Geri Dön

Compressive sensing of cyclostationary propeller noise

Çevrimsel durağan pervane gürültüsü için sıkıştırmalı algılama

PDF İndir

  1. Tez No: 841983
  2. Yazar: UMUT FIRAT
  3. Danışmanlar: PROF. DR. TAYFUN AKGÜL
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2023
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Telekomünikasyon Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 144

Özet

Pervane kavitasyonu sonucu sualtına yayılan gürültü, deniz taşıtlarını sezmek, konumlandırmak ve tanımlamak için temel bir akustik kaynaktır. Hidrofon olarak da bilinen sualtı ses algılayıcıları, oşinografik ve askeri uygulamalarda bu kaynakları yakalayarak pervane (ya da kavitasyon) tonlarından hayati bilgilerin çeşitli işaret işleme yöntemleriyle çıkarılmasını sağlamaktadır. Pervane tonlarının izge analizi, 21. yüzyılın başlarına kadar ``zarf analizi'' olarak sınıflandırılan ve keyfi parametre ayarlarına dayalı ampirik yöntemlerle yapılmaktaydı. Takip eden yıllarda, haberleşme işaretlerini nitelendirmede hali hazırda kullanılmakta olan çevrimsel durağan süreçler, pervane tonlarının tanımlanmasında daha titiz bir yaklaşım olarak işlev kazandı. Örnekleme teorisinde eşzamanlı ve bağımsız olarak yaşanan gelişmeler, sıkıştırmalı algılama adıyla, pervane tonlarının seyrek vektörler olarak modellenmesine ve verimsiz Nyquist-Shannon örnekleme kuramının üstesinden gelinebilmesine olanak sağladı. Sonuç olarak, uzamsal ve izgesel anlamda seyrek pervane bilgisinin eşzamanlı sıkıştırılması ve algılanması kullanışlı hale geldi. Bu tezin ana amacı, pervane tonlarının seyrekliğinden faydalanarak bu kullanışlılığın araştırılması ve yenilikçi sezim kestirim yöntemlerinin önerilmesidir. Geniş bant pervane gürültüsünün kavitasyon sonucu genlik kiplemesine uğraması ikinci dereceden çevrimsel durağan gemi gürültüsüne yol açar. Kipleyici işaretin pervane tonlarından oluşan izgesi denizaltılar ya da suüstü gemilerin sezim ve sınıflandırmasını mümkün kılmaktadır. Ancak, bu amaçla toplanan veriler, yüksek örnekleme frekansları ve çoklu algılayıcı kullanımı nedeniyle büyük boyutlara ulaşmaktadır. Bu tezde, veri toplamanın enerji verimliliği, donanım karmaşıklığı ve bellek kapasitesine olan olumsuz etkilerinin azaltılması için pervane tonlarının sıkıştırmalı algılamasına yönelik bir plan önerilmektedir. Bu kapsamda, çevrimsel durağan pervane gürültüsüne ait izgesel ilinti işlevinin seyrek olduğu gösterilmektedir. İzgesel ilinti işlevinin kestirimi olan çevrimsel kipleme izgesinin sıkıştırmalı ve Nyquist hızında örneklenmiş hali arasındaki doğrusal ilişki türetilmektedir. Böylece, sıkıştırmalı algılamada ihtiyaç duyulan matris/vektör gösterimi kullanılabilmektedir. Diğer yandan, çevrimsel kipleme izgesinin düzgelenmiş hali olan çevrimsel kipleme evreuyumluluğu, sıkıştırmalı algılamanın istatistiksel sezimde verdiği sonuçları değerlendirmek için kullanılmaktadır. Özyineli eşikleme (iterative hard thresholding) ve sıkıştırmalı eşleme takibi (compressive sampling matching pursuit) gibi seyrek yaklaşıklama algoritmalarının geri çatma ve sezim başarımı karşılaştırılmaktadır. Elde edilen sonuçlar, sezim başarımını olumsuz etkilemeden, sıkıştırmanın başarılabilir olduğunu göstermektedir. Zayıf kipleme, düşük işaret-gürültü oranı ve ortam gürültüsünün durağan olmayan doğası gibi başlıca zorluklar seyrekliği azaltmakta, dolayısıyla geri çatma ve sezim başarımını olumsuz etkilemektedir. Bu tezde, pervane kavitasyon gürültüsünün yüksek dereceden çevrimsel durağan istatistiklerini edinmek için de bir yöntem önerilmektedir. Çevrimsel ikiz izge olarak da bilinen üçüncü dereceden çevrimsel kümülant izgesi türetilmekte ve genlik kiplemeli pervane gürültüsünün seyrekliği gösterilmektedir. Çevrimsel ikiz izgenin kestirimi için yalnızca ayrık Fourier dönüşümüne dayanan çevrimsel kipleme ikiz izgesi önerilmektedir. Çevrimsel kipleme ikiz izgesinin sıkıştırmalı algılaması için kısmi bir Fourier temeli tavsiye edilmektedir. Bu ikiz izgenin seyrek geri çatımı çoklu ölçüm vektörü problemi olarak formülleştirilmektedir. Önerilen yöntem, sadece pervane gürültüsü için değil, aynı zamanda genel anlamda Gauss dağılımlı olmayan çevrimsel durağan işaretler için de uygundur. Gerçek sualtı akustik verilerinden pervane tonlarının edinimi için bir örnek verilmektedir. Farklı sayıda sıkıştırmalı örnek için elde edilen seyrek geri çatma sonuçları karşılaştırılmaktadır. Nyquist hızından kayda değer derecede düşük hızlarda örnekleme durumunda bile belirgin tonların frekanslarının elde edilebileceği gösterilmektedir. Diğer yandan, ton büyüklüklerinin kesin kestirimi, görece yüksek sayıda sıkıştırmalı örnekle bile zorlayıcıdır. Son olarak, çevrimsel durağan gemi gürültüleri için sıkıştırmalı hüzme şekillendirmeye dayalı bir geliş yönü kestirimcisi önerilmektedir. Birden fazla kaynak olması durumunda geleneksel hüzme şekillendiriciden devralınan asimptotik yanlılık önerilen kestirimci için türetilmektedir. Yine, açıkça türetilen sonlu örnek değişintisi ve karesel asimptotik yanlılık ortalama karesel hatayı oluşturmaktadır. Uzamsal Dirichlet çekirdeği nedeniyle oluşan bu hatayı azaltmak için izgesel ortalama alma tavsiye edilmektedir. Düşük işaret-gürültü oranlarında, durağan kaynak varsayan yöntemlere ortalama alma sayesinde üstünlük sağlanmaktadır. Buna, zayıf çevrimsel durağanlık, çok sayıda yakın kaynak ve az sayıda algılayıcı durumunda bile erişilebilmektedir. Çevrimsel durağanlığın sıkıştırılması ve konumlandırılması, bu tezde, pervane kavitasyon gürültüsünün genlik kiplemesiyle modellenmesi örneklenerek incelenmektedir. Halbuki, literatürden alınan ve bu tezde geliştirilen sıkıştırmalı algılama ve çevrimsel durağanlık araçları ikinci ve yüksek dereceden çevrimsel durağan istatistikleri içeren birçok alanda kullanıma uygundur. Örneğin, haberleşme işaretleri yüksek örnekleme frekanslarında edinilen ve çoğunlukla seyrek işaretlerdir. Bu tezde geliştirilen yöntemler, haberleşmede bilişsel radyo için izge algılama olarak bilinen problemin çözümünde hem sıkıştırma hem de yön bulma amacıyla kullanılabilir. Üstelik, bu yöntemler hem elektromanyetik hem de akustik işaretlere uygulanabilir. Bir diğer akustik örnek, mekanik sistemlerden toplanan işaretlerde ortaya çıkmaktadır. Dönen parçalar içeren makinalar çevrimsel durağan ve seyrek işaretler üretir. Bu makineler, rulman arıza teşhisi adı verilen yaklaşımla sürekli izlenir. Bu sırada büyük miktarda veri toplanır. Dönen parçaların ürettiği çevrimsel durağan tonların frekanslarında meydana gelen değişim makine arızasının tespitinde kullanılır. Dolayısıyla, bu tezde önerilen sıkıştırma ve sezim yöntemleri hem veri boyutunu azaltmak hem de geri çatılan sıkıştırmalı verilerden sezim yapmak için kullanılabilir. Bu bilgiler ışığında, pervane kavitasyon gürültüsünün ve genel anlamda çevrimsel durağan işaretlerin sıkıştırmalı algılamasında bu tezin katkıları şu şekilde sıralanabilir: Genlik kiplemeli işaret modelinin izge ilinti işlevinin seyrekliğinin gösterilmesi; Nyquist hızında örneklenmiş ve sıkıştırmalı çevrimsel kipleme izgesi arasında doğrusal ölçüm ilişkisinin türetilmesi; Nyquist hızında örneklenmiş çevrimsel kipleme izgesinin seyrek geri çatımı; geri çatılmış ve Nyquist hızındaki örneklerle sezim kabiliyetlerinin karşılaştırılması; çevrimsel ikiz izgenin türetilmesi ve çevrimsel frekans uzayında seyrekliğinin gösterilmesi; gürbüz sezim için çevrimsel kipleme ikiz evreuyumluluğunun önerilmesi; çevrimsel kipleme ikiz izgesiyle sıkıştırmalı algılama; ikinci dereceden çevrimsel durağan kaynakların geliş yönü kestirimi için yenilikçi bir yöntem önerilmesi; önerilen çevrimsel sıkıştırmalı hüzme şekillendiricinin ortalama karesel hatasının türetilmesi; klasik ve sıkıştırmalı geliş yönü kestirimcilerinin başarımlarının karşılaştırılması.

Özet (Çeviri)

This dissertation is the combination of three manuscripts -either published in or submitted to journals- on compressive sensing of propeller noise for detection, identification and localization of water crafts. Propeller noise, as a result of rotating blades, is broadband and radiates through water dominating underwater acoustic noise spectrum especially when cavitation develops. Propeller cavitation yields cyclostationary noise which can be modeled by amplitude modulation, i.e., the envelope-carrier product. The envelope consists of the so-called propeller tonals representing propeller characteristics which is used to identify water crafts whereas the carrier is a stationary broadband process. Sampling for propeller noise processing yields large data sizes due to Nyquist rate and multiple sensor deployment. A compressive sensing scheme is proposed for efficient sampling of second-order cyclostationary propeller noise since the spectral correlation function of the amplitude modulation model is sparse as shown in this thesis. A linear relationship between the compressive and Nyquist-rate cyclic modulation spectra is derived to utilize matrix representations for the proposed method. Cyclic modulation coherence is employed to demonstrate the effect of compressive sensing in terms of statistical detection. Recovery and detection performances of sparse approximation algorithms based on greedy pursuits are compared. Results obtained with synthetic and real data show that compression is achievable without lowering the detection performance. Main challenges are weak modulation, low signal-to-noise ratio and nonstationarity of the additive ambient noise, all of which reduce the sparsity level causing degraded recovery and detection performance. Higher-order cyclostationary statistics is introduced to characterize propeller noise due to its non-Gaussian nature. The third-order cyclic cumulant spectrum, also known as the cyclic bispectrum, is derived and its sparsity is demonstrated for the amplitude modulated propeller noise model. Cyclic modulation bispectrum is proposed for feasible approximation of the cyclic bispectrum based solely on the discrete Fourier transform. Additionally, compressive sensing of the cyclic modulation bispectrum is suggested. Numerical results are presented for acquisition of the propeller tonals using real-world underwater acoustic data. Tonals estimated by third-order cyclic modulation bicoherence are more notable than the ones obtained by second-order cyclic modulation coherence due to latter's higher noise floor. Sparse recovery results show that frequencies of the prominent tonals can be obtained with sampling significantly below the Nyquist rate. The accurate estimation of tonal magnitudes, on the other hand, is challenging even with large number of compressive samples. Compressive sensing can be extended to solve underdetermined system of equations which appears in direction-of-arrival estimation with uniform linear arrays. An estimator is proposed based on the compressive beamformer for cyclostationary propeller noise. Its asymptotic bias is derived, which is inherited from the conventional beamformer when there are multiple sources. Squared asymptotic bias and the finite-sample variance, also derived explicitly, constitute the mean-squared error. Spectral averaging is suggested to mitigate this error by decreasing the adverse effect of the spatial Dirichlet kernel. For low signal-to-noise ratios, averaging enables the proposed estimator to outperform the methods that assume stationarity. This is achieved even under weak cyclostationarity, numerous closely-spaced sources and few sensors. The proposed methods are not only suitable for compressive sensing of propeller cavitation noise but also for general class of cyclostationary signals. Relevant research areas include but are not limited to communication, radar, acoustics and mechanical systems with applications such as spectrum sensing, modulation recognition, time difference of arrival estimation, time-frequency distributions, compressive detection and rolling element bearing fault diagnosis.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    423886

    Improvement of greedy algorithms for compressive sensing

    Sıkıştırmalı algılama için aç gözlü algoritmaların iyileştirilmesi

    ISRAA SHAKER TAWFIC

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2016

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiGaziantep Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. SEMA KAYHAN

  2. Tez No

    334381

    Sıkıştırılmış algılamanın kablosuz algılayıcı ağların enerji tüketimi ve yaşam süresi üzerindeki etkinliğinin incelenmesi

    Investigation of the impact of compressive sensing on the energy dissipation and lifetime of wireless sensor networks

    CELALETTİN KARAKUŞ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2013

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiTOBB Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ALİ CAFER GÜRBÜZ

    DOÇ. DR. BÜLENT TAVLI

  3. Tez No

    641795

    A novel design method for compressive sensing matrices

    Sıkıştırmalı algılama matrisleri için yeni tasarım yontemi

    UTKU KABULİ AYTAÇ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2020

    MatematikGalatasaray Üniversitesi

    Matematik Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ABDURRAHMAN MUHAMMED ULUDAĞ

  4. Tez No

    450957

    Mikrodalga görüntülemede seyreklik yaklaşımı yöntemlerinin uygulanması

    Sparse approximation and applications in microwave imaging

    EMRE YALÇIN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2016

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ÖZGÜR ÖZDEMİR

  5. Tez No

    444430

    FPGA implementation of compressive sensing signal reconstruction

    Sıkıştırıcı algılama ile sinyal geri çatımının FPGA üzerinde gerçekleştirilmesi

    ÖNDER POLAT

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2016

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiGaziantep Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. SEMA KOÇ KAYHAN

Geri Dön