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基于混沌理论的水声研究进展
梁峰相敬林顾中国
(西北工业大学航海学院，陕西，西安710072)
E_mail：[e-mail]

摘要：混沌理论是非线性科学的一个重要分支,由于水声环境复杂多变，水声信号呈现出强烈的非线
性特征。经过多年的研究，水声领域中的混沌研究取得长足进展。本文主要对混沌理论在水声领域的研
究与应用进展作较为详细的综述，同时对未来的研究方向进行了展望。
关键词：混沌信号处理；保密通信；舰船辐射噪声；声线混沌；水声通信
1引言

混沌是非线性科学的重要组成部分，基于混沌理论的信号处理与应用研究受到广大学者的关注,并取
得长足进展[1-2]。水声研究涉及高度复杂多变的背景环境，成为一个颇具挑战性的研究领域。常见的线性
处理方法在水声研究中受到很大限制，需要采用相应的非线性理论和方法。与线性理论相比，非线性理
论分析更复杂、工程实现更困难，尽管如此，经过多年的研究和探索，取得一些可喜进展，展现出良好
的应用前途。出于技术和安全方面的因素，这方面的公开报道文献并不多见(尤其在水声通信方面)，主
要发表在美国声学学会(JASA)、IEEE海洋工程期刊(JOE)及一些相关专业期刊上(如Chaos)。一般来说，
JASA的文章偏向于理论阐述，JOE文章偏向于工程应用。本文试图就这方面的研究进展和现状，做较为
详细的回顾与总结，重点介绍混沌理论在水声通信领域的应用。
2水声混沌研究概述

水声研究的信号主要指声信号，水声信道是一个非常复杂的时变、空变、频变信道，其主要特征表
现为：信道带宽的限制、明显的多途分布、快速多变的信道起伏和严重的环境噪声，这就导致声波在海
水中的传播过程异常复杂。国外关于非线性声学及声学混沌的研究见文献[3-4]，关于非线性水声学的研究
见文献[5-7]，国内在非线性声学方面的研究见文献[8]，在非线性水声学的研究见文献[9-10]。现代信号处理中
的“三非”问题(非平稳、非高斯与非线性)在水声领域表现得尤为突出。此外还存在另外“两非”问题，
即非平面波和非均匀(各向同性)噪声场的问题。突破平面波假设导致匹配场信号处理；突破均匀噪声场
假设导致环境自适应信号处理。水声混沌的研究内容大体上可以分为三个方面，即舰船辐射噪声、探测
声传播信号和海洋环境等引致的混沌属性研究。

2.1舰船辐射噪声的混沌属性研究

在一定的条件下，舰船螺旋桨的运转会在海水介质中产生空化涡流，最终形成湍流。声纳接收装置
接受到的噪声信号包括海洋环境噪声，其起因之一是海洋湍流，而湍流已经被证明具有混沌性态，因此
声纳接收到的舰船辐射噪声具有一定的混沌性。另外，根据水动力学和水声学理论，水声信号的产生和
传播是一个相当复杂的非线性过程，因此，分析其混沌特性将为深入认识舰船辐射信号提供可靠依据。
这方面的研究主要集中在舰船辐射噪声混沌性态判断(Lyapunov指数(LE)、分数维等特征量的计
算)[11-14]、目标探测(检测)与特征提取[15-16]、信号降噪与辨识[17]、信号分类[18]等。

Hinich等人[19]利用双谱对海洋声信号研究后发现，以舰船辐射噪声为主的信号中含有环境噪声所不
具有的很强的非线性成分。唐震等人[20]采用Hinich法对实船辐射噪声进行了验证，结果证实了实际舰船
辐射噪声确实存在着非高斯性和非线性成分；
章新华等人[11]研究发现，舰船辐射噪声的确存在混沌吸引子，且不同类别的信号有不同的吸引子维
数，这一结果为水声信号处理、水下目标检测以及识别分类提供了新的手段；
陈向东等[12]基于相空间重构理论，以相似序列重复度为特征，在相空间中研究舰船辐射噪声的非线
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性特性，结果发现舰船噪声具有界于随机的高斯白噪声和确定性Lorenz吸引子之间的空间几何特性，并
且同类目标之间具有相似性，不同类目标之间具有可分性，这为水声目标的非线性研究开辟了一个新的
途径；
宋爱国等[13]应用非线性分析方法研究了舰船噪声的极限环现象，结果表明振动噪声作为舰船噪声的
主要成分，其极限环在相空间上存在倍周期或混沌行为。从噪声极限环中提取的非线性特征能较准确区
分水面和水下两大类目标，为舰船噪声特征提取提供了一条新思路；
梁娟等[14]应用局部几何投影法提取不同目标辐射噪声的低维成分，输出相图呈现出较明显的低维吸
引子。在此基础上，用吸引子维数和反映动力学模型差异的交叉预测误差对样本进行了分类研究，结果
表明，综合这两种分别反映几何性质的动力学性质的特征，可达到一定的分类效果；
陈捷等人[15]研究了舰船噪声过零点及功率谱的多重分形特征，研究了多重分形的小波变换分析方法，
提出了舰船噪声的奇异测度特征参数