基于奇异值曲率一阶差分的水声信号降噪方法及应用与流程

本技术涉及信号处理，具体涉及一种基于奇异值曲率一阶差分的水声信号降噪方法及应用。

背景技术：

1、随着社会的发展进步，水声信号的获取和处理在海洋、水下工程、水声通信等关键领域起着至关重要的作用。与此同时，水声信号处理领域理论研究的新进展推动声纳设备的不断优化，正解决着河道淤泥清除、海底地形探测等现实问题。然而，由于水下环境的复杂性和噪声的干扰，水声信号往往受到严重的降噪问题的困扰。因此，研究和开发一种有效的水声信号降噪方法对于提高水声通信质量和水下工程的可靠性至关重要。

2、相对陆地上已经十分成熟的有线和无线通信技术，目前基于海洋的通信技术稍显贫乏，且在传输可靠性和有效性方面与陆地无线通信存在较大差距。在工程领域中，为了解决水下管道淤泥堆积而产生堵塞、外溢甚至产生管道破裂等问题，通常借助被动声呐收集环境中的声音信息，在对信号进行预处理降低无用噪声和干扰信号之后，将提取出的有用信号输入识别系统，从而完成对淤泥和管壁的识别。但是相比较于陆地通信依靠大气层，水下环境恶劣，充斥着风浪、潮流等问题，严重影响了水下目标识别的准确率。

3、现有的基于奇异值曲率谱的水声信号降噪方法存在的问题是：对仿真信号的去噪效果良好，但未考虑到现实收集的水声信号具有较强的高斯白噪声、高频噪声且频率成分复杂等特点，因此往往在频率较低分段中滤波效果较好，但在高频部分仍然存在较强的高斯白噪声。

技术实现思路

1、本技术的目的在于提供一种基于奇异值曲率一阶差分的水声信号降噪方法及应用，用以解决现有技术中的基于奇异值曲率谱的水声信号降噪方法存在的对仿真信号的去噪效果良好，但未考虑到现实收集的水声信号具有较强的高斯白噪声、高频噪声且频率成分复杂等特点，因此往往在频率较低分段中滤波效果较好，但在高频部分仍然存在较强的高斯白噪声的问题。

2、为实现上述目的，本技术实施例提供一种基于奇异值曲率一阶差分的水声信号降噪方法，包括以下步骤：步骤1)获取待分析的含有噪声的水声信号；

3、步骤2)对所述水声信号构造汉克尔矩阵，对所述汉克尔矩阵进行奇异值分解，得到奇异值对角矩阵；

4、步骤3)获取某一时刻的所述水声信号数据所对应的曲率，并获取该时刻的所述水声信号数据所对应的左、右一阶差分，给定阈值判断得到的左、右一阶差分的大小是否满足预设条件，输出满足所述预设条件的水声信号数据对应的分离阶数作为最优分离阶数；

5、步骤4)将所述奇异值对角矩阵中的前最优分离阶数个有效奇异值保留，将其他的奇异值设置为零，并更新所述奇异值对角矩阵；

6、步骤5)利用更新后的所述奇异值对角矩阵，根据相空间重构，构造去噪汉克尔矩阵，通过对所述去噪汉克尔矩阵进行逆变换构造去噪后的水声信号。

7、可选地，所述步骤2)具体包括：

8、利用公式：hm×n＝um×m·sm×n·vn×nt，对所述汉克尔矩阵hm×n进行奇异值分解，得到所述奇异值对角矩阵s，其中，所述汉克尔矩阵基于所述水声信号y＝[y1,y2,…,yn]构造，u和v分别表示m×m和n×n维的正交矩阵。

9、可选地，在所述步骤2)中，

10、所述汉克尔矩阵hm×n与所述奇异值对角矩阵s＝diag(e1,e1,…ep)的构造形式为：

11、

12、

13、其中，p为分解以后奇异值的个数，p＝min(m,n)，m、n满足n＝m+n-1且m＜＜n。

14、可选地，在所述步骤3)中，所述获取某一时刻的所述水声信号数据所对应的曲率，并获取该时刻的所述水声信号数据所对应的左、右一阶差分，具体包括：

15、通过公式：

16、获取某一时刻i的所述水声信号数据yi所对应的曲率ci，以及对应的左、右一阶差分dleft、dright，计算所述水声信号数据yi的曲率时用对应的差分公式来代替上述公式中的导数，即y″(i)＝δsi+1-δsi＝ei+1-2ei+ei-1，y′(i)＝δsi＝ei-ei-1，i为各个水声信号数据yi对应的时刻，i＝2,3,…,p-1。

17、可选地，在所述步骤3)中，所述给定阈值判断得到的左、右一阶差分的大小是否满足预设条件，具体包括：

18、所述预设条件为：

19、其中，dleft、dright是某一时刻i的所述水声信号数据所对应的左、右一阶差分，ε是给定的阈值。

20、可选地，所述给定的阈值为0.01。

21、为实现上述目的，本技术还提供一种基于奇异值曲率一阶差分的水声信号降噪装置，包括：

22、用于对含有噪声的水声信号进行采集的采集设备以及与所述采集设备通信的服务器，其中所述服务器配置用于执行以下操作：

23、获取待分析的含有噪声的水声信号；

24、对所述水声信号构造汉克尔矩阵，对所述汉克尔矩阵进行奇异值分解，得到奇异值对角矩阵；

25、获取某一时刻的所述水声信号数据所对应的曲率，并获取该时刻的所述水声信号数据所对应的左、右一阶差分，给定阈值判断得到的左、右一阶差分的大小是否满足预设条件，输出满足所述预设条件的水声信号数据对应的分离阶数作为最优分离阶数；

26、将所述奇异值对角矩阵中的前最优分离阶数个有效奇异值保留，将其他的奇异值设置为零，并更新所述奇异值对角矩阵；

27、利用更新后的所述奇异值对角矩阵，根据相空间重构，构造去噪汉克尔矩阵，通过对所述去噪汉克尔矩阵进行逆变换构造去噪后的水声信号。

28、可选地，还包括：与所述服务器通信的终端，并且所述服务器还配置用于通过所述终端可视化显示所述去噪后的水声信号。

29、可选地，所述采集设备为以下任意一项设备：水声浮标、水声记录仪以及水声声纳。

30、为实现上述目的，本技术还提供一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，其中所述计算机程序被机器执行时实现如上所述的方法的步骤。

31、本技术实施例具有如下优点：

32、本技术实施例提供一种基于奇异值曲率一阶差分的水声信号降噪方法，包括：步骤1)获取待分析的含有噪声的水声信号；步骤2)对所述水声信号构造汉克尔矩阵，对所述汉克尔矩阵进行奇异值分解，得到奇异值对角矩阵；步骤3)获取某一时刻的所述水声信号数据所对应的曲率，并获取该时刻的所述水声信号数据所对应的左、右一阶差分，给定阈值判断得到的左、右一阶差分的大小是否满足预设条件，输出满足所述预设条件的水声信号数据对应的分离阶数作为最优分离阶数；步骤4)将所述奇异值对角矩阵中的前最优分离阶数个有效奇异值保留，将其他的奇异值设置为零，并更新所述奇异值对角矩阵；步骤5)利用更新后的所述奇异值对角矩阵，根据相空间重构，构造去噪汉克尔矩阵，通过对所述去噪汉克尔矩阵进行逆变换构造去噪后的水声信号。

33、通过上述方法，考虑了两侧曲率一阶差分，能更好在较强的高斯白噪声、高频噪声，且频率成分复杂的情况下，将有用信号与噪声信号分离。从而能够显著解决传统去噪方法在对“高斯白噪声、脉冲噪声、高频噪声”等问题去噪时存在的不足。