专利名称：复杂多途水声环境下直达声辨识方法
技术领域：
本发明属于水声工程、信号与信息处理领域，具体涉及复杂水声多途环境下的直 达声辨识方法。
背景技术：
海洋作为水下声信号传输的媒介，相当于对发射信号进行变换的滤波器。由于海 面海底界面的存在和海水介质的不均勻性，水下声信道呈现多途特性，从声源发出的声信 号沿各种不同的途径到达接收点，它们互相干涉叠加，产生复杂的空间干涉图案和滤波特 性。受海面、海底一次或多次反射声的干扰，以及相对运动的影响，接收点处直达声信号的 幅度、频率、相位随机变化，波形发生严重畸变，与原发射信号相去甚远，这给直达声的可靠 检测和准确辨识带来了极大的困难。因此，复杂多途水声环境下的直达声辨识成为水声工 程及信号处理领域面临的重要挑战之一。目前，直达声辨识多依赖于多途抑制技术，常用的包括分集技术、扩频通信技术、 信道均衡技术和信道纠错编码技术等。各方法抑制多途的出发点不同，前两种技术是通过 降低多途信号的相关性；信道均衡技术是通过补偿信道多途效应引起的波形畸变，而信道 纠错编码是借用发射信息中加入的冗余数据进行纠错。近年来，又出现了时间反转镜技术， 它是利用其空间聚焦和时间压缩特性，使接收到的多途扩展信号在时间上被压缩而近似于 原发射信号。上述方法多着眼于通过发射信号波形优化、编码结构设计和接收信号的预处理来 降低多途信号的相关性或改善信号波形。这些技术均是从抑制多途的角度出发，而没有充 分利用多途信号的特征。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于多途信号特征分析的复杂多途水声环境下直达 声辨识方法。本发明的目的是这样实现的，主要包括如下步骤(1)初始化基本参数，所述基本参数包括大宽度门限、小宽度门限、最小能量门限、 凹陷点补偿门限、时延间隔门限；(2)计算输入信号包络，采用自适应Notch滤波器做窄带滤波，并利用其自适应迭 代权估计信号包络；(3)估计背景噪声能量，确定能量门限，噪声能量估计采用一阶递归滤波器，能量 门限采用自适应门限及最小保护机制选取；(4)能量检测，并采用凹陷点补偿技术；(5)直达声辨识，即采用双重宽度判决及时间间隔判决。本发明还可以包括1、所述采用双重宽度判决及时间间隔判决的具体方法为鉴宽器的宽度门限设为
3大小两种；宽度判决时，不论大于大宽度门限还是大于小宽度门限都暂时保留脉冲信息，分 别称为宽脉冲和窄脉冲；然后进行时延差判决，对于宽脉冲，若其一个发射信号脉宽时间之 内有窄脉冲，则认为二者是一个完整的直达声信号，前一脉冲时延为直达声到达时刻，否则 宽脉冲为直达声；对于窄脉冲，若其之前一个发射信号脉宽时间附近有窄脉冲，则认为前后 两个窄脉冲组成一个完整的直达声，否则认为前一窄脉冲为虚警，当前脉冲为新的窄脉冲。2、所述能量门限选用自适应门限，即通过实时估计背景噪声强度并根据N-P准则 获得；同时选取一个最小能量门限，当自适应门限大于该门限时，能量门限取自适应门限， 反之，取最小能量门限。3、所述的凹陷点补偿技术，主要内容包括受噪声影响，信号能量在部分采样时刻 出现局部凹陷点，在做能量判决和宽度计数时，如果小于M个采样点不过能量门限仍然进 行宽度累计，其中M为凹陷点补偿个数。本发明所述的能量/宽度联合检测思想，其主要内容为采用能量检测器和鉴宽 器进行联合判决，即只有当信号能量连续N个时间采样点同时超过能量门限时才认为信号 有效，其中N为鉴宽器宽度门限，它的设定与能量门限、信号脉宽、滤波器展宽、多普勒相对 展宽等因素有关。该检测思想可有效去除背景噪声中的尖冲干扰、降低处理器检测阈。本发明所述的抗多途直达声辨识策略，其核心思想是针对直达声与反射声叠加， 特别是二者反向叠加的情况下，直达声信号分裂，时域波形畸变后的前、后边沿，其时间间 隔与发射信号脉宽有关，直达声辨识采用双重宽度和前后沿时延差联合判决机制。主要内 容为鉴宽器的宽度门限设为大小两种，大宽度门限依据发射信号的脉冲宽度而定，小宽度 门限依据直达声、反射声时延差的规律而定。宽度判决时，不论大于大宽度门限还是大于小 宽度门限都暂时保留脉冲信息，分别称为宽脉冲和窄脉冲。然后进行时延差判决，对于宽脉 冲，若具邻域一个发射信号脉宽时间之内有窄脉冲，则认为二者是一个完整的直达声信号， 前一脉冲时延为直达声到达时刻，否则宽脉冲为直达声；对于窄脉冲，若其之前一个发射信 号脉宽时间附近有窄脉冲，则认为前后两个窄脉冲组成一个完整的直达声，否则认为前一 窄脉冲为虚警，当前脉冲为新的窄脉冲。本发明所述的自适应门限及最小门限保护机制，其主要内容为为适应不同工况 下环境噪声的变化，提高信号检测能力，能量门限选用自适应门限，即通过实时估计背景噪 声强度并根据N-P准则获得。同时，为保证系统的稳定性，选取一个最小能量门限，当自适 应门限大于该门限时，能量门限取自适应门限，反之，取最小能量门限。该方法在工程实现， 尤其是计算过程存在舍入误差时十分有效。本发明所述的凹陷点补偿技术，其主要内容包括受噪声影响，信号能量在部分采 样时刻出现局部凹陷点，这些点与能量门限比较判决时，可能不过门限，导致误认为是尖脉 冲干扰，出现漏报。为了避免这种情况的发生，在做宽度计数时，如果小于M个采样点不过 能量门限仍然进行宽度累计，其中M为凹陷点补偿个数。
图1为某海区实测声速分布剖面图；图2为不同位置处多途信道特征；图3为不同距离处直达声与反射声抵达接收点时延差变化曲线；
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图4为典型直达声与反射声叠加时域波形图；图5自适应窄带滤波器原理框图；图6为典型直达声与反射声叠加信号包络图；图7能量门限选取逻辑流程图；图8为背景噪声估计及能量门限选取结果；图9为直达声辨识专家系统实时处理流程图。
具体实施例方式下面结合附图举例对本发明做更详细地描述发射信号基本参数CW脉冲，脉冲宽度10ms，中心频率5kHz ；发射信号经水声信道 到达接收点，信道声速分布特征如图1所示。发射点位置为(0，0，5)m，接收点深度为30m， 二者水平距离从0m 2km变化。不同距离位置处多途信道特征以及直达声和反射声时延 差如图2、图3所示。图4给出了典型多途信道下直达声受反射声干扰后的时域波形(归一 化幅度)。针对上述条件，给出该具体实施例的专家系统处理步骤(1. 1)专家系统基本参数初始化，主要包括大宽度门限、小宽度门限、最小能量门 限、凹陷点补偿门限、时延间隔门限等。1、大宽度门限 Width_L = 8ms ；2、小宽度门限 ffidth_S = 0. 5ms ；3、最小能量门限Amp_S = 0. 2 ；4、凹陷点补偿门限Notch_N = 5 ；5、时延间隔门限 Delay_L = 10. 5ms, Delay_S = 9. 5ms。(1. 2)计算输入信号包络。采用自适应Notch滤波器做窄带滤波和包络估计，当前 信号能量为包络平方。滤波器原理框图如图5所示。图中，d(k) = s(k)+n(k)为期望信号时间序列，k = 1，2，...，L为时间序号，s(k) 为接收声信号，n(k)为背景噪声；xs(k)和x。(k)为两路正交参考输入。uc(k), us(k)为迭 代权；￡ (k)为残差输出；y(k)为信号输出。设该滤波器的学习步长为常量P，中心频率，正交参考输入的幅度为A，则两路 参考输入表示为xc(k) = Acos(co0k), xs(k) =Asin(co0k)(1)那么，系统自适应迭代过程可表示为y (k) = uc (k) xc (k) +us (k) xs (k)(2)e (k) = d(k)-y(k)(3)uc (k+1) = uc (k) + u e (k) xc (k)(4)us (k+1) = us (k) + u e (k)xs(k)(5)输入信号包络为Amp(k) = ^u~c{kf + ux (kf(6)滤波器参数选择中心频率w 为5kHz ；
带宽为200Hz;正交参考输入幅度A为1。典型声信号包络如图6所示。(1. 3)估计背景噪声能量，能量门限采用自适应门限及最小保护机制选取。背景噪声能量估计采用一阶递归滤波器作长时间积分。该方法计算量小，具有时
间记忆功能，便于实时实现。递归公式如下 其中减⑷——第k个采样时刻背景噪声强度估计值；M——时间常数，取2048点；S(k)——第k个采样时刻输入噪声强度。通常，能量门限设置为9倍的背景噪声能量，但为了保证系统的稳定性，当前信号 强度只有在小于能量门限时才参与背景噪声的估计，且当自适应门限小于最小能量门限 时，能量门限取最小能量门限。具体逻辑详见图7。背景噪声估计及能量门限选取结果如图8所示。(1. 4)能量判决。将步骤(1. 2)获得的当前时刻信号能量与步骤(1. 3)获得的能 量门限进行比较，若大于能量门限，则宽度计数器加1，然后转入步骤(1.2)进行下一采样 点的处理。否则，转入步骤(1.5)。(1. 5)双重宽度判决。当信号能量小于能量门限后，首先将宽度计数器与Width_L 比，大于Width_L则判为宽脉冲，小于则再与Width_S比较，若大于Width_S就暂时保存脉 冲信息，定义为窄脉冲，然后转入步骤(1. 6)，否则直接判为假信号，并对相关计数器清零。(1.6)时间间隔判决。当检测到有效脉冲后，若其前面有窄脉冲出现，对于当前脉 冲为宽脉冲的情况，则判断宽、窄脉冲的时延差是否小于最小时间间隔门限，小于则认为二 者为一个完整的直达声，窄脉冲时延为直达声信号的到达时刻，否则认为窄脉冲为虚警，宽 脉冲为直达声。对于当前脉冲为窄脉冲的情况，判断当前脉冲与前一窄脉冲的时间间隔是 否在最大、最小时间间隔门限之间，满足该条件则可判断前一窄脉冲是有效的，整个信号为 一个完整的直达声，否则认为前一窄脉冲为虚警，当前脉冲为新的窄脉冲。直达声辨识专家系统流程图如图9所示。最后应说明的是，以上实施例仪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。
权利要求
一种复杂多途水声环境下直达声辨识方法，其特征是(1)初始化基本参数，所述基本参数包括大宽度门限、小宽度门限、最小能量门限、凹陷点补偿门限、时延间隔门限；(2)计算输入信号包络，采用自适应Notch滤波器做窄带滤波，并利用其自适应迭代权估计信号包络；(3)估计背景噪声能量，确定能量门限，噪声能量估计采用一阶递归滤波器，能量门限采用自适应门限及最小保护机制选取；(4)能量检测，并采用凹陷点补偿技术；(5)直达声辨识，即采用双重宽度判决及时间间隔判决。
2.根据权利要求1所述的复杂多途水声环境下直达声辨以方法，其特征是所述采用 双重宽度判决及时间间隔判决的具体方法为鉴宽器的宽度门限设为大小两种；宽度判决 时，不论大于大宽度门限还是大于小宽度门限都暂时保留脉冲信息，分别称为宽脉冲和窄 脉冲；然后进行时延差判决，对于宽脉冲，若其一个发射信号脉宽时间之内有窄脉冲，则认 为二者是一个完整的直达声信号，前一脉冲时延为直达声到达时刻，否则宽脉冲为直达声； 对于窄脉冲，若其之前一个发射信号脉宽时间附近有窄脉冲，则认为前后两个窄脉冲组成 一个完整的直达声，否则认为前一窄脉冲为虚警，当前脉冲为新的窄脉冲。
3.根据权利要求1或2所述的复杂多途水声环境下直达声辨识方法，其特征是所述能 量门限选用自适应门限，即通过实时估计背景噪声强度并根据N-P准则获得；同时选取一 个最小能量门限，当自适应门限大于该门限时，能量门限取自适应门限，反之，取最小能量 门限。
4.根据权利要求1或2所述的复杂多途水声环境下直达声辨识方法，其特征是所述的 凹陷点补偿技术，主要内容包括受噪声影响，信号能量在部分采样时刻出现局部凹陷点， 在做能量判决和宽度计数时，如果小于M个采样点不过能量门限仍然进行宽度累计，其中M 为凹陷点补偿个数。
5.根据权利要求3所述的复杂多途水声环境下直达声辨识方法，其特征是所述的凹陷 点补偿技术，主要内容包括受噪声影响，信号能量在部分采样时刻出现局部凹陷点，在做 能量判决和宽度计数时，如果小于M个采样点不过能量门限仍然进行宽度累计，其中M为凹 陷点补偿个数。
全文摘要
本发明提供的是一种复杂多途水声环境下直达声辨识方法。(1)初始化基本参数，所述基本参数包括大宽度门限、小宽度门限、最小能量门限、凹陷点补偿门限、时延间隔门限；(2)计算输入信号包络，采用自适应Notch滤波器做窄带滤波，并利用其自适应迭代权估计信号包络；(3)估计背景噪声能量，确定能量门限，噪声能量估计采用一阶递归滤波器，能量门限采用自适应门限及最小保护机制选取；(4)能量检测，并采用凹陷点补偿技术；(5)直达声辨识，即采用双重宽度判决及时间间隔判决。本发明可有效提高反射声污染环境下的直达声信号的辨识率。同时可有效去除背景噪声中的尖脉冲干扰，降低处理器检测阈，提高该方法的普适性和稳健性。
文档编号G01H17/00GK101900601SQ201010138938
公开日2010年12月1日 申请日期2010年4月2日 优先权日2010年4月2日
发明者付进, 嵇建飞, 张光普, 林旺生, 梁国龙, 王燕, 王逸林, 范展 申请人:哈尔滨工程大学