基于频域能量和群延时筛选的信道脉冲响应窗口估计方法与流程

本发明涉及水声信号处理技术领域，特别是涉及基于频域能量和群延时筛选的信道脉冲响应窗口估计方法。

背景技术：

水声建模与仿真是水声科学研究的重要手段之一，也是复杂水声系统在实际海洋环境下性能预测和分析的主要途径。复杂水声系统信号级仿真可实现水下声信息产生、传输、处理和感知全过程模拟，是完成水声系统仿真、分析、评估的关键。多传感器、多目标宽带信号实时模拟是水声信号级仿真的难点，需要建立具有良好海洋环境适应性、精确性和实时性的水声信道传播特性计算模型。

傅里叶综合(fouriersynthesis)法是使用最广泛的水声信道宽带建模方法之一，该方法以一定的频域分辨率多次调用传播模型代码，计算得到指定频带范围内的信道频率响应。傅里叶综合法原理简单、计算精度高，且适用于大多数现有的传播模型代码。但是，将傅里叶综合法得到的频率响应转换为脉冲响应函数时，为了保证时域不发生混叠，需要频率响应具有较高的分辨率。这使得传播模型代码调用次数多，计算量大，制约了傅里叶综合法在水声信号级实时仿真系统中的应用。传统的傅里叶综合法在进行脉冲响应函数时间窗起点估计时，采用了较为保守的估计方法，时间窗终点的估计利用了简正波的最小群速度，而当采用抛物方程模型计算频率响应时，无法给出简正波的群速度，加之信道多途传播导致了频率响应群延时发生畸变，使得脉冲响应函数时间窗终点确定非常困难。本发明针对以上问题，提出了一种基于频域能量-群延时联合筛选的信道脉冲响应窗口起始时间和终止时间估计方法。

技术实现要素：

为了解决上述存在的问题，本发明提供基于频域能量和群延时筛选的信道脉冲响应窗口估计方法，针对简正波群速度缺失、多途传播导致水声信道频率响应群延时发生畸变情况下，水声信道脉冲响应窗口起始时间和终止时间的估计问题，为达此目的，本发明提供基于频域能量和群延时筛选的信道脉冲响应窗口估计方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)参数初始化；

2)计算水声信道频率响应的群延时，并构成矩阵m；

3)将m按群延时进行升序排列，并构成矩阵t；

4)在矩阵t中搜索最小传播时延值对应的行号p和群延时中值对应的行号w；

5)以w为中心，设定频率范围，构造频率区间，统计所构造的频率区间内的频域能量e；

6)若e与频域总能量p的比值小于门限，则返回步骤5；否则，输出水声信道脉冲响应窗口的起始时间与终止时间。

作为本发明进一步改进，步骤1包括以下步骤：

设定水下声速最大值cmax，声源与接收器的距离r，最小传播时延值tmin＝r/cmax，计算频率范围[fl,fh]，采样频率fs，频率分辨率δf，信道频率响应序列长度n+1，门限值为η，变量j＝1。

作为本发明进一步改进，步骤2包括以下步骤：

根据频率序列fi、幅频响应序列ai、相频响应序列i＝0,1,…,n，利用(1)式计算频率响应的群延时序列：

将fk、τk、ak构成矩阵m，如(2)式所示：

其中，k＝1,…,n-1。

作为本发明进一步改进，步骤3包括以下步骤：

将矩阵m按第2列的值的大小进行升序排列，得到矩阵t，如(3)式所示：

其中，τ’1≤τ’2≤…≤τ’k≤…≤τ’n-1。

作为本发明进一步改进，步骤4包括以下步骤：

(5.1)在矩阵t的第2列中搜索第一个大于tmin的群延时值τ’p，p为对应的矩阵行号；

(5.2)在矩阵t的第2列中搜索群时延序列中值对应的行号，具体如(4)式所示：

作为本发明进一步改进，所述步骤5包括以下步骤：

(6.1)分别利用(5)式和(6)式确定a、b取值，构造频率区间[f’a,f’b]：

(6.2)利用(7)式计算区间[f’a,f’b]内频域能量e：

(6.3)利用(8)式计算频域总能量p：

(6.4)利用(9)式计算能量比值q：

作为本发明进一步改进，步骤6包括以下步骤：

(7.1)若q<η，则令j＝j+1，返回步骤5；

(7.2)若q≥η，则令矩阵t中第2列第a行的群延时值τ’a为信道脉冲响应窗口的起始时间，令矩阵t中第2列第b行的群延时值τ’b为信道脉冲响应窗口的终止时间。

本发明公开了一种基于频域能量和群延时筛选的信道脉冲响应窗口估计方法，可用于水声信道脉冲响应窗口估计。利用本发明的方法，可在简正波群速度缺失、多途传播导致水声信道频率响应群延时发生畸变情况下，实现水声信道脉冲响应窗口起始时间和终止时间的准确估计。与传统的傅里叶综合法相比，不需要简正波群速度信息，适用面更广。

附图说明

图1为本发明方法的实施流程图；

图2为实施例中与距离相关水声信道的幅频响应序列；

图3为实施例中与距离相关水声信道的相频响应序列；

图4为实施例中与距离相关水声信道的频率响应群延时序列；

图5为实施例中经过排序水声信道的幅频响应序列。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

本发明提供基于频域能量和群延时筛选的信道脉冲响应窗口估计方法，针对简正波群速度缺失、多途传播导致水声信道频率响应群延时发生畸变情况下，水声信道脉冲响应窗口起始时间和终止时间的估计问题。

实施例1：下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明。

基于频域能量和群延时筛选的信道脉冲响应窗口估计方法，如图1，包括以下步骤：

步骤1，参数初始化，具体步骤如下：

设定水下声速最大值cmax＝1534.74m/s，声源与接收器的距离r＝10000m，最小传播时延值tmin＝r/cmax＝6.5158s，计算频率范围fl＝100hz,fh＝500hz，采样频率fs＝10000hz，频率分辨率δf＝0.1hz，信道频率响应序列长度n+1＝801，其中n＝800，门限值为η＝0.926，变量j＝1。

步骤2，计算水声信道频率响应的群延时，并构成矩阵m，具体步骤如下：

信道的幅频响应序列和相频响应序列分别如图2和图3所示，根据频率序列fi、幅频响应序列ai、相频响应序列i＝0,1,…,n，利用(1)式计算频率响应的群延时序列，算出的群延时如图4所示，如(2)式将fk、τk、ak构成矩阵m，其中，k＝1,…,n-1。

步骤3，将矩阵m按群延时进行升序排列，并构成矩阵t，具体步骤如下：

将矩阵m按第2列的值的大小进行升序排列，得到如(3)式所示的矩阵t，其中，τ’1≤τ’2≤…≤τ’k≤…≤τ’n-1，经过排序的幅频响应序列如图5所示。

步骤4，在矩阵t中搜索最小传播时延值对应的行号p和群延时中值对应的行号w，包括如下步骤：

(4.1)在矩阵t的第2列中找到第一个大于tmin＝6.5158s的群延时值τ’p＝6.5166s，得到τ’p在矩阵t中对应的矩阵行号p＝127。

(4.2)在矩阵t的第2列中搜索群时延序列中值对应的行号，在本实施例中，n＝800为偶数，根据公式(4)，取w＝n/2＝400，得到矩阵t第二列的群延时序列的中值的行号w＝400。

步骤5，以w为中心，设定频率范围，构造频率区间，统计所构造的频率区间内的频域能量e，以群时延序列中值对应的频率为中心截取频率区间，不断增大区间范围，具体步骤如下：

(5.1)分别利用(5)式和(6)式确定a、b取值，其中w＝400，p＝127，n＝800，初始化j＝1，根据矩阵t第一列，a的初值为399，b的初值为401，构造频率区间[f’a,f’b]；

(5.2)利用(7)式计算区间[f’a,f’b]内频域能量e＝2.855×10^-4；

(5.3)利用(8)式计算频域总能量p＝3.193×10^-4；

(5.4)利用(9)式计算能量比值q＝e/p。

步骤6，若q小于门限，则返回步骤5；否则，输出水声信道脉冲响应窗口的起始时间与终止时间，具体步骤如下：

(6.1)若q<η，则令j＝j+1，返回步骤5；

(6.2)当q≥η时，j＝306，e＝2.957×10^-4，q＝0.9261，a＝127，b＝706，令矩阵t中第2列第a行的群延时值τ’a＝6.5166s为信道脉冲响应窗口的起始时间，令矩阵t中第2列第b行的群延时值τ’b＝6.8509s为信道脉冲响应窗口的终止时间。

实施例表明，在脉冲响应函数窗口估计过程中，不需要简正波群速度信息，并且有效地解决了多途传播导致的频率响应群延时畸变问题，确定了窗口的起始和终止时间，实现了对信道脉冲响应窗口的准确估计。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作任何其他形式的限制，而依据本发明的技术实质所作的任何修改或等同变化，仍属于本发明所要求保护的范围。