基于分数阶fourier变换的水声信号去噪技术研究

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1、学校代码10530学号201510171798分类号TB566密级公开硕士学位论文基于分数阶Fourier变换的水声信号去噪技术研究学位申请人冷龙龙指导教师肖业伟副教授学院名称信息工程学院学科专业控制科学与工程研究方向检测技术与自动化装置二〇一八年六月四日ResearchonDenoisingofAcousticSignalBasedonFractionalFourierTransformCandidateLengLonglongSupervisorAssociateProf.XiaoYeweiCollegeCollegeofInformationEngineeringProgramC

2、ontrolScienceandEngineeringSpecializationDetectionTechnologyandAutomationDegreeMasterUniversityXiangtanUniversityDateJune4th,2018摘要水声信道因其特殊的时空频变特性，水声通信的发展远远滞后。对水声通信技术的研究成为各国科学家和工程技术人员研究的热点。水声信号提取优劣将会直接影响水下目标探测、定位、跟踪等技术的发展。线性调频（LFM）信号瞬时频率随时间呈线性变化，将其作为载波信号应用于水声通信中，能够提高系统的抗噪声干扰、抗多径干扰和频率选择性衰减的能力。分数阶

3、Fourier变换（FRFT）是近年来数字信号处理领域一种很重要的算法，一个LFM信号在某一特定阶次的分数阶傅里叶变换域上是一个函数。因而将分数阶Fourier变换引入到水声信号处理方面，对于发展基于分数阶Fourier变换的水声通信技术具有积极的意义。本文主要研究目的是采用分数阶Fourier变换算法，针对在水声通信领域有重要应用的线性调频水声信号进行滤波降噪研究。论文主要研究内容如下：（1）首先详细的阐述了分数阶Fourier变换的定义及性质，对三种主流的DFRFT算法进行对比分析，着重的介绍了本文采用的Ozaktas提出的采样型DFRFT算法，并进行了详细的数学推导论证。（2）

4、结合前面的理论分析与数学推导，建立水声信号模型。深入研究了基于分数阶Fourier变换的LFM水声信号滤波算法，分别对单分量LFM水声信号与多分量LFM水声信号进行仿真分析。仿真结果表明，当干扰噪声与其强耦合时，基于分数阶傅里叶变换的线性调频信号滤波算法能够有效的实现信噪分离。（3）针对混有高斯白噪声的LFM水声信号在分数阶傅里叶变换域的滤波算法中，参数估计在实际应用中为二维峰值搜索，存在估计精度与计算量的矛盾，提出了一种改进粒子群优化方法和分数阶傅里叶变换结合的参数估计新方法。采用两级搜索方法，首先以较大步长直接进行搜索得到最佳变换域的粗略估计，再以此估计值为初始值，对搜索区域进行高

5、精度划分，将变换阶次看做粒子，利用粒子群优化算法寻找最佳适应度函数值，从而估计LFM信号相应参数值。仿真实验结果表明，在较低信噪比下，新算法复杂度更低，估计精度更高。（4）针对目前分数阶Fourier变换算法的研究主要集中在理论研究的现状，给出了基于浮点数字信号处理器（DSP）的快速分数阶Fourier变换算法实现方法。依据水声通信系统模型及提出的水声信号模型，设计水声通信抗噪能力实验系统，依托实验室现有资源，在硬件平台上进一步验证分数阶Fourier变换算法的有效性和实用性。通过大量的仿真实验和DSP硬件平台上算法的实现，验证基于FRFT的线性调频水声信号能够有效的实现信噪分离，具有

6、较高的工程实用价值。关键词：LFM信号；水声通信；分数阶Fourier变换；滤波降噪IAbstractTheunderwateracousticchannelhasspatial-temporal-frequencydependentcharacteristic,whichmakesthedevelopmentofunderwateracousticcommunicationbehindalot.Researchonunderwateracousticcommunicationtechnologyisbecomingahottopicforscientistsandengineersi

7、nvariouscountries.Theresultofunderwateracousticsignalextractionwilldirectlyaffectthedevelopmentofunderwatertargetdetection,location,andtrackingtechnologies.Theinstantaneousfrequencyoflinearfrequencymodulation(LFM)signalchang