CN105336340B - 一种用于低空目标声探测系统的风噪抑制方法和装置 - Google Patents

一种用于低空目标声探测系统的风噪抑制方法和装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种所述用于低空目标声探测系统的风噪抑制方法和装置，该方法包括：采用低空目标声探测系统的传声器阵列采集目标辐射声信号；根据所述目标辐射声信号对目标进行多通道互相关性检测和单通道时域累积自相关检测，并对多通道互相关性检测结果和单通道时域累积自相关检测结果进行融合，获得目标检测结果；根据所述目标辐射声信号对所述风噪声进行估计，获得风噪声估计结果；根据所述风噪声估计结果和目标检测结果对所述目标辐射声信号中的风噪声进行抑制。基于低空目标的声谱特性和风噪声的声谱特性差异来检测识别目标信号，以上述结果对目标辐射声信号中风噪声进行抑制，提高信噪比，提升装备探测性能。

Description

一种用于低空目标声探测系统的风噪抑制方法和装置
技术领域
本实发明涉及低空目标检测技术领域，尤其涉及一种用于低空目标声探测系统的风噪抑制方法和装置。
背景技术
低空目标声探测系统是利用目标辐射的噪声对低空飞行目标如直升机、无人机等进行探测预警，弥补雷达、光电盲区的一种探测系统。对于低空目标远距离探测而言，目标声信号经远距离传播到达低空目标声探测系统的传声器时已经比较微弱，而且低空目标声探测系统在野外执行探测任务时不可避免地会受到风噪声的干扰，严重降低其采集目标声信号信噪比，影响系统探测性能。
目前声探测系统主要通过给传声器佩戴多孔聚合物防风罩来对抗风噪声。这种防风罩的特点是越致密越厚，其防风效果越好，但透声性能会下降，因此不利于微弱目标声信号的拾取。要达到比较好的透声效果，要么采用较为稀松的材料，要么采用较薄的致密材料，但这都会导致防风效果变差。
并且，由于对于低空目标远距离探测而言，目标声信号经远距离传播到达传声器时已经比较微弱，因此考虑信号拾取效果不能采用太厚、太致密的防风罩。所以现有系统主要采用不太致密的多孔聚合物防风罩来抑制比较弱的风噪声，对强风噪的抑制效果较差。由此带来的问题是现有的低空目标声探测系统在有风的情况下探测性能较差。
可见，在保证信号提取效果的基础上，现有低空目标声探测系统在有风的情况下无法有效抑制风噪声，探测性能较差。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于低空目标声探测系统的风噪抑制方法和装置，以解决上述问题。
所述用于低空目标声探测系统的风噪抑制方法，包括：
采用低空目标声探测系统的传声器阵列采集目标辐射声信号；
根据所述目标辐射声信号对目标进行检测；
根据所述目标辐射声信号对所述风噪声进行估计；
根据风噪声估计结果和目标检测结果对所述目标辐射声信号中的风噪声进行抑制。
本发明还公开了一种用于低空目标声探测系统的风噪抑制装置，该装置包括：
目标检测模块，所述目标检测模块与低空目标声探测系统相连，用于接收低空目标声探测系统的传声器阵列采集的目标辐射声信号，并根据所述目标辐射声信号对目标进行检测；
风噪声估计模块，所述风噪声估计模块与低空目标声探测系统相连，用于接收低空目标声探测系统的传声器阵列采集的目标辐射声信号，并对所述风噪声进行估计；
风噪声抑制模块，所述风噪声抑制模块分别与所述目标检测模块和风噪声估计模块相连，用于接收目标检测结果和风噪声估计结果，并根据风噪声估计结果和目标检测结果对所述目标辐射声信号中的风噪声进行抑制。
本发明所提供的用于低空目标声探测系统的风噪抑制方法和装置通过对目标进行多通道互相关性检测，并对目标进行单通道时域累积自相关检测，基于低空目标的声谱特性和风噪声的声谱特性差异来检测识别目标信号，以上述结果对所述目标辐射声信号中的风噪声进行抑制。因此，本发明所公开低空目标声探测系统的风噪抑制方法和装置可以有效抑制低空目标声探测系统采集信号的风噪声，提高其目标信号信噪比，进而提升装备探测性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对本发明实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的一种用于低空目标声探测系统的风噪抑制方法示意图；
图2为本发明提供的一种用于低空目标声探测系统的风噪抑制装置示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例公开了一种用于低空目标声探测系统的风噪抑制方法，如图1所示，该方法包括：
采用低空目标声探测系统的传声器阵列采集目标辐射声信号；
根据所述目标辐射声信号对目标进行多通道互相关性检测和单通道时域累积自相关检测，并对多通道互相关性检测结果和单通道时域累积自相关检测结果进行融合，获得目标检测结果；
根据所述目标辐射声信号对所述风噪声进行估计，获得风噪声估计结果；
根据所述风噪声估计结果和目标检测结果对所述目标辐射声信号进行滤波。
本发明所提供的低空目标声探测系统的风噪抑制方法通过对目标进行多通道互相关性检测，并对目标进行单通道时域累积自相关检测，基于低空目标的声谱特性和风噪声的声谱特性差异来检测识别目标信号，以上述结果对所述目标辐射声信号中的风噪声进行抑制。可以有效抑制低空目标声探测系统采集信号的风噪声，提高其目标信号信噪比，进而提升装备探测性能。
由于低空目标声探测系统采用传声器阵列采集目标辐射声信号，各个阵元采集到的目标经过延时补偿后有较强的相关性，而风噪声在不同通道之间基本没有相关性，根据所述特性对风噪声和低空目标声音进行检测，对于第i个阵元，首先选取离此阵元最近的第j阵元(目标相关性最强)，对这两个通道信号进行延时补偿。则对目标进行多通道互相关性检测的过程，包括：
对于所述传声器阵列中第i阵元的通道信号和离所述第i阵元最近的第j阵元的通道信号进行延时补偿：
其中，t为信号时间坐标，xi(t)为第i阵元的通道信号,xj(t-τ)第j阵元的通道信号，τ为延时时间，r(xi(t),xj(t-τ))为xi(t)和xj(t-τ)的时域相关系数，而则表示r(xi(t),xj(t-τ))取最大值时τ对应的值。
对延时补偿后的信号分频点计算xi(t)和xj(t-τ)的频域相关系数
其中，k为频点，l为帧数，为xi(t)的自功率谱、为xj(t-τ)的自功率谱，为xi(t)、xj(t-τ)的互功率谱，Xi为xi(t)的短时傅立叶变换，Xj为xj(t-τ)的短时傅立叶变换，此处为方便公式撰写，省去了Xi和Xj中的k和l。
如果不小于第一阈值θ1，则判断当前频段信号为目标信号，否则判断没有目标信号，多通道互相关性目标信号判定标志为f1(k,l)：
另外，低空飞行目标辐射噪声一般具有谐频线谱特性，针对线谱检测和提取已经有许多方法，如基于倒谱的方法、基于频域结构的方法。本实施例基于目标噪声线谱的持续特性，提出一种单通道时域累积自相关检测方法，可以更有效检测谐频线谱结构，进而检测区分出目标信号和风噪声信号。
由于目标距离传声器阵列较远，其多普勒频移可以忽略不计，因此其声信号基频和谐频频率短时间内基本不变，因此通过计算传声器采集信号一段时间的累积自相关，如果是目标信号，会表现出较强的相关性，如果是风噪声，相关性会较弱。
因此，对目标进行单通道时域累积自相关检测的过程，包括：
计算第i阵元的通道信号短时傅立叶变换Xi(k,l)的时域累积自相关系数
其中，k为频点，l为帧数，n为延时帧数，Xi(k,l+n)为第l+n帧、第k个频点的短时傅里叶变换，R(Xi(k,l),Xi(k,l+n))为Xi(k,l)、Xi(k,l+n)的频域相关系数。
如果不小于第二阈值θ2，则判断当前频段信号为目标信号，否则判断没有目标信号，单通道时域累积自相关目标信号判定标志为f2(k,l)：
可见，本发明所提供的低空目标声探测系统的风噪抑制方法基于低空目标的声谱特性和风噪声的声谱特性差异来检测识别目标信号。
进一步的，对多通道互相关性检测结果和单通道时域累积自相关检测结果进行融合，融合后的目标信号判定总标志ftarget(k,l)为：
其中，k为频点，l为帧数，ftarget(k,l)为目标信号判定总标志，f1(k,l)为多通道互相关性目标信号判定标志，f2(k,l)为单通道时域累积自相关目标信号判定标志。可见，融合后的目标信号判定总标志ftarget(k,l)也是基于低空目标的声谱特性和风噪声的声谱特性差异得到的。
所述根据所述目标辐射声信号对所述风噪声进行估计的过程，包括：
采用最小值控制递归平均(Minima Controlled Recursive Averaging，MCRA)算法估计平稳态噪声PN(k,l)；
检测信号功率谱能量强弱：
其中，mh(k,l)为信号功率谱能量强弱判定标志，PX(k,l)为带噪信号功率谱，θ3为第三阈值系数；
结合目标检测结果进行风噪估计，估计结果Pw(k,l)为：
所述根据风噪声估计结果和目标检测结果对所述目标辐射声信号进行滤波的过程，包括：
采用维纳滤波器对所述目标辐射声信号进行风噪抑制滤波，风噪抑制滤波结果G(k,l)为：
同时，根据目标检测结果进行线谱保护：
G(k±2,l±2)＝1,if ftarget(k,l)＝1，其中，G(k±2,l±2)为第(k-2)个频点到第(k+2)个频点、第(l-2)帧到第(l+2)帧的风噪抑制滤波结果。
可见，本发明实施例利用不同通道之间目标经过延时补偿后有较强的相关性，而风噪声在不同通道之间基本没有相关性；目标噪声线谱的持续特性的声谱特性差异来检测识别目标信号。可以有效抑制低空目标声探测系统采集信号的风噪声，提高其目标信号信噪比，进而提升装备探测性能。
本发明另一实施例提供了一种用于低空目标声探测系统的风噪抑制装置，如图2所示，包括：
目标检测模块，所述目标检测模块与低空目标声探测系统相连，用于接收低空目标声探测系统的传声器阵列采集的目标辐射声信号，并根据所述目标辐射声信号对目标进行多通道互相关性检测和单通道时域累积自相关检测，并对多通道互相关性检测结果和单通道时域累积自相关检测结果进行融合，获得目标检测结果；
风噪声估计模块，所述风噪声估计模块与低空目标声探测系统相连，用于接收低空目标声探测系统的传声器阵列采集的目标辐射声信号，并对所述风噪声进行估计；
风噪声抑制模块，所述风噪声抑制模块分别与所述目标检测模块和风噪声估计模块相连，用于接收目标检测结果和风噪声估计结果，并根据风噪声估计结果和目标检测结果对所述目标辐射声信号中的风噪声进行抑制。
其中，所述目标检测模块，包括：
多通道互相关性检测模块，所述多通道互相关性检测模块用于对目标进行多通道互相关性检测；
单通道时域累积自相关检测模块，所述单通道时域累积自相关检测模块用于对目标进行单通道时域累积自相关检测；
检测结果输出模块，所述检测结果输出模块分别与所述多通道互相关性检测模块和单通道时域累积自相关检测模块相连，用于接收多通道互相关性检测结果和单通道时域累积自相关检测结果，并对多通道互相关性检测结果和单通道时域累积自相关检测结果进行融合，获得目标检测结果。
本发明所提供的低空目标声探测系统的风噪抑制装置通过对目标进行多通道互相关性检测，并对目标进行单通道时域累积自相关检测。基于低空目标的声谱特性和风噪声的声谱特性差异来检测识别目标信号，以上述结果对所述目标辐射声信号中的风噪声进行抑制。则本发明所提供的低空目标声探测系统的风噪抑制装置可以有效抑制低空目标声探测系统采集信号的风噪声，提高其目标信号信噪比，进而提升装备探测性能。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (5)

1.一种用于低空目标声探测系统的风噪抑制方法，其特征在于，包括：
采用低空目标声探测系统的传声器阵列采集目标辐射声信号；
根据所述目标辐射声信号对目标进行多通道互相关性检测和单通道时域累积自相关检测，并对多通道互相关性检测结果和单通道时域累积自相关检测结果进行融合，获得目标检测结果；
对多通道互相关性检测结果和单通道时域累积自相关检测结果进行融合的目标信号判定总标志ftarget(k,l)为：
其中，k为频点，l为帧数，f1(k,l)为多通道互相关性目标信号判定标志，f2(k,l)为单通道时域累积自相关目标信号判定标志；
根据所述目标辐射声信号对风噪声进行估计，获得风噪声估计结果；
所述根据所述目标辐射声信号对所述风噪声进行估计的过程，包括：
采用最小值控制递归平均算法估计平稳态噪声PN(k,l)；
检测信号功率谱能量强弱：
其中，mh(k,l)为信号功率谱能量强弱判定标志，PX(k,l)为带噪信号功率谱，θ3为第三阈值系数；
结合目标检测结果进行风噪估计，估计结果Pw(k,l)为：
根据所述风噪声估计结果和目标检测结果对所述目标辐射声信号中的风噪声进行抑制；
所述根据风噪声估计结果和目标检测结果对所述目标辐射声信号中的风噪声进行抑制的过程，包括：
采用维纳滤波器对所述目标辐射声信号进行风噪抑制滤波，风噪抑制滤波结果G(k,l)为：
同时，根据目标检测结果进行线谱保护：
G(k±2,l±2)＝1,if ftarget(k,l)＝1，其中，G(k±2,l±2)为第(k-2)个频点到第(k+2)个频点、第(l-2)帧到第(l+2)帧的风噪抑制滤波结果。
2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述对目标进行多通道互相关性检测的过程，包括：
对于所述传声器阵列中第i阵元的通道信号和离所述第i阵元最近的第j阵元的通道信号进行延时补偿：
其中，t为信号时间坐标，xi(t)为第i阵元的通道信号,xj(t-τ)第j阵元的通道信号，τ为延时时间，r(xi(t),xj(t-τ))为xi(t)和xj(t-τ)的时域相关系数；
对延时补偿后的信号分频点计算xi(t)和xj(t-τ)的频域相关系数
其中，k为频点，l为帧数，为xi(t)的自功率谱、为xj(t-τ)的自功率谱，为xi(t)、xj(t-τ)的互功率谱；
如果不小于第一阈值θ1，则判断当前频段信号为目标信号，否则判断没有目标信号，多通道互相关性目标信号判定标志为f1(k,l)：
3.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述对目标进行单通道时域累积自相关检测的过程，包括：
计算第i阵元的通道信号xi(t)短时傅立叶变换Xi(k,l)的时域累积自相关系数
其中，k为频点，l为帧数，n为延时帧数，Xi(k,l+n)为第l+n帧、第k个频点的短时傅里叶变换，R(Xi(k,l),Xi(k,l+n))为Xi(k,l)、Xi(k,l+n)的频域相关系数；
如果不小于第二阈值θ2，则判断当前频段信号为目标信号，否则判断没有目标信号，单通道时域累积自相关目标信号判定标志为f2(k,l)：
4.一种用于低空目标声探测系统的风噪抑制装置，其特征在于，包括：
目标检测模块，所述目标检测模块与低空目标声探测系统相连，用于接收低空目标声探测系统的传声器阵列采集的目标辐射声信号，并根据所述目标辐射声信号对目标进行多通道互相关性检测和单通道时域累积自相关检测，并对多通道互相关性检测结果和单通道时域累积自相关检测结果进行融合，获得目标检测结果；
风噪声估计模块，所述风噪声估计模块与低空目标声探测系统相连，用于接收低空目标声探测系统的传声器阵列采集的目标辐射声信号，并对所述风噪声进行估计；
风噪声抑制模块，所述风噪声抑制模块分别与所述目标检测模块和风噪声估计模块相连，用于接收目标检测结果和风噪声估计结果，并根据风噪声估计结果和目标检测结果对所述目标辐射声信号中的风噪声进行抑制。
5.根据权利要求4所述装置，其特征在于，所述目标检测模块，包括：
多通道互相关性检测模块，所述多通道互相关性检测模块用于对目标进行多通道互相关性检测；
单通道时域累积自相关检测模块，所述单通道时域累积自相关检测模块用于对目标进行单通道时域累积自相关检测；
检测结果输出模块，所述检测结果输出模块分别与所述多通道互相关性检测模块和单通道时域累积自相关检测模块相连，用于接收多通道互相关性检测结果和单通道时域累积自相关检测结果，并对多通道互相关性检测结果和单通道时域累积自相关检测结果进行融合，获得目标检测结果。
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