本发明提供的是一种水声多途信道下声脉冲信号重构方法。(1)将信道输出信号经过卷积同态特征系统,将信号从时域转换到复倒谱域;(2)利用基于尖峰搜索思想构建复倒谱域滤波器并进行滤波,即根据信道的复倒谱特性,在复倒谱域上采用尖峰搜索的方法自动搜寻多途尖峰脉冲并对其进行平滑处理,从而实现复倒谱多途干扰的滤除;(3)将滤波后的结果经过卷积同态逆特征系统,实现声脉冲信号的重构。本发明的方法具有无需信道或信号参数等先验知识、适用于快变信道、特征滤波器构建方法简易、重构误差小等特点。
1.一种水声多途信道下声脉冲信号重构方法,其特征是:(1)将信道输出信号经过卷积同态特征系统,将信号从时域转换到复倒谱域;所述卷积同态特征系统,就是对信道输出信号x(n)做复倒谱变换,即: x ^ ( n ) = F - 1 [ ln ( X ( e j ) ) ] ]]>其中,ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="109"/>是x(n)的复倒谱,信号X(e^jω)是x(n)的傅立叶变换,F^-1[·]代表傅立叶反变换;(2)利用基于尖峰搜索思想构建复倒谱域滤波器并进行滤波,即根据信道的复倒谱特性,在复倒谱域上采用尖峰搜索的方法自动搜寻多途尖峰脉冲并对其进行平滑处理,从而实现复倒谱多途干扰的滤除,具体包括:(2.1)确定尖峰搜索的起始点n₀;(2.2)多途尖峰脉冲搜索,从起始点n₀开始逐点处理,通过能量判决及尖峰辨识组合策略完成多途尖峰脉冲的搜索;即判定点n为多途尖峰脉冲需满足两个条件:(A)能量判决,设置幅度值门限β=0.02,点n的幅度大于此门限;(B)尖峰辨识,对于满足条件(A)的点,该点的幅度比周围点的幅度高出一定量级,即设一个正数M=0.6|n|,点n与点n-1幅度绝对值的差大于M,同时n与n+1幅度的绝对值的差也大于M;(2.3)多途尖峰脉冲滤除,对步骤2)中搜索到的多途尖峰脉冲做平滑处理,从而达到滤除多途影响的目的;(3)将滤波后的结果经过卷积同态逆特征系统,实现声脉冲信号的重构;所述卷积同态逆特征系统,就是对滤波后的复倒谱结果做逆复倒谱变换,获得重构的声脉冲信号x"(n),即: x ′ ( n ) = F - 1 [ exp ( x ^ ′ ( n ) ) ] ]]>其中,ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="121"/>是经步骤(2)实现复倒谱多途干扰的滤除后的复倒谱结果,exp(·)代表指数运算,F^-1[·]代表傅立叶反变换。技术领域
本发明涉及的是一种水声信号处理技术方法,具体涉及水声多途信道中的多途影响抑制及声脉冲信号重构的方法。
背景技术
脉冲信号是水声领域最常用的信号形式之一。受海底、海面及介质不均匀性的影响,海洋中的信号传播呈现多途特性,发射信号经过不同路径到达接收点,它们相互干涉叠加,导致接收点信号相对发射信号畸变严重,这为后续的信号检测、参数估计等信号处理带来很大困难。因此,采取有效措施实现抗信道多途是水声信号处理的关键技术之一。按照射线声学的理论,水声信道的输出可以等效为输入信号和信道单位冲激响应的时域卷积,因此水声多途信道可被看作一种卷积性干扰。同态滤波技术作为一种非线性信号处理技术,可将信号间的卷积关系转换成加性关系,再通过特征滤波器将两者分离,从而实现抗卷积干扰和信号重构的目的。在同态滤波过程中,特征滤波器的构建是一个非常重要的环节,也是影响信号重构(提纯)效果的关键所在,许多学者就此问题展开了研究。李爽([1]同态滤波技术在水声信道中的应用.哈尔滨工程大学硕士学位论文.2010.:28-30页)提出可以采用线性滤波器将信道的倒谱分量滤除,获得直达声信号的倒谱,朱家兵([2]倒谱技术的无源雷达直达波提纯方法.现代雷达.2007.8:75-78页)对现有的特征滤波方法进行了综合分析,包括低通滤波器和梳状滤波器。研究结果表明,低通滤波器会损失高时部分的信号复倒谱信息,因而重构误差较大;而梳状滤波器需要估计每条多途时延,构建条件严苛。因此,特征滤波构建仍然是同态滤波及信号重构技术的热点和难点问题。
发明内容
本发明的目的在于提出一种构建简易、滤波效果良好的复倒谱域特征滤波方法,实现将信道输出信号中的多途信道分量滤除、重构激励源信号的目的。本发明的目的是这样实现的:(1)将信道输出信号经过卷积同态特征系统,将信号从时域转换到复倒谱域;(2)利用基于尖峰搜索思想构建复倒谱域滤波器并进行滤波,即根据信道的复倒谱特性,在复倒谱域上采用尖峰搜索的方法自动搜寻多途尖峰脉冲并对其进行平滑处理,从而实现复倒谱多途干扰的滤除;(3)将滤波后的结果经过卷积同态逆特征系统,实现声脉冲信号的重构。所述利用基于尖峰搜索思想构建复倒谱域滤波器并进行滤波具体包括:1)确定尖峰搜索的起始点n₀;2)多途尖峰脉冲搜索,从起始点n₀开始逐点处理,通过能量判决及尖峰辨识组合策略完成多途尖峰脉冲的搜索;3)多途尖峰脉冲滤除,对步骤2)中搜索到的多途尖峰脉冲做平滑处理,从而达到滤除多途影响的目的。本发明的核心技术内容在于基于尖峰搜索的复倒谱域滤波器构建及滤波,其基本思想是:在复倒谱域,信道多途的影响表现为在激励源信号的复倒谱中混入一系列的尖峰脉冲,据此本发明通过尖峰搜索的思想,将这些尖峰脉冲找到并予以滤除,以实现信道影响抑制的目的。本发明的优点表现在:(1)本发明采用同态滤波思想进行多途信道抑制和信号重构,相对常用的自适应均衡、时间反转镜等技术而言,本发明无需预先知道信道或信号参数等先验知识,且适用于快变信道,对高速运动节点具有适应性。(2)本发明采用的基于尖峰搜索的复倒谱域特征滤波器构建,充分利用了复倒谱域信道多途的特点,采用尖峰干扰自动搜索的思想,只需预知信道的最小时延信息,构建方法简易、条件宽松。(3)本发明在复倒谱域滤波时对多途尖峰脉冲局部做平滑处理,尽可能的保留了信号复倒谱信息,使得滤波过程对信号影响细微,重构误差较小。
附图说明
图1(a)-图1(b)为发射声脉冲信号及其复倒谱波形图,其中:图1(a)为发射声脉冲信号时域波形,图1(b)为发射声脉冲信号复倒谱域波形。图2(a)-图2(b)为信道冲激响应及其复倒谱波形图,其中:图2(a)为信道冲激响应时域波形,图2(b)为信道冲激响应复倒谱域波形。图3水声多途信道下声脉冲信号重构方法流程图。图4(a)-图4(b)为信道输出信号及其复倒谱图,其中:图4(a)为信道输出信号时域波形,图4(b)为信道输出信号复倒谱域波形。图5(a)-图5(b)为基于尖峰搜索思想的复倒谱域滤波器构建及滤波效果图,其中:图5(a)为尖峰搜索法搜索到的多途尖峰脉冲,图5(b)为尖峰搜索法滤波后的复倒谱波形图。图6(a)-图6(b)为声脉冲信号重构结果及重构误差,其中:图6(a)为声脉冲信号重构结果,图6(b)为重构的声脉冲信号与发射声脉冲信号对比的误差。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步具体说明:仿真条件:发射声脉冲信号为衰减指数加权的单频脉冲信号,中心频率1kHz,采样频率10kHz,信号长度0.2s。声源位置(0,0,100)m,接收机位置(50,50,50)m,海深200m。接收信号除直达声外,还有一次海底和海面反射声的叠加。图1为发射声脉冲号时域及复倒谱域波形图,图2为信道冲激响应时域及复倒谱域波形图。本发明实现水声信道下声脉冲信号重构主要分为3个步骤,具体流程图详见图3。1.将信道输出信号经过卷积同态特征系统,将信号从时域转换到复倒谱域。所谓同态滤波的特征系统,就是对信道输出信号x(n)做复倒谱变换,即: x ^ ( n ) = F - 1 [ ln ( X ( e jω ) ) ] - - - ( 1 ) ]]>其中,ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="100"/>是x(n)的复倒谱,信号X(e^jω)是x(n)的傅立叶变换,F^-1[□]代表傅立叶反变换。经过式(1)所示的变换过程,信道输出信号从时域变换到复倒谱域,同时发射信号和信道干扰从时域的卷积关系转换为复倒谱域的加性关系,结果如图4所示。2.基于尖峰搜索思想构建复倒谱域滤波器并进行滤波,即根据信道的复倒谱特性,在复倒谱域上采用尖峰搜索的方法自动搜寻多途尖峰脉冲并对其进行平滑处理,从而实现复倒谱多途干扰的滤除。设h(n)为水声信道冲激序列: h ( n ) = Σ i = 1 N a i δ ( n - n i ) - - - ( 2 ) ]]>式中,a_i和n_i分别是声波沿第i条路径到达接收点的信号声压幅度和时延量,N为路径数。经推导,该水声信道冲激序列在复倒谱域主要由以下三部分组成:第一部分: a 2 a 1 δ ( n + n 1 - n 2 ) + · · · + a N a 1 δ ( n + n 1 - n N ) - - - ( 3 ) ]]>第二部分: - 1 2 ( a 2 a 1 ) 2 δ ( n + 2 ( n 1 - n 2 ) ) - · · · - 1 2 ( a N a 1 ) 2 δ ( n + 2 ( n 1 - n N ) ) - Σ i = 2 , j = 2 , i ≠ j N a i a j a 1 2 δ ( n + 2 n 1 - n i - n j ) - - - ( 4 ) ]]>第三部分: a 2 3 3 a 1 3 δ ( n + 3 n 1 - 3 n 3 ) + · · · a N 3 3 a 1 3 δ ( n + 3 n 1 - 3 n N ) + 2 3 Σ i = 2 , j = 2 , i ≠ j N a i 2 a j a 1 3 δ ( n + 3 n 1 - 2 n i - n j ) + Σ i = 2 , j = 2 , z = 2 , i ≠ j ≠ z N a i a j a z 3 a 1 3 δ ( n + 3 n 1 - n i - n j - n z ) - - - ( 5 ) ]]>可见,水声信道冲激序列经过复倒谱变换后仍然是一个冲激序列,只是序列延拓变为无限长;原序列上的每一个多途尖峰脉冲都会以其相对于直达波延迟时间进行周期延拓,同时每条多途尖峰时延的加性组合处也会出现尖峰;尖峰幅度随时间的增大而衰减,且衰减速度比原序列更快。根据上述声信道的复倒谱特性,在复倒谱域上采用尖峰搜索和平滑处理的方法进行滤波。具体步骤如下:(1)确定起始点n₀。将输出信号复倒谱上的第一个尖峰作为信道最小时延,然后将搜索的起始点设置在该时延右侧。以本仿真条件为例,起始点n₀=210。(2)多途尖峰脉冲搜索。从起始点开始逐一处理,通过能量判决及尖峰辨识组合策略完成多途尖峰脉冲的搜索,即判定点n为多途尖峰脉冲需满足两个条件:1)能量判决。设置幅度值门限β=0.02,点n的幅度需大于此门限值,以避免误判零值周围的点为多途尖峰脉冲。2)尖峰辨识。对于满足条件1)的点,该点的幅度需比周围点的幅度高出一定量级,即设一个正数M=0.6|n|,点n与点n-1幅度绝对值的需差大于M,同时n与n+1幅度的绝对值的差也需大于M。其中,M值的选取需视实际情况而定,M值太高会漏判峰值,使重构出的信号有偏差,M值太低会造成误判,损失信号能量。(3)多途尖峰脉冲滤除。确定某点n为多途尖峰脉冲后,采用中值平滑的思想将其滤除,即将点n的幅值替换为点n-1与n+1点幅值的均值。基于尖峰搜索思想的复倒谱域滤波器构建及滤波效果图如图5所示。3.将滤波后的结果经过卷积同态逆特征系统,实现声脉冲信号的重构。所谓卷积同态逆特征系统,就是对滤波后的复倒谱结果做逆复倒谱变换,获得重构的声脉冲信号x"(n),即: x ′ ( n ) = F - 1 [ exp ( x ^ ′ ( n ) ) ] - - - ( 6 ) ]]>其中,ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="121"/>是经步骤2获得的滤除多途尖峰脉冲后的复倒谱结果,exp(·)代表指数运算,F^-1[□]代表傅立叶反变换。重构出的声脉冲信号及重构误差如图6所示。最后应说明的是,以上实施例仅用以描述本发明的技术方案而不是对本技术方法进行限制,本发明在应用上可以延伸为其他的修改、变化、应用和实施例,并且因此认为所有这样的修改、变化、应用、实施例都在本发明的精神和教导范围内。