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

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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。
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