CN104535989A - 浅海多途声信号分解方法 - Google Patents

浅海多途声信号分解方法 Download PDF

Info

Publication number
CN104535989A
CN104535989A CN201510012169.3A CN201510012169A CN104535989A CN 104535989 A CN104535989 A CN 104535989A CN 201510012169 A CN201510012169 A CN 201510012169A CN 104535989 A CN104535989 A CN 104535989A
Authority
CN
China
Prior art keywords
signal
shallow sea
many ways
signals
arx model
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201510012169.3A
Other languages
English (en)
Other versions
CN104535989B (zh
Inventor
赵安邦
何呈
惠娟
牛芳
宋雪晶
祝令国
程越
曾才高
毕雪洁
马琳
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Harbin Engineering University
Original Assignee
Harbin Engineering University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Harbin Engineering University filed Critical Harbin Engineering University
Priority to CN201510012169.3A priority Critical patent/CN104535989B/zh
Publication of CN104535989A publication Critical patent/CN104535989A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN104535989B publication Critical patent/CN104535989B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/52—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S15/00
    • G01S7/523—Details of pulse systems
    • G01S7/526—Receivers
    • G01S7/527—Extracting wanted echo signals
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S15/00—Systems using the reflection or reradiation of acoustic waves, e.g. sonar systems
    • G01S15/02—Systems using the reflection or reradiation of acoustic waves, e.g. sonar systems using reflection of acoustic waves
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/52—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S15/00
    • G01S7/534—Details of non-pulse systems
    • G01S7/536—Extracting wanted echo signals

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Measurement Of Velocity Or Position Using Acoustic Or Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

本发明公开了一种浅海多途声信号分解方法。包括以下步骤：声纳发射装置发射信号，声纳接收装置接收信号；从接收到的信号提取出各个多途声信号的延迟；根据提取出的延迟对发射的信号做时延，获得一个实源信号和N-1个虚源信号；将得到的实源信号和N-1个虚源信号作为输入，将接收到的信号作为输出，构建ARX模型；令第k个虚源信号为输入，送入ARX模型，其余k-1个虚源信号设置为0，得到一条声信号；令k＝k+1，重复上一步，直到k＝N，得到N条声信号。本发明有效提高了多途信号的可分解性。

Description

浅海多途声信号分解方法
技术领域
本发明属于信号处理领域，尤其涉及能够得到各个多途子信号的，浅海多途声信号分解方法。
背景技术
中国大部分海域为浅海，很多水声设备在浅海中工作。浅海中影响声传播与接收的一个关键因素是多途干扰，在水声通信系统中造成码间干扰，影响通信速率；在目标回声测试中，使目标的入射波在时间和空间上混叠，无法获得目标在固定方向的响应。多途信号分离能够降低接收干扰，提高设备在浅海中的工作性能。研究浅海多途信号分离具有重要理论意义和实用价值。
浅海中声传播问题研究始于十九世纪初，此后，人们对此问题上展开了持续的研究。在1944年，Pekeris为了解释爆炸脉冲在浅海中传播问题，提出了浅海声传播模型。随后，Smith计算了浅海平均脉冲响应，Schneider计算了浅海中粗糙海底界面散射，这些研究主要研究浅海信道的传播损失，用于估测声纳作用距离，这也是至今大多数浅海信道研究一个重要方向，但未对点声源的声线做研究。Weinberg和Burridge提出了射线声学模型，将点声源的浅海信道使用垂直和水平的2D声线表示。目前，对浅海点声源信道的研究仍使用此方法，通过求解信道本征声线得到声信道的冲击响应函数，每条声线使用具有幅度和时延的δ函数表示。这种方法简化了声线对声波的作用，无法体现各个子信道的频率和相位特性，具有较大局限性。浅海中，各个多途子信道对发射信号具有怎样的影响，如何分离各个多途子信号，目前，国内外鲜见对此方向深入探讨的报道。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够分离各个多途子信号的，浅海多途声信号分解方法。
本发明是通过以下技术方案实现的：
浅海多途声信号分解方法，包括以下几个步骤：
步骤一：声纳发射装置发射信号x(t)，声纳接收装置接收信号y(t)；
步骤二：从接收到的信号y(t)提取出各个多途声信号的延迟τi,i＝0,1,…,N-1，N为浅海信道的多途个数；
步骤三：根据提取出各个多途声信号的延迟τi对发射的信号x(t)做时延，获得一个实源信号x(t-τ0)和N-1个虚源信号x(t-τi),i＝1,…,N-1；
步骤四：将得到的实源信号x(t-τ0)和N-1个虚源信号x(t-τi)作为输入，将接收到的信号y(t)作为输出，构建ARX模型，求解ARX模型的系数及阶数；
步骤五：令第k个虚源信号为输入，送入ARX模型，其余k-1个虚源信号设置为0，得到一条声信号；
步骤六：令k＝k+1，重复步骤五，直到k＝N，得到N条声信号。
本发明浅海多途声信号分解方法，还可以包括：
1、构建ARX模型为：
Ay ( t ) = B 0 x ( t - τ 0 ) + B 1 x ( t - τ 1 ) + . . . + B N - 1 x ( t - τ N - 1 ) A = 1 + a 1 q - 1 + . . . + a n q - n B 0 = b 01 + b 02 q - 1 + . . . + b 0 n q - n + 1 B 1 = b 11 + b 12 q - 1 + . . . + b 1 n q - n + 1 . . . B N - 1 = b ( N - 1 ) 1 + b ( N - 1 ) 2 q - 1 + . . . + b ( N - 1 ) n q - n + 1
其中，ai和bji是ARX模型的参数，i＝1,2,…,n；j＝0,1,…,N-1，n为ARX模型的阶次，q为延迟因子。
2、从接收到的信号y(t)提取出各个多途声信号的延迟τi采用的方法为分数阶傅立叶变换方法或者拷贝相关法。
有益效果：
本发明将声传播过程使用ARX模型建模，与水声领域的其他模型相比，是一种相对完备且简洁有效的建模方法；由于ARX模型中引入噪声参量e(t)，模型具有较高的稳健性和较强的抗干扰性能，适合工程应用；将浅海界面对声接收的影响等效为多个虚源的作用，增加了信号的维度，有效提高了多途信号的可分解性。以发射的电信号作为虚源的参考，将声发射以及声接收的系统函数均包含在ARX模型中，操作程序大大简化，具有很强的可操作性。
附图说明
图1为浅海多途声信号分解方法流程图；
图2为多途声信号的传输示意图；
图3为图2的虚源法示意图；
图4(a)为驱动换能器的电信号；
图4(b)为水听器接收到的声信号；
图5为图4(b)的最优次分数阶傅立叶变换输出；
图6中为ARX的输出；
图7(a)为ARX预测输出的直达声，图7(b)为消声水池实测得到的直达声信号；
图8(a)第1个多途信号，图8(b)第2个多途信号，图8(c)第3个多途信号，图8(d)第4个多途信号，图8(e)第5个多途信号，图8(f)第6个多途信号。
具体实施方式
下面将结合图1～图8对本发明做进一步详细说明。
本发明浅海多途声信号分解方法分为以下几个步骤：
(1)声纳发射装置与接收装置的分布如图2所示；
(2)使用电信号x(t)驱动声纳发射装置，如图4(a)所示；
(3)声纳接收装置接收到的声压信号为y(t)，如图4(b)所示；
(4)对信号y(t)做分数阶傅立叶变换，并取最优阶次(令此时α＝α0)输出，输出为时频域u和幅度的曲线，如图5所示；
(5)提取图5中7个主要峰值在u域的取值ui(i＝0,1,…,6)，并使用公式(2)转换为时延参数τi(i＝0,1,…,6)；
τ i = u i cos α 0
(6)按照τi构建出7个信号(1个实源和6个虚源)x(t-τi),(i＝0,1,…,6)；虚源的示意图如图3所示。
(7)构建一个7输入1输出的ARX模型，并以x(t-τi),(i＝0,1,…,6)为输入、y(t)为输出，使用最速下降法确定ARX模型的阶次，并求解出ARX模型参数；图6为ARX模型的输出，与图4(b)具有很好的一致性。
(8)对求解得到的ARX模型，以单一信号x(t-τ0)作为输入，其余6个输入设为0，得到直达波信号，如图7(a)所示。图7(b)为消声水池的测量结果，与图7(a)对比验证了算法的有效性。
(9)逐一将信号x(t-τk),k∈{1,…,6}作为ARX模型的输入，模型的其他输入端口设为0，得到另外6条声线的输出，如图8(a)～(f)所示。ARX模型各个输入对应的传递函数即为浅海各条声线对应的传递函数。
现对本发明做几点说明：
1、以x(t-τi),(i＝0,1,…,N-1)为输入，y(t)为输出，代入ARX模型(如公式(1)所示)，求解一多输入单输出ARX模型的系数ai(i＝1,2,…,n)，bji(j＝0,1,…,N-1；i＝1,2,…,n)(n为ARX模型的阶次)；
2、x(t)为驱动声纳设备的电信号；
3、发射声信号尽可能使用宽带信号；
4、若发射信号为线性调频信号，使用分数阶傅立叶变换求解时延参数；其他则使用拷贝相关法；
5、ARX模型的阶次由最速下降法得出。

Claims (3)

1.浅海多途声信号分解方法，其特征在于，包括以下几个步骤：
步骤一：声纳发射装置发射信号x(t)，声纳接收装置接收信号y(t)；
步骤二：从接收到的信号y(t)提取出各个多途声信号的延迟τi,i＝0,1,…,N-1，N为浅海信道的多途个数；
步骤三：根据提取出各个多途声信号的延迟τi对发射的信号x(t)做时延，获得一个实源信号x(t-τ0)和N-1个虚源信号x(t-τi),i＝1,…,N-1；
步骤四：将得到的实源信号x(t-τ0)和N-1个虚源信号x(t-τi)作为输入，将接收到的信号y(t)作为输出，构建ARX模型，求解ARX模型的系数及阶数；
步骤五：令第k个虚源信号为输入，送入ARX模型，其余k-1个虚源信号设置为0，得到一条声信号；
步骤六：令k＝k+1，重复步骤五，直到k＝N，得到N条声信号。
2.根据权利要求1所述的浅海多途声信号分解方法，其特征在于：所述的构建ARX模型为：
Ay ( t ) = B 0 x ( t - τ 0 ) + B 1 x ( t - τ 1 ) + . . . + B N - 1 x ( t - τ N - 1 ) A = 1 + a 1 q - 1 + . . . + a n q - n B 0 = b 01 + b 02 q - 1 + . . . + b 0 n q - n + 1 B 1 = b 11 + b 12 q - 1 + . . . + b 1 n q - n + 1 . . . B N - 1 = b ( N - 1 ) 1 + b ( N - 1 ) 2 q - 1 + . . . + b ( N - 1 ) n q - n + 1
其中，ai和bji是ARX模型的参数，i＝1,2,…,n；j＝0,1,…,N-1，n为ARX模型的阶次，q为延迟因子。
3.根据权利要求1所述的浅海多途声信号分解方法，其特征在于：所述的从接收到的信号y(t)提取出各个多途声信号的延迟τi采用的方法为分数阶傅立叶变换方法或者拷贝相关法。
CN201510012169.3A 2015-01-09 2015-01-09 浅海多途声信号分解方法 Active CN104535989B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201510012169.3A CN104535989B (zh) 2015-01-09 2015-01-09 浅海多途声信号分解方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201510012169.3A CN104535989B (zh) 2015-01-09 2015-01-09 浅海多途声信号分解方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN104535989A true CN104535989A (zh) 2015-04-22
CN104535989B CN104535989B (zh) 2017-06-20

Family

ID=52851551

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201510012169.3A Active CN104535989B (zh) 2015-01-09 2015-01-09 浅海多途声信号分解方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN104535989B (zh)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108459316A (zh) * 2018-02-01 2018-08-28 东南大学 一种多途信道下的回波信号参数估计方法
CN112083427A (zh) * 2020-09-14 2020-12-15 哈尔滨工程大学 一种冰下无人潜航器测距方法
CN112466330A (zh) * 2020-11-11 2021-03-09 东南大学 一种多途信道下噪声源的声源级估计方法
CN117169862A (zh) * 2023-08-09 2023-12-05 中国科学院声学研究所 基于射线声学的深海宽带信号波形快速模拟方法及系统

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101900601A (zh) * 2010-04-02 2010-12-01 哈尔滨工程大学 复杂多途水声环境下直达声辨识方法
CN103840893A (zh) * 2013-07-29 2014-06-04 哈尔滨工程大学 一种水声多途信道下声脉冲信号重构方法
CN104168232A (zh) * 2014-08-11 2014-11-26 厦门大学 一种水声信道中多径时延与多普勒频移的测定方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101900601A (zh) * 2010-04-02 2010-12-01 哈尔滨工程大学 复杂多途水声环境下直达声辨识方法
CN103840893A (zh) * 2013-07-29 2014-06-04 哈尔滨工程大学 一种水声多途信道下声脉冲信号重构方法
CN104168232A (zh) * 2014-08-11 2014-11-26 厦门大学 一种水声信道中多径时延与多普勒频移的测定方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
杨晓: "基于ARX模型的网络流量异常检测", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库 信息科技辑》 *
薛帅兵: "浅海水声信号多途时延估计", 《中国优秀博硕士学位论文全文数据库 (硕士) 工程科技Ⅱ辑》 *

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108459316A (zh) * 2018-02-01 2018-08-28 东南大学 一种多途信道下的回波信号参数估计方法
CN108459316B (zh) * 2018-02-01 2020-07-31 东南大学 一种多途信道下的回波信号参数估计方法
CN112083427A (zh) * 2020-09-14 2020-12-15 哈尔滨工程大学 一种冰下无人潜航器测距方法
CN112083427B (zh) * 2020-09-14 2023-09-19 哈尔滨工程大学 一种冰下无人潜航器测距方法
CN112466330A (zh) * 2020-11-11 2021-03-09 东南大学 一种多途信道下噪声源的声源级估计方法
CN117169862A (zh) * 2023-08-09 2023-12-05 中国科学院声学研究所 基于射线声学的深海宽带信号波形快速模拟方法及系统
CN117169862B (zh) * 2023-08-09 2024-03-26 中国科学院声学研究所 基于射线声学的深海宽带信号波形快速模拟方法及系统

Also Published As

Publication number Publication date
CN104535989B (zh) 2017-06-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN109815942B (zh) 基于海洋环境噪声信号的简正波特征提取方法
CN102183435B (zh) 一种基于多路径反射理论的海底密度和声速测量方法
CN104535989A (zh) 浅海多途声信号分解方法
CN103076594B (zh) 一种基于互相关的水声脉冲信号双阵元定位的方法
CN103244104B (zh) 利用频散校正提取套管波衰减率的方法
CN106019288A (zh) 基于简正波模态消频散变换的声源距离深度估计方法
KR101580427B1 (ko) 시변 수중음향통신 채널을 위한 도플러 주파수 추정 및 수신방법
CN105181800B (zh) 基于多通道空时逆滤波技术的声学覆盖层回声降低测量方法
CN103713276B (zh) 基于最小互熵谱分析的波达方向估计方法
RU2012125392A (ru) Способ и устройство для измерения расстояния от узла до поверхности в сети акустических узлов
CN105223271A (zh) 一种有限空间条件下水声无源材料隔声量时反聚焦测量方法
CN103245942B (zh) 一种基于mimo阵列的无失真扇扫成像方法
CN102333052B (zh) 一种适用于浅海低频条件的水声信号盲解卷方法
CN103076590A (zh) 一种基于频率预估的水声脉冲信号的定位方法
CN101387701A (zh) 一种基于前向预测的被动时间反转混响抑制方法
CN105158734B (zh) 一种基于阵不变量的单矢量水听器被动定位方法
CN104168232A (zh) 一种水声信道中多径时延与多普勒频移的测定方法
CN108429591A (zh) 一种适用于深海信道的多载波水声通信方法
CN105116371B (zh) 一种基于连续发射调频信号的目标定位方法与装置
CN104901776B (zh) 一种基于参量阵的差分Pattern时延差编码水声通信方法
CN105978833A (zh) 一种改进的sage信道参数估计方法
CN104199013B (zh) 一种能在有限水域内降低测试频率的方法
CN104580055B (zh) 一种基于构造目标导函数确定区间搜索的多普勒估计方法
CN114070408B (zh) 一种跨冰介质声通信波形设计方法
CN104215964A (zh) 一种多列等差频率原波相互作用形成参量阵的声场获取方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant