基于模态调频小波变换的单水听器信号模态波形分离方法

本发明涉及声音信号处理，更具体地说是基于模态调频小波变换的单水听器信号模态波形分离方法。

背景技术：

1、单水听器((水中使用的声电换能器))信号处理技术近年来受到颇多关注。随着人类海洋活动逐年增加，活动目的日趋复杂，在海洋内部构建庞大数量的声学观探基站的价值日益凸显，单水听器具有显著的成本优势，是实现多节点大范围观探的一种理想的基站形式，且单水听器体积小，所需要处理的数据量较少，非常适合在小型水下航行器平台上搭载，不但能够拓宽其应用场景，提高其应用价值，也是对现有定点式、漂流式海洋观探方式的扩充完善。因此，单水听器信号处理技术近年来发展迅速，其在目标的测距、定深、测向(矢量水听器)以及地声参数反演等方面的能力逐渐得到认可。

2、单水听器信号处理技术必须要考虑算法稳健性。海水是一种频散介质，当声波在海水中传播的时候，不同模态、不同频率的声波以不同的群速度传播，因此一个简单信号将在传播过程中失真为一个由多阶模态叠加而成的复杂信号。声传播环境的复杂性如海底地形变化、内波等将加剧信号的畸变，使得从接收声信号中恢复原本的信号或信息变得困难，发展环境宽容的信号处理手段成为了声源定位或地声参数反演研究之中的重要目标。

3、在模态域进行信号处理是提高算法稳健性的典型处理方式。同直接使用接收声压进行参数估计相比，在模态域进行信号处理具有较强的灵活性，处理中可以自由选择模态进行组合，通过排除受环境影响较大的模态成分，实现较为稳健的参数估计。鉴于在模态空间进行信号处理的灵活性以及稳健性，模态分离成为了一个重要的研究方向，这也是在模态域进行信号处理的第一个步骤。

4、早期的模态分离主要使用常规时频分析技术，例如短时傅里叶变换或者小波变换(potty g r,miller j h,lynch j f,et al.tomographic inversion for sedimentparameters in shallow water[j].the journal of the acoustical societyofamerica,2000,108(3):973-986.)，由于时频分辨能力较低，只能在声源和接收之间的距离较大时使用，后来le touzé等人将warping变换引入模态分离，成为目前的主流(leg,mars j,lacoume j l.matched time-frequency representations andwarping operator for modal filtering[c]//200614th european signal processingconference.2006:1-5.)。warping变换技术的作用仅是将原来直接在接收信号时频域对模态波形进行分离的步骤转换到在接收信号的warping域进行，分离模态波形时仍然使用了低时频分辨能力的常规时频分析算法(bonnel j,thode a,wright d,et al.nonlineartime-warping made simple:astep-by-step tutorial on underwater acoustic modalseparation with a single hydrophone[j].the journal of the acoustical societyof america,2020,147(3):1897-1926.)，虽然在一定程度上改善了直接使用常规时频分析算法分离模态波形的性能，但不能彻底避免低时频分辨能力的影响。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供基于模态调频小波变换的单水听器信号模态波形分离方法。

2、为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、第一方面，基于模态调频小波变换的单水听器信号模态波形分离方法，包括：

4、采集水听器信号；

5、对水听器信号进行处理，以得到声源的时域信号；

6、将声源的时域信号利用模态调频小波变换得到声源信号的时频图；

7、在时频图中选中需要的某阶模态所在区域进行时频域滤波，以得到选中的某阶模态的时频图；

8、将选中的某阶模态的时频图利用逆模态调频小波变换得到该阶模态的时域波形。

9、其进一步技术方案为：所述对水听器信号进行处理，以得到声源的时域信号，包括：

10、通过傅里叶变换将水听器采集的信号从时域变换到频域，以得到声源的测量声压；

11、通过解卷积从声源的测量声压中去除发射信号频谱，以得到测量场格林函数；

12、通过傅里叶变换将测量场格林函数从频域变回时域，以得到声源的时域信号。

13、其进一步技术方案为：所述将声源的时域信号利用模态调频小波变换得到声源信号的时频图，包括：

14、对声源的时域信号利用小波基函数进行小波分解，以得到小波系数；

15、对小波系数进行模态分解，以得到各模态分量；

16、对每个模态分量进行调频小波变换，以得到各个模态分量的时频图；

17、将各个模态分量的时频图进行叠加，以得到声源信号的时频图。

18、其进一步技术方案为：所述在时频图中选中需要的某阶模态所在区域进行时频域滤波，以得到选中的某阶模态的时频图，包括：

19、框选需要的某阶模态所在的区域，并记录该区域的时间范围和频率范围；

20、使用滤波器对该区域进行时频域滤波；

21、提取出滤波后的该区域，以得到选中的某阶模态的时频图。

22、第二方面，基于模态调频小波变换的单水听器信号模态波形分离装置，包括采集单元、信号处理单元、第一变换单元、滤波单元以及第二变换单元；

23、所述采集单元，用于采集水听器信号；

24、所述信号处理单元，用于对水听器信号进行处理，以得到声源的时域信号；

25、所述第一变换单元，用于将声源的时域信号利用模态调频小波变换得到声源信号的时频图；

26、所述滤波单元，用于在时频图中选中需要的某阶模态所在区域进行时频域滤波，以得到选中的某阶模态的时频图；

27、所述第二变换单元，用于将选中的某阶模态的时频图利用逆模态调频小波变换得到该阶模态的时域波形。

28、其进一步技术方案为：所述信号处理单元包括第一变换模块、滤除模块以及第二变换模块；

29、所述第一变换模块，用于通过傅里叶变换将水听器采集的信号从时域变换到频域，以得到声源的测量声压；

30、所述滤除模块，用于通过解卷积从声源的测量声压中去除发射信号频谱，以得到测量场格林函数；

31、所述第二变换模块，用于通过傅里叶变换将测量场格林函数从频域变回时域，以得到声源的时域信号。

32、其进一步技术方案为：所述第一变换单元包括第一分解模块、第二分解模块、调频变换模块以及叠加模块；

33、所述第一分解模块，用于对声源的时域信号利用小波基函数进行小波分解，以得到小波系数；

34、所述第二分解模块，用于对小波系数进行模态分解，以得到各模态分量；

35、所述调频变换模块，用于对每个模态分量进行调频小波变换，以得到各个模态分量的时频图；

36、所述叠加模块，用于将各个模态分量的时频图进行叠加，以得到声源信号的时频图。

37、其进一步技术方案为：所述滤波单元包括框选模块、滤波模块以及提取模块；

38、所述框选模块，用于框选需要的某阶模态所在的区域，并记录该区域的时间范围和频率范围；

39、所述滤波模块，用于使用滤波器对该区域进行时频域滤波；

40、所述提取模块，用于提取出滤波后的该区域，以得到选中的某阶模态的时频图。

41、第三方面，一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上述的基于模态调频小波变换的单水听器信号模态波形分离方法。

42、第四方面，一种计算机可读存储介质，所述存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，所述程序指令被处理器执行时，使得所述处理器执行如上述的基于模态调频小波变换的单水听器信号模态波形分离方法。

43、本发明与现有技术相比的有益效果是：本发明通过采集水听器信号；对水听器信号进行处理，以得到声源的时域信号；将声源的时域信号利用模态调频小波变换得到声源信号的时频图；在时频图中选中需要的某阶模态所在区域进行时频域滤波，以得到选中的某阶模态的时频图；将选中的某阶模态的时频图利用逆模态调频小波变换得到该阶模态的时域波形。不仅能够稳健的分离出单水听器接收信号中包含的各阶模态的时域波形，为进一步进行参数估计(声源定位或地声参数反演)提供便利，而且对于时频域滤波过程中模态范围的选择不敏感，受到时频域滤波范围变化的影响显著更小，更有可能得到准确的模态波形，有利于提高后续参数估计的准确度。

44、上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明技术手段，可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的特征及优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，详细说明如下。