LEE- Telekomünikasyon Mühendisliği Lisansüstü Programı

Bu topluluk için Kalıcı Uri

http://hdl.handle.net/11527/19468

Gözat

Yazar "Akgül, Tayfun" ile LEE- Telekomünikasyon Mühendisliği Lisansüstü Programı'a göz atma
  • Öge
    Compressive sensing of cyclostationary propeller noise
    (Graduate School, 2023-09-12) Fırat, Umut ; Akgül, Tayfun ; 504122303 ; Telecommunication Engineering
    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.
  • Öge
    Deniz taşıtlarından yayılan gürültülerin negatif entropi kullanılarak çevrimsel izge analizi
    (Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2024-06-13) Tunce, Kamil Uğur ; Akgül, Tayfun ; 504201325 ; Telekomünikasyon Mühendisligi
    Pervane gürültüsü, deniz taşıtlarının tespiti, takibi ve sınıflandırılmasında kullanılmaktadır. Pervane kavitasyonu, pervane ucu ve kanat yüzeylerindeki basınç farklarından dolayı hava baloncuklarının oluşup patlamasıyla meydana gelmektedir. Pervane kavitasyonu, 5 Hz ile 100 kHz frekans aralıklarında en önemli gürültü kaynağıdır. Hava kabarcıklarının oluşup patlamasıyla ayrık bileşen ton ve geniş bant gürültü meydana gelmektedir. Ton ve harmonik değerlerinin kullanımıyla gemi sınıflandırılması ve hız kestirimi yapılmaktadır. Pervane gürültüsünün ton ve geniş bant gürültüsü literatürde genlik modülasyonlu sinyal şeklinde modellenmekte ve geleneksel olarak zarf demodülatörü DEMON (Detection of Envelope Modulation on Noise) yöntemiyle analiz edilmektedir. DEMON yöntemindeki bant geçiren süzgeç seçimi analiz performansını sınırlandırmaktadır. Tonların tespiti için süzgeç aralığının kavitasyon nedeniyle oluşan gürültünün baskın bandında seçilmesi gerekmektedir, aksi durumda düşük SNR (Signal to Noise Ratio) değerleri için tonlar tespit edilmeyebilir. Bu durumun önüne geçmek için literatürde süzgeç bankası, EMD (Empirical Mode Decomposition) ve WPT (Wavelet Packet Transform) kullanılarak çok bantlı yöntemler önerilmiştir. Taşıyıcı, pervane gürültüsünün genlik modülasyonlu sinyal şeklinde modellenmesiyle geniş bant gürültünün frekans uzayında temsiline karşılık düşmektedir. Çok bantlı yöntemlerin kullanımıyla bant ağırlıklandırma, bant seçimi ve modülasyon izgeleri üretilerek taşıyıcının baskın bant kullanımı hedeflenmiştir. Son yıllarda pervane gürültüsünün genlik modülasyonlu sinyal modelinin öz ilinti fonksiyonunun periyodikliğinin gösterilmesiyle çevrimsel yöntemlerin pervane gürültü analizinde kullanımı mümkün kılınmıştır. Tez kapsamında hızlı kestirim sürelerinden dolayı CMS (Cyclic Modulation Spectrum) ve FSC (Fast Spectral Correlation) yöntemleri DEMON ve çok bant DEMON yöntemiyle karşılaştırılmıştır. Çok bantlı yöntemlerden üretilen izgeler incelendiğinde alt bant izgelerinin ortalaması alınarak zarf izgelerinin üretildiği gözlemlenmiştir. Ortalama işlemiyle taşıyıcının tüm izge boyunca eşit yayıldığı kabul edilmektedir fakat taşıyıcı, bazı bantlarda daha kuvvetli modülasyon yaptığı durumlarda çok bantlı yöntemlerin alt bantlarında modülasyon bilgisinin temsiline ihtiyaç duyulmaktadır. Literatürde modülasyon bilgisinin temsilinde kürtosis tabanlı yöntemler kullanılmaktadır. Negatif entropi, kürtosisin sinyalde ya da izgede hesabının logaritmik skalada ifadesiyle elde edilmektedir. Negatif entropinin izgedeki hesabı, izgesel negatif entropi olarak isimlendirilmektedir. FSC, SSC (Scanning Spectral Correlation) değerlerinin toplanmasıyla elde edildiğinden ve SSC yönteminin bir uzayı çevrimsel frekans, bir uzayı da taşıyıcı frekans değerlerini içerdiğinden FSC yönteminde alt bant ağırlıklandırmada frekans uzayında hesaplanan yöntemler kullanılmalıdır. Bu nedenle tez kapsamında alt bantlarda ton bilgisinin temsilinde izgesel negatif entropi kullanımı tercih edilmiştir. Negatif entropi ile çok bantlı yöntemlerde modülasyon izgesi üretilmiş, taşıyıcı frekans aralığı gözlemleme ve alt bant ağırlıklandırma işlemleri yapılmıştır. Alt bant ağırlıklandırma sonucu üretilen negatif entropili zarf izgeleri, ortalama işlemiyle üretilen zarf izgeleriyle benzetim ve gerçek veri için sınanmıştır. Benzetim verilerinde zayıf, orta ve kuvvetli modülasyon gücünde, beyaz arka plan gürültüsü altında, taşıyıcının baskın frekans etkisi taşıyıcıya bant geçiren süzgeç uygulayarak elde edilen sinyaller, 1000 adet deneme için ele alınan yöntemlerin tespit olasılığı ($P_d$), tespit SNR (TSNR), hatalı alarm olasılığı ($P_{fa}$) performansları sınanmıştır. $P_d$-SNR testlerinde negatif entropili versiyonlar ortalama kullanımına göre 0.25 dB kazanç sağlamıştır. DEMON'a karşı negatif entropili FSC 3.5 dB, çok bant DEMON (MBDEMON) 1 dB kazanç sağlarken DEMON en kötü $P_d$ performansı sergilemiştir. TSNR testlerindeyse çevrimsel yöntemler orta ve kuvvetli modülasyon gücü için en yüksek performansı sergilerken düşük modülasyon gücünde DEMON yöntemi, çok bantlı yöntemlerden daha iyi performans sergilemiştir. Çevrimsel yöntemlerde negatif entropi kullanımı TSNR performansını 25\% oranında arttırmıştır. MBDEMON yöntemi en kötü TSNR performansını sergilemiştir. $P_{fa}$ testlerindeyse çok bantlı yöntemler DEMON'dan daha iyi performans göstermiştir. Çok bantlı yöntemlerden FSC en iyi performansı sergilerken MBDEMON en kötü performansı sergilemiştir. Gerçek veri sınamalarındaysa DeepShip veri setinden alınan ticari gemi kayıtları tüm bant ortalama, tüm bant negatif entropi ve sadece baskın banttan üretilen zarf izgeleri için sınanmıştır. Tüm bant negatif entropi 1 dB, sadece baskın bant kullanılan durum 2-3 dB arasında tüm bant ortalamaya göre kazanç sağladığı gözlemlenmiştir. Bunun yanında, modülasyon izgesinin şelale gösterimi üretilerek gerçek verilerde baskın bant analizi kolaylaştırılmıştır. Sonuç olarak negatif entropi kullanımı çok bantlı yöntemlerde alt bant ağırlıklandırmak için uygun bir araçtır. Hem benzetim hem de gerçek veri için yöntemlerin performansları tez kapsamında verilmiştir. İlerleyen çalışmalarda modülasyon izgesi şelale gösteriminden görsel olarak baskın bant seçimi yerine otomatik baskın bant seçimi ve otomatik pervane gürültü analizi önerilmektedir.