CN109506762A - 基于滤波器的水听器接收信号修正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于滤波器的水听器接收信号修正方法，包括以下步骤，根据水听器的出厂报告中灵敏度值进行插值，得到插值后的水听器灵敏度曲线。设置水听器的参考灵敏度，将该参考灵敏度与插值后的水听器灵敏度曲线做差，得到各个频点需要修正的强度值。计算FIR滤波器期望频率响应，并且计算FIR滤波器设计的频率响应。将FIR滤波器设计的频率响应逼近FIR滤波器期望频率响应，然后利用二阶锥规划方法设计出满足期望响应的FIR滤波器，最后利用设计的FIR滤波器对待修正的数字信号进行滤波修正。该方法实时性好、实用性强、准确性高，并可适用于单频/宽带等各类信号的修正。

Description

基于滤波器的水听器接收信号修正方法

技术领域

本发明属于水下声学测量技术领域，尤其涉及一种基于滤波器的水听器接收信号修正方法。

背景技术

水听器又称接收换能器，用于接收水下的声信号并将声信号转换为与之成一定比例的电压信号，是水声测量不可或缺的设备。水听器的灵敏度表征了水听器接收声压与输出电压的转换比例。由于水听器的制作工艺受限，导致水听器对不同频率信号的敏感程度存在一定差异，即水听器不同频率的灵敏度存在一定的起伏。

目前，大多数的声学采集设备都是通过设置固定的参考灵敏度进行压电换算，由于实际灵敏度与参考灵敏度的不同，导致了测量信号与实际信号出现偏差，需要根据实际灵敏度曲线对接收信号进行修正。

传统的水听器灵敏度修正主要是基于单个频点的幅度修正，即通过该频点灵敏度与参考灵敏度的差异直接对接收信号乘以相应的幅度系数，该方法无法对宽带信号进行准确修正。而目前针对水听器接收的宽带信号修正方法大多基于傅里叶变换的频域处理，由于傅里叶变换是一种分块处理的方式，需要一定的时间积累，且经过反傅里叶变化后的时域各块数据不连续，相位信息发生畸变，导致无法恢复准确连续的宽带时域信号。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种基于滤波器的水听器接收信号修正方法，该方法实时性好、实用性强、准确性高，并可适用于单频/宽带等各类信号的修正。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种基于滤波器的水听器接收信号修正方法，步骤一，根据水听器的出厂报告中灵敏度值进行插值，得到插值后的水听器灵敏度曲线水听器的参考灵敏度设置为M，将该参考灵敏度与插值后的水听器灵敏度曲线做差，得到各个频点需要修正的强度值，表达式：

步骤二，计算FIR滤波器期望频率响应H_d(f_k)；计算FIR滤波器设计的频率响应 H_n(f_k)。

步骤三，将FIR滤波器设计的频率响应H_n(f_k)逼近FIR滤波器期望频率响应H_d(f_k)。

步骤四，利用二阶锥规划方法设计出满足期望响应的FIR滤波器。

步骤五，利用设计的FIR滤波器对待修正的数字信号进行滤波修正。

按上述技术方案，所述步骤二中，FIR滤波器的系数为h，长度为L，群时延为 (L-1)/2个采样点，其中L＝2ⁿ+1，n为整数，滤波器的长度越长，设计精度越高，但滤波器的群时延越大，运算量也越大。滤波器的长度应根据实际需要视情调整。计算FIR滤波器期望频率响应H_d(f_k)，具体为：

其中，f_s为已采集数字信号的采样率，A(f_k)为滤波器的幅度修正值，f_k为需要设计的离散化频点，F为全频带的频率，K为频率离散点数。

为了获取准确的时域接收信号，便需要在保证相位不变的基础上对已采集的数字信号进行幅度修正。由于FIR滤波器具有良好线性相位的优势，本方法先将各个频点修正的强度值Δ(f)转化为幅度修正值A(f)，再将幅度修正值作为期望的滤波器幅频响应，并设计出满足该幅频特性的FIR滤波器。

计算FIR滤波器设计的频率响应H_n(f_k)，具体为：

其中T表示矩阵转秩。

按上述技术方案，所述步骤三中，将FIR滤波器设计的频率响应H_n(f_k)逼近FIR滤波器期望频率响应H_d(f_k)，具体为，其约束信号带宽内所有设计频点的误差总和最小，表达式为：

其中，λ(f_k)为各频点的加权系数，ξ_k为设计带宽内频点误差。

按上述技术方案，所述步骤二中，f_k为水听器接收信号的带宽。

按上述技术方案，所述步骤四中，利用二阶锥规划进行式(5)的约束函数的极值求解，二阶锥规划表达式为：

Py≤q

Fy＝g (6)

令y＝ξ，n＝[1,1,…,1]^T，F＝1，g＝ξ，式(5)中的滤波器设计满足二阶锥规划的标准表达式，其中A_iy、b_i、q、g、y、ξ为复数向量，d_i为实数，P、F为复数矩阵， T表示矩阵转秩。

按上述技术方案，所述步骤一种，按照1kHz的频率间隔对灵敏度进行插值，使用的插值方法为拉格朗日插值方法或者三次样条插值方法。

本发明的原理是：设定一个参考灵敏度，用该参考值与水听器灵敏度曲线做差，获得各频点需要修正的灵敏度强度，即幅频特性；利用二阶锥规划方法设计出满足该幅频特性的FIR滤波器；利用设计的FIR滤波器对待处理的接收信号进行数字滤波，实现幅度修正。

本发明产生的有益效果是：由于本方法仅在时域上利用FIR滤波器对已采集的数字信号进行处理，具有良好的线性相位，且同时适用于单频信号和宽带信号。本方法克服了目前宽带信号修正方法中，频域分块处理时间积累呆滞各块数据在其前后部分发生畸变的缺陷，保证了信号的线性相位，方便快捷的获得了准确连续的时域信号，为获取更准确的声学信号特征奠定了基础，其在应用上的有效收益有：1)有利于水下声学信号时域信息的准确测量，为信号级的仿真环境建设提供数据支撑；2)有利于水下声学设备声源级、谱级等声学指标的准确测量，为设备的校验提供数据支撑；3)有利于水下声学设备之间的声兼容隔离度准确测量，为水下多型设备的综合使用提供数据支撑。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例中水听器的归一化灵敏度值和期望修正的幅度值；

图2是本发明实施例中FIR滤波器示意图；

图3是本发明实施例中基于滤波器设计的灵敏度修正流程图；

图4是本发明实施例中不同频点的幅度修正值；

图5是本发明实施例中滤波器的相位特性；

图6是本发明实施例中宽带信号的原始时域波形；

图7是本发明实施例中水听器接收采集的时域波形；

图8是本发明实施例中幅度修正后的时域波形。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

由于参考灵敏度为一个固定值，而水听器不同频点的灵敏度有所不同，因此，想要对接收信号进行准确修正，就需要对每个频点进行准确修正。通过参考灵敏度与水听器各频点的灵敏度便可获知各频点需要具体修正的强度大小，而如何实现对各频点信号的修正就是本发明要解决的核心问题。图1是本发明实施例中水听器的归一化灵敏度值和期望修正的幅度值。

对信号进行修正可以从时域和频域两种途径进行。而频域处理是一种分块处理的方式，需要一定的时间积累，因此实时性受限制，且反傅里叶变换得到的时域各块数据在其前后部分发生畸变，导致时域各块数据不连续。基于此，本发明从时域入手，通过时域滤波的方式对信号进行修正。由此，涉及以下几个技术问题：

1)水听器接收信号幅度修正值计算。

由于大多数水听器的出厂报告中灵敏度值在频率上分布不均，且仅在某些频点上有值，为了能对其他频率进行更准确的补偿，需先按照合理的频率间隔对灵敏度进行插值，获得更为细致的灵敏度曲线，再根据参考灵敏度和水听器的灵敏度曲线，计算各频点需要进行的幅度修正值。

2)基于水听器幅度修正值的FIR滤波器设计。

通过时域滤波的方式对信号进行修正，需将各频点的幅度修正值作为期望的滤波器幅频响应，设计出满足该幅频响应的FIR滤波器系数。如何设计出满足该幅频响应特性且具有线性相位特性的滤波器，就是本发明需要重点解决的问题。

为此本发明实施例中，提供一种基于滤波器的水听器接收信号修正方法，步骤一，根据水听器的出厂报告中灵敏度值进行插值，得到插值后的水听器灵敏度曲线水听器的参考灵敏度设置为M，将该参考灵敏度与插值后的水听器灵敏度曲线做差，得到各个频点需要修正的强度值，表达式：

步骤二，计算FIR滤波器期望频率响应H_d(f_k)；计算FIR滤波器设计的频率响应 H_n(f_k)。

步骤三，将FIR滤波器设计的频率响应H_n(f_k)逼近FIR滤波器期望频率响应H_d(f_k)。

步骤四，利用二阶锥规划方法设计出满足期望响应的FIR滤波器。

步骤五，利用设计的FIR滤波器对待修正的数字信号进行滤波修正。

进一步地，所述步骤二中，FIR滤波器的系数为h，长度为L，群时延为(L-1)/2个采样点，其中L＝2ⁿ+1，n为整数，滤波器的长度越长，设计精度越高，但滤波器的群时延越大，运算量也越大。滤波器的长度应根据实际需要视情调整。滤波器的示意图如图2 所示。计算FIR滤波器期望频率响应H_d(f_k)，具体为：

其中，f_s为已采集数字信号的采样率，A(f_k)为滤波器的幅度修正值，f_k为需要设计的离散化频点，F为全频带的频率，K为频率离散点数。

为了获取准确的时域接收信号，便需要在保证相位不变的基础上对已采集的数字信号进行幅度修正。由于FIR滤波器具有良好线性相位的优势，本方法先将各个频点修正的强度值Δ(f)转化为幅度修正值A(f)，再将幅度修正值作为期望的滤波器幅频响应，并设计出满足该幅频特性的FIR滤波器。图3是本发明实施例中基于滤波器设计的灵敏度修正流程图。

计算FIR滤波器设计的频率响应H_n(f_k)，具体为：

其中T表示矩阵转秩。

进一步地，所述步骤三中，将FIR滤波器设计的频率响应H_n(f_k)逼近FIR滤波器期望频率响应H_d(f_k)，具体为，其约束信号带宽内所有设计频点的误差总和最小，表达式为：

其中，λ(f_k)为各频点的加权系数，ξ_k为设计带宽内频点误差。

进一步地，所述步骤二中，f_k为水听器接收信号的带宽。

进一步地，所述步骤四中，利用二阶锥规划进行式(5)的约束函数的极值求解，二阶锥规划表达式为：

Py≤q

Fy＝g (6)

令y＝ξ，n＝[1,1,…,1]^T，F＝1，g＝ξ，式(5)中的滤波器设计满足二阶锥规划的标准表达式，其中A_iy、b_i、q、g、y、ξ为复数向量，d_i为实数，P、F为复数矩阵， T表示矩阵转秩。

进一步地，所述步骤一种，按照1kHz的频率间隔(也可根据实际需要进行相应调整) 对灵敏度进行插值，使用的插值方法为拉格朗日插值方法或者三次样条插值方法。

图4中点线为设计出的滤波器幅频特性，可以看出，在设计的频带内滤波器的幅频响应与期望的灵敏度修正值吻合很好。图5为设计滤波器的相频率特性，可以看出，在设计的频带内滤波器具有线性相位特性，在幅度修正的同时，确保了信号相位信息的准确性。

对水听器接收并经过采集的数字信号进行幅度修正，图6为宽带信号的原始时域波形，图7为水听器接收采集的时域波形，图8为幅度修正后的时域波形。可以看出，图7中水听器接收采集的时域波形已失真，利用本方法进行幅度修正后可以更准确还原出实际的宽带时域信号，为获取更准确的声学信号特征奠定了基础。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于滤波器的水听器接收信号修正方法，其特征在于，步骤一，根据水听器的出厂报告中灵敏度值进行插值，得到插值后的水听器灵敏度曲线水听器的参考灵敏度设置为M，将该参考灵敏度与插值后的水听器灵敏度曲线做差，得到各个频点需要修正的强度值，表达式：

步骤二，计算FIR滤波器期望频率响应H_d(f_k)；计算FIR滤波器设计的频率响应H_n(f_k)；

步骤三，将FIR滤波器设计的频率响应H_n(f_k)逼近FIR滤波器期望频率响应H_d(f_k)；

步骤四，利用二阶锥规划方法设计出满足期望响应的FIR滤波器；

步骤五，利用设计的FIR滤波器对待修正的数字信号进行滤波修正。

2.根据权利要求1所述的基于滤波器的水听器接收信号修正方法，其特征在于，所述步骤二中，FIR滤波器的系数为h，长度为L，群时延为(L-1)/2个采样点，其中L＝2ⁿ+1，n为整数，计算FIR滤波器期望频率响应H_d(f_k)，具体为：

其中，f_s为已采集数字信号的采样率，A(f_k)为滤波器的幅度修正值，f_k为需要设计的离散化频点，F为全频带的频率，K为频率离散点数；

计算FIR滤波器设计的频率响应H_n(f_k)，具体为：

其中T表示矩阵转秩。

3.根据权利要求2所述的基于滤波器的水听器接收信号修正方法，其特征在于，所述步骤三中，将FIR滤波器设计的频率响应H_n(f_k)逼近FIR滤波器期望频率响应H_d(f_k)，具体为，其约束信号带宽内所有设计频点的误差总和最小，表达式为：

其中，λ(f_k)为各频点的加权系数，ξ_k为设计带宽内频点误差。

4.根据权利要求2所述的基于滤波器的水听器接收信号修正方法，其特征在于，所述步骤二中，f_k为水听器接收信号的带宽。

5.根据权利要求3所述的基于滤波器的水听器接收信号修正方法，其特征在于，所述步骤四中，利用二阶锥规划进行式(5)的约束函数的极值求解，二阶锥规划表达式为：

Py≤q

Fy＝g (6)

令y＝ξ，n＝[1,1,…,1]^T，F＝1，g＝ξ，式(5)中的滤波器设计满足二阶锥规划的标准表达式，其中A_iy、b_i、q、g、y、ξ为复数向量，d_i为实数，P、F为复数矩阵，T表示矩阵转秩。

6.根据权利要求1或2所述的基于滤波器的水听器接收信号修正方法，其特征在于，所述步骤一种，按照1kHz的频率间隔对灵敏度进行插值，使用的插值方法为拉格朗日插值方法或者三次样条插值方法。