[发明专利]一种基于音频特征提取的单波束底质分类方法

说明书

本发明公开了一种基于音频特征提取的单波束底质分类方法，所述方法包括：对海底散射回波信号进行滤波，通过Hilbert变换计算海底散射回波信号包络；对海底散射回波信号包络进行对齐和平均得到时域包络；计算时域包络的八维特征，作为海底散射回波信号的时域特征；对滤波后的海底散射回波信号进行分帧计算，利用快速傅里叶变换求取频谱，计算前四阶矩的均值和方差，作为海底回波散射信号的频域特征；将海底散射回波信号的时域特征和频域特征组合成16维音频特征，输入K‑means聚类模型，输出单波束底质分类结果。本发明的方法通过对声信号时域、频域特征进行量化表示，多维度表征不同的海底底质信息，底质分类的准确率高。

技术领域

本发明涉及水声物理领域，具体涉及一种基于音频特征提取的单波束底质分类方法。

背景技术

深入了解海底沉积物的物理特性及空间分布对海底资源勘测、海洋环境监测、海底工程建设等活动具有重要的意义。

相比传统海底底质定点取样的沉积物特性测量方法，声学遥感方法利用海底声学回波信号，可对海底沉积物实现较大区域范围内的高密度调查。其中，单波束测深声纳因价格低廉、易于操作、可走航式宽角度测量等优点，被广泛应用于海底沉积层特性识别及底质分类中。目前常用的单波束底质分类方法主要包括基于模型的匹配反演及经验性方法。其中，基于模型的匹配反演方法受模型环境失配影响，且需要耗费大量计算资源；经验性方法则依赖于从声学回波信号中选择合适的特征量来与海底沉积物类型建立联系。不同的特征量，对不同海底底质类型的表征能力不同，也将对底质分类的准确性产生不同的影响。

发明内容

本发明的目的在于克服上述技术缺陷，提出了一种基于音频特征提取的单波束底质分类方法，该方法通过对单波束测深声纳接收的海底散射回波信号进行滤波及Hilbert变换可获取海底散射回波时域包络，进而提取得到信号时域特征；对海底散射回波信号进行分帧计算，利用快速傅里叶变换求取频谱，进而提取得到信号频域特征；在此基础上求取回波信号的一组多维感知特征量作为模型输入，通过K-均值聚类实现海底底质分类。

为实现上述目的，本发明提出了一种基于音频特征提取的单波束底质分类方法，所述方法包括：

对海底散射回波信号进行滤波，通过Hilbert变换计算海底散射回波信号包络；对海底散射回波信号包络进行对齐和平均得到时域包络；

计算时域包络的八维特征，作为海底散射回波信号的时域特征；

对滤波后的海底散射回波信号进行分帧计算，利用快速傅里叶变换求取频谱，计算前四阶矩的均值和方差，作为海底回波散射信号的频域特征；

将海底散射回波信号的时域特征和频域特征组合成16维音频特征，输入K-means聚类模型，输出单波束底质分类结果。

作为上述方法的一种改进，所述对海底散射回波信号包络进行对齐的方法包括：最小门限法、最大值法或群速度法。

作为上述方法的一种改进，所述对海底散射回波信号包络进行对齐和平均得到时域包络，具体包括：

对海底散射回波信号进行滤波，通过Hilbert变获取海底散射回波信号包络为二维矩阵p[m,n]，其中m为不同信号脉冲，m＝1,2,3,…,M，M为信号脉冲的个数；n为采样点，每个信号脉冲有N个采样点；

采用最小门限法对海底散射回波信号包络进行对齐，二维矩阵p[m,n]的第m行的对齐下标为j_m，1≤j_m≤N；平均对齐采样点整数表示为：

则第m行的延迟d_m＝j-j_m；由此得到对齐后的二维矩阵p[m,(n-d_m)]；