一种稳健的基于线谱多普勒频移估计运动声源速度的方法

本发明涉及信号处理，更具体地说是一种稳健的基于线谱多普勒频移估计运动声源速度的方法。

背景技术：

1、由于机械结构转动的原因，汽车、飞机、舰船等类型的目标在运动过程中不可避免的向外辐射噪声。一般地，目标辐射噪声信号可分为线谱噪声和宽带噪声两种类型，其中线谱噪声的声源级显著高于宽带噪声的声源级，能够携带目标声源的特征信息传播较远距离，因此线谱噪声信息常用于目标识别和方位跟踪。当线谱声源与接收点之间存在相对运动时，接收线谱信号的瞬时频率将会产生多普勒频移，根据多普勒频移可以估计运动声源速度、正横距离等多普勒有关参数。

2、目前较为普遍的运动声源速度估计方式是提取线谱瞬时频率曲线后，依据多普勒频移的理论公式，基于最小二乘曲线拟合技术进行估计。早期，学者们通过相位插值方法估计接收信号中的多普勒频移变化曲线。随着时频分析技术的兴起，1994年，ferguson和quinn提出利用短时傅里叶变换(stft，short-time fourier transform，也称为spectrogram)和wigner-ville分布(wvd，wigner–ville distribution)从接收信号中提取多普勒频移变化曲线。随后，为了进一步提高多普勒频移变化曲线的估计精度，学者们又尝试了众多高分辨时频分析算法，包括多项式wigner-ville分布(polynomial wigner–villedistribution)、多项式线性调频小波变换(pct，polynomial chirplet transform)、匹配wigner变换(mwt，matched wigner transform)、扩展样条调频小波变换(esct，enhancedspline-kernelled chirplet transform)、多普勒调频小波变换(dopplerct,dopplerchirplet transform)、wigner-ville分布交叉项抵消方法(wvd-ctr，wigner–villedistribution cross-term rejection)等。相比于经典的stft方法，高分辨时频分析算法给出的时频图中线谱信号的时频能量聚集度较高，一定程度上提高了多普勒频移变化曲线的提取精度，理论上有助于在低信噪比条件下实现稳健的运动声源速度估计。但是在实际应用中发现，仅仅提高时频图中线谱信号的时频能量聚集度对于在低信噪比条件下参数估计稳健性的提升有限。

3、高分辨时频分析算法通常基于迭代的方式不断提高信号的时频能量聚集度以及参数估计的精度，即不断重复“计算时频图、提取线谱瞬时频率曲线、基于曲线拟合方式估计运动声源速度”的过程，直至迭代收敛，这个流程设计中最容易出错的地方是初次迭代。初次迭代时由于时频图中线谱信号的时频能量聚集度还比较低，当信噪比较低时，受噪声影响，很难准确提取线谱瞬时频率曲线，使得曲线拟合后给出错误的运动声源速度估计结果，基于错误的参数估计结果继续下一次迭代，只会导致参数估计结果难以收敛。根据以上分析可知，这类算法实际上对噪声较为敏感，一般很难适应低信噪比环境。但在实际应用中，由于接收点距离声源较远、背景噪声较高等原因，低信噪比环境难以避免。

4、因此，有必要设计一种适用于低信噪比环境的运动声源速度的估计方法。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种稳健的基于线谱多普勒频移估计运动声源速度的方法，旨在提升低信噪比环境下运动声源速度、正横距离等多普勒有关参数估计过程的稳健性。

2、为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、第一方面，一种稳健的基于线谱多普勒频移估计运动声源速度的方法，包括：

4、初始化计算参数，所述计算参数包括窗函数长度、傅里叶变换长度以及重叠长度；

5、根据计算参数执行短时傅里叶变换，以得到接收信号的stft时频谱图；

6、根据stft时频谱图计算出未迭代时的多普勒有关参数，所述多普勒有关参数包括线谱频率、速度、正横时刻和正横距离；

7、根据stft时频谱图计算时频能量聚集度；

8、根据dopplerct时频分析算法对多普勒有关参数进行迭代处理；

9、当达到迭代停止要求后，输出最终的多普勒有关参数。

10、其进一步技术方案为：所述初始化计算参数，所述计算参数包括窗函数长度、傅里叶变换长度以及重叠长度，包括：

11、设定计算stft时频图所需要的计算参数；

12、设定计算dopplerct时频图所需要的计算参数。

13、其进一步技术方案为：所述dopplerct时频图所需的窗函数长度和傅里叶变换长度均大于stft时频图所需的窗函数和傅里叶变换长度。

14、其进一步技术方案为：所述根据stft时频谱图计算出未迭代时的多普勒有关参数，所述多普勒有关参数包括线谱频率、速度、正横时刻和正横距离中，计算未迭代时的多普勒有关参数的公式为：

15、

16、式中，p(t,f)表示时频图，t表示时间，f表示频率，σ表示瞬时频率曲线的粗细程度，fu为频率区间的上界，fd为频率区间的下界。

17、其进一步技术方案为：所述根据stft时频谱图计算时频能量聚集度中，计算时频能量聚集度的公式为：

18、

19、式中，hα(p)表示p(t,f)的renyi熵，renyi熵用于度量p(t,f)的时频能量聚集度，α表示renyi熵阶数，∫∫p(u,v)dudv表示通过积分计算p(t,f)的总能量。

20、其进一步技术方案为：所述根据dopplerct时频分析算法对多普勒有关参数进行迭代处理，包括：

21、根据多普勒有关参数计算得到dopplerct时频图；

22、根据dopplerct时频图计算出迭代更新后的多普勒有关参数；

23、根据dopplerct时频图计算时频能量聚集度；

24、根据时频能量聚集度判断迭代是否终止。

25、其进一步技术方案为：所述根据多普勒有关参数计算得到dopplerct时频图，计算得到dopplerct时频图的公式如下：

26、

27、

28、式中，dopplerct(t,f,p)表示参数p条件下计算得到的dopplerct时频图，中τ表示t被积分量，y表示接收线谱信号，w表示窗函数，c表示声速，参数p＝[f0,c,v,τc,dc]，即线谱频率f0、声速c、速度v、正横时刻τc和正横距离dc。

29、第二方面，一种稳健的基于线谱多普勒频移估计运动声源速度的装置，包括初始化单元、stft时频谱图计算单元、初步多普勒参数估计单元、时频能量聚集度计算单元、迭代处理单元以及最终多普勒参数输出单元；

30、所述初始化单元，用于初始化计算参数，所述计算参数包括窗函数长度、傅里叶变换长度以及重叠长度；

31、所述stft时频谱图计算单元，用于根据计算参数执行短时傅里叶变换，以得到接收信号的stft时频谱图；

32、所述初步多普勒参数估计单元，用于根据stft时频谱图计算出未迭代时的多普勒有关参数，所述多普勒有关参数包括线谱频率、速度、正横时刻和正横距离；

33、所述时频能量聚集度计算单元，用于根据stft时频谱图计算时频能量聚集度；

34、所述迭代处理单元，用于根据dopplerct时频分析算法对多普勒有关参数进行迭代处理；

35、所述最终多普勒参数输出单元，用于当达到迭代停止要求后，输出最终的多普勒有关参数。

36、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一种稳健的基于线谱多普勒频移估计运动声源速度的方法。

37、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一种稳健的基于线谱多普勒频移估计运动声源速度的方法。

38、本发明与现有技术相比的有益效果是：通过初始化计算参数，根据计算参数执行短时傅里叶变换，以得到接收信号的stft时频谱图；根据stft时频谱图计算出未迭代时的多普勒有关参数；根据stft时频谱图计算时频能量聚集度；根据dopplerct时频分析算法对多普勒有关参数进行迭代处理；当达到迭代停止要求后，输出最终的多普勒有关参数。利用了时频图中的能量累积分布估计多普勒有关参数，以及以时频能量聚集度作为迭代收敛的判断标准，规避了线谱瞬时频率曲线提取问题，从而可以显著提升低信噪比环境下运动声源速度、正横距离等多普勒有关参数估计过程的稳健性。

39、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。