yàn)椋?/p>

D(a,φ)=0，a<0；

Eγ(a),a>0。

(1)

式中：a為噪聲源與海平面的角度；γ(π/2)=1； E為噪聲統(tǒng)計(jì)平均值。射線理論模型有如下假設(shè)：

1)假設(shè)噪聲源在海面均勻分布，數(shù)量為N，δ=N(E2)為噪聲源垂直于海面的噪聲強(qiáng)度。

2)假設(shè)海面至海底為分層信道，聲音在海水中速度為c(z)，海水密度恒定，海深為h，海面與海底反射強(qiáng)度分別為-Vs(as)和Vb(ab)e-iφ。

N個(gè)噪聲源噪聲輻射如圖2所示。

圖2　海面噪聲聲線圖Fig.2　The line graph of sea surface noise

圖2模型的海面噪聲方向密度函數(shù)Nr(a,z)為：

Nr(a,z)=δγ2(as)exp(-2aL1)[1-V2exp(-2aL)sinas]>，a<0，

(2)

1.2　海面噪聲場簡正波模型

同樣假設(shè)噪聲源均勻發(fā)散在海面下一定深度的平面上，其分布如圖3所示。

圖3　海面噪聲模型幾何圖Fig.3　The geometric figure of sea surface noise surface model

圖3噪聲源離海面深度為z=z′，信號(hào)接收器在(r,z)處的噪聲場表達(dá)式為：

φ(r,z)=∫S(r′)g(r,r′,z,z′)d2r′。

(3)

式中：S為噪聲源的統(tǒng)計(jì)量；(r,r′,z,z′)為格林表達(dá)式。

2基于簡正波模型的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

2.1　數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)在東海海域測試了大量海面噪聲數(shù)據(jù)：假設(shè)相鄰噪聲源信號(hào)經(jīng)過相同信道的時(shí)序信號(hào)為x1(t),x2(t)， 按間隔ΔTi對(duì)信號(hào)截取，截取后分為n段，對(duì)其進(jìn)行傅里葉變換，變換后的信號(hào)記為：

(4)

為了弱化海面噪聲源隨機(jī)統(tǒng)計(jì)特性及沖激函數(shù)對(duì)最后結(jié)果的影響，對(duì)n時(shí)間段歸一化取均值，算式為：

(5)

圖4分別給出了100 Hz廣角范圍內(nèi)噪聲場水平相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、簡正波模型計(jì)算結(jié)果比較及100 Hz噪聲波速的功率譜。

圖4　實(shí)驗(yàn)噪聲場水平相關(guān)與簡正波模型計(jì)算結(jié)果比較Fig.4　Experimental measurement data compared with computing　result based on normal-mode

圖4中，圓圈代表式(4)處理的精確實(shí)驗(yàn)記錄的統(tǒng)計(jì)噪聲水平相關(guān)數(shù)值與噪聲源距離曲線圖，實(shí)線代表利用簡正波算數(shù)模型求得的噪聲預(yù)報(bào)相關(guān)系統(tǒng)的結(jié)果，實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)的噪聲頻率為100 Hz，噪聲源水平間距為20 m?？梢钥闯?，實(shí)驗(yàn)實(shí)際的噪聲水平相關(guān)系數(shù)與利用簡正波模型預(yù)報(bào)得出的噪聲場水平相關(guān)系數(shù)誤差較大。本次計(jì)算的參數(shù)如下：海面至統(tǒng)計(jì)噪聲源器件深度H1=30.5 m，噪聲沉積面距離海面H2=25.5 m，H1處的密度為ρ1=1.83 g/cm2，H2處的密度為ρ2=1.95 g/cm2，沉積面的噪聲傳播的梯度分界c1=1 565.3 s/m，c1=1 653.3 s/m，沉積面及海面海底具有相同的信道衰減系數(shù)β1=β2=0.265(f/1000)1.96db/m。

在100 Hz噪聲場波速角度與噪聲功率譜的關(guān)系結(jié)果如圖5所示。

圖5　噪聲場波速形成結(jié)果Fig.5　The wave form result of noise field

2.2　數(shù)據(jù)結(jié)果分析

首先，通過簡正波數(shù)學(xué)模型計(jì)算的海底噪聲傳播速率、噪聲信道的衰減參數(shù)、噪聲功率以及噪聲密度相關(guān)系數(shù)存在著較大的不確定性。如海底噪聲傳播速率在大角度海面環(huán)境以及高頻噪聲環(huán)境下，海底的噪聲信道衰減系數(shù)會(huì)隨之變大，從而在此環(huán)境中，引起的噪聲場相關(guān)系數(shù)也隨之變大。

其次，對(duì)實(shí)驗(yàn)噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行水平波速分析，如圖5所示。用簡正波模型進(jìn)行計(jì)算時(shí)，在45°方向得到最大的噪聲功率譜，之后隨著角度的變大急劇衰減。

一般情況下，利用射線理論及簡正波模型適合高頻遠(yuǎn)場噪聲源及小角度范圍內(nèi)的高頻噪聲源的噪聲場密度。對(duì)于大角度范圍的低頻噪聲信號(hào)有較大的漏輻射，具有一定的局限性。

3基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的海面噪聲預(yù)測算法

3.1　算法模型

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種模擬生物神經(jīng)功能的算法模型，本文利用現(xiàn)流行的多層前傳神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)對(duì)噪聲模型進(jìn)行預(yù)測。

多層前傳神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)包含輸入層、網(wǎng)絡(luò)層以及輸出層，中間的網(wǎng)絡(luò)層又可以有多層結(jié)構(gòu)。

(6)

f(x)=A/{1+exp[-B°x+θ]}。

(7)

式中：x為輸入元素；θ為閥值；A和B分別為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的幅度及斜率參數(shù)。

根據(jù)第1.2節(jié)描述的簡正波模型，假設(shè)在(r,z)有一離散艦船，則其在位置(r1,z1)及(r2,z2)處的噪聲場為：

φ(r1,z1)=∫S(r′)g(r,r′,z,z′)d2r′+S(r)g(r1,r,z1,z)，

(8)

φ(r2,z2)=∫S(r″)g(r2,r″,z2,z′)d2r″+Sr(r)g(r2,r,z2,z)。

(9)

(10)

則第k-1層的第i噪聲場與第k層的第j噪聲場的互譜密度如下：

(11)

把式(10)代入式(11)得到：

(12)

考慮到海面噪聲功率密度函數(shù)可用均勻分布在海面及海底的噪聲源密度函數(shù)與接受的離散船舶的聲場密度函數(shù)的耦合相關(guān)表示，最后得到歸一化后的第k-1層的第i噪聲場與第k層的第j噪聲場的互譜密度為：

(13)

3.2　基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型海面噪聲數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)

100 Hz廣角范圍內(nèi)的噪聲場水平相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的海面噪聲預(yù)測模型計(jì)算結(jié)果比較及100 Hz噪聲波速的功率譜如圖6所示。

圖6　實(shí)驗(yàn)噪聲場水平相關(guān)與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型計(jì)算比較Fig.6　Experimental measurement data compared with computing　result based on neural net model

對(duì)比圖(4)可看出，圖6的預(yù)測結(jié)果更接近真實(shí)值。噪聲場波速角度與噪聲功率譜的關(guān)系結(jié)果如圖7所示。

圖7　噪聲場波速形成結(jié)果Fig.7　The wave form result of noise field

4結(jié)語

在現(xiàn)代海洋探測領(lǐng)域中，對(duì)海面噪聲及整個(gè)海洋環(huán)境噪聲的精確預(yù)測是其關(guān)鍵，其對(duì)船舶的探測系統(tǒng)至關(guān)重要。本文首先分析噪聲源的分布情況，隨后研究了噪聲預(yù)測的簡正波模型、射線模型的原理，并在此基礎(chǔ)上通過對(duì)簡正波數(shù)學(xué)模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)收集的噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，與真實(shí)噪聲進(jìn)行了對(duì)比，分析了模型的利弊。

最后利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對(duì)現(xiàn)有的簡正波預(yù)測模型進(jìn)行了改進(jìn)，通過神經(jīng)自適應(yīng)來修正預(yù)測的噪聲場密度函數(shù)，最后通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測，結(jié)果顯示新的噪聲預(yù)測模型更為精確。

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Research on the ocean ambient noise prediction based on neural net

TAO Rong1,ZHAN Feng2

(1.Guangxi Vocational College of Technology and Business,Nanning 530008,China；

2.Guangxi University,Nanning 530004,China)

Abstract：Sea surface noise is an important part of the whole ocean noise field, it's also important to the performance of ship detection system and underwater acoustic system. The paper study the propagation of noise through the statistical method, also study the normal-mode formula of the directional density function suitable model. At last, the normal-mode theory of surface-generated noise is developed based on neural net.

Key words：neural net; normal-model; sea surface noise

作者簡介：陶榮( 1981 - ) ，女，碩士，講師，主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)技術(shù)。

收稿日期：2014-06-20； 修回日期： 2014-07-18

文章編號(hào)：1672-7649(2015)02-0172-04

doi：10.3404/j.issn.1672-7649.2015.02.038

中圖分類號(hào)：TP391

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A