CN109669160B - 一种水下瞬态声信号的检测方法 - Google Patents

Abstract

一种水下瞬态声信号的检测方法，属于多探测节点波形未知、频带未知的水下瞬态声信号检测领域。本发明为了提高对波形未知、频带未知瞬态信号的检测的稳定性，采用由多个以水听器阵为探测节点构成的探测网络，多节点则可以通过相关测得信号到达各节点之间的时延差，实现对声源位置的定位，从而估计出信号到达各测点的相对时间及相对幅度，从而达到剔除干扰的目的。充分利用信号的时频特性和空间相干特性，采取节点级和系统级联合检测的方式实现对瞬态信号的稳健检测。本发明适用于水下声信号检测使用。

Description

一种水下瞬态声信号的检测方法

技术领域

本发明属于多探测节点波形未知、频带未知的水下瞬态声信号检测领域，主要涉及信号检测和多节点协同定位技术。

背景技术

信号检测的根本任务是找出信号与噪声或干扰的区别。对于海洋环境噪声的特征信息有可能较为充分地掌握。而瞬态信号的特征是时域波形急剧变化、持续时间短，通常具有非平稳、宽频带、能量集中等特点。通常的做法是采用滤波的手段从时域或频域滤除噪声的影响，对信号的能量做出最优估计，从而实现对信号的检测。现有常采用单个水听器采集瞬态信号，单个水听器接收到的瞬态信号，由于信号的波形未知、频带未知，可以考虑采用分频带的信号检测方式。对于水听器阵接收到的瞬态信号，可以采用波束形成对信号进行空域滤波，得到目标来波方向的信号，进行检测。

其中，文献1“基于小波变换的Power-Law水声瞬态信号检测研究”(韩建辉，杨日杰，王伟。系统仿真学报，2008,20(13):3514-3520)提出一种在低信噪比条件下有效分辨信号和噪声的Power-Law检测方法，首先针对水声瞬态信号的特点，采用小波变换对信号去噪，再利用Power-Law检测方法对瞬态信号进行检测。

文献2“基于局部瞬时能量密度级的瞬态信号检测方法”(王燕，邹男，付进，梁国龙。电子与信息学报，2013,35(7):1720-1724)提出一种子波检测和局部瞬时能量密度级双重降噪的瞬态信号检测方法，通过自适应选取含有用信号的某阶固有模态函数，计算Hilbert能量谱并进行局部积分，滤除子波检测残留下来的带外噪声。

但是，上述方法对于波形未知、频带未知的瞬态信号的情况，均受水听器空间孔径带来有限数据信息的制约，噪声和干扰对信号检测影响很大，检测器的性能难以达到最优。

发明内容

本发明是为了提高对波形未知、频带未知瞬态信号的检测的稳定性，提出了一种水下瞬态声信号的检测方法。

本发明所述一种水下瞬态声信号的检测方法，该方法基于探测网络实现；所述探测网络中每个节点包括多个探测通道，每个探测通道均采用一个水听器实现，针对波形未知、频带未知的水下瞬态声信号进行检测，所述水下瞬态声信号的检测方法的具体步骤为：

步骤一、同时截取探测网络中所有节点每个探测通道时间段t_a内接收的声信号；其中，a代表第a个时间段，t代表时间长度；

步骤二、利用截取的声信号估计探测网络中所有节点截取的声信号的方位角和主频带；

步骤三、将估计的探测网络中所有节点的每个探测通道的主频带，作为一个滤波器的滤波通带，分别对对应节点相应探测通道截取的声信号的时间序列进行时域滤波；获得每个节点每个探测通道截取的声音信号的时域波形；

步骤四、根据步骤二估计的每个节点接收的声信号的方位，对探测网络中每个节点的所有探测通道截取的声音信号的时域波形进行空域滤波，获得每个探测节点接收信号的方位和时间序列；

步骤五、检测步骤四获得的每个探测节点的时间序列的能量；

步骤六、判断每个探测节点的时间序列的能量是否大于检测门限值A，若是，则执行步骤七，否则，令t_a＝t_a+1，返回执行步骤一；其中，A为正数；a+1代表第a+1个时间段；

步骤七、利用各节点空域滤波后的时间序列估计相邻节点间的时延差；

步骤八、根据相邻节点间的时延差，利用双曲线交汇定位的方法估计声源目标的位置；

步骤九、利用声源目标的位置估计声源目标相对于探测网络中各节点的方位；

步骤十、对步骤二估计的探测网络中所有节点接收的信号的方位与步骤九估计的目标相对于探测网络中各节点的方位一一对应作差，获得m个差值，当m个差值均小于阈值P时，确定估计目标相对于各节点的方位为目标声源方位，完成一次水下瞬态声信号的检测，否则，令t_a＝t_a+1，返回执行步骤一，其中，m为探测网络中节点个数。

本发明采用由多个以水听器阵为探测节点构成的探测网络，多节点则可以通过相关测得信号到达各节点之间的时延差，实现对声源位置的定位，从而估计出信号到达各测点的相对时间及相对幅度，从而达到剔除干扰的目的。充分利用信号的时频特性和空间相干特性，采取节点级和系统级联合检测的方式实现对瞬态信号的稳健检测。

附图说明

图1是本发明所述探水下瞬态声信号的检测方法的流程示意图；

图2是探测网络中包含4个节点时节点的布放示意图；

图3是4个节点同一方向的一个接收通道接收信号波形图；

图4是4个节点的方位估计结果图；

图5是节点来波方向的频率分布结果图；

图6是图2所述4个节点同一方向的一个接收通道接收信号的滤波结果图；

图7是4个节点的空域滤波结果图；

图8是相邻节点间时域相关计算时延差的结果图；

图9是节点位置、理论声源位置、解算声源位置示意图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成相应技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。本申请实施例以及实施例中的各个特征，在不相冲突前提下可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

具体实施方式一：下面结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述一种水下瞬态声信号的检测方法，该方法基于探测网络实现；所述探测网络中每个节点包括多个探测通道，每个探测通道均采用一个水听器实现，针对波形未知、频带未知的水下瞬态声信号进行检测，所述水下瞬态声信号的检测方法的具体步骤为：

步骤一、同时截取探测网络中所有节点每个探测通道时间段t_a内接收的声信号；其中，a代表第a个时间段，t代表时间长度；

步骤二、利用截取的声信号估计探测网络中所有节点截取的声信号的方位角和主频带；

步骤三、将估计的探测网络中所有节点的每个探测通道的主频带，作为一个滤波器的滤波通带，分别对对应节点相应探测通道截取的声信号的时间序列进行时域滤波；获得每个节点每个探测通道截取的声音信号的时域波形；

步骤四、根据步骤二估计的每个节点接收的声信号的方位，对探测网络中每个节点的所有探测通道截取的声音信号的时域波形进行空域滤波，获得每个探测节点接收信号的方位和时间序列；

步骤五、检测步骤四获得的每个探测节点的时间序列的能量；

步骤六、判断每个探测节点的时间序列的能量是否大于检测门限值A，若是，则执行步骤七，否则，令t_a＝t_a+1，返回执行步骤一；其中，A为正数；a+1代表第a+1个时间段；

步骤七、利用各节点空域滤波后的时间序列估计相邻节点间的时延差；

步骤八、根据相邻节点间的时延差，利用双曲线交汇定位的方法估计声源目标的位置；

步骤九、利用声源目标的位置估计声源目标相对于探测网络中各节点的方位；

步骤十、对步骤二估计的探测网络中所有节点接收的信号的方位与步骤九估计的目标相对于探测网络中各节点的方位一一对应作差，获得m个差值，当m个差值均小于阈值P时，确定估计目标相对于各节点的方位为目标声源方位，完成一次水下瞬态声信号的检测，否则，令t_a＝t_a+1，返回执行步骤一，其中，m为探测网络中节点个数。

具体实施方式二：本实施方式对实施方式一所述的一种水下瞬态声信号的检测方法作进一步说明，本实施方式中，步骤二所述的利用截取的声信号估计探测网络中所有节点截取的声信号的方位角和主频带的方法相同，以第i个节点为例进行说明，具体方法为：

步骤二一、分别对截取的第i个节点所有探测通道的声信号进行傅里叶变换，获得频谱；

步骤二二、对第i个节点所有通道截取的声信号的频谱进行相移波束形成，获得第i个节点的声信号在所有频点的方位和所有频点的能量；

步骤二三、在设定的工作频带内对第i个节点的所有频点的能量进行直方图统计，对每一个方位不同频点的信号的能量分别进行累加，获得第i个节点不同方位的信号的能量；

步骤二四、取探测网络中第i个节点的在不同方位的信号的能量的最大值对应的方位角的方向作为第i个节点接收的信号的方位，将该方位角方向接收的声信号的所有频点的集合作为节点i接收声音信号的主频带。

本实施方式中所述的节点个数m为正整数，通常为4个节点，通道j的个数为正整数，通常也为4个。

具体实施方式三：本实施方式是对实施方式二所述的一种水下瞬态声信号的检测方法作进一步说明，本实施方式中，步骤二三所述将相同方位不同频点的信号能量累加的具体方法为：

通过公式：

计算获得；

其中，Beam_i(θ)为节点i在方位角θ方向不同频点的总能量，θ-Δ/2<θ_ik<θ+Δ/2，k为不同方位的频点的频率，k1＝50Hz和k2＝6000Hz为频率的下限和上限，θ为360度按照方位分辨步长Δ进行采样设定获得的方位角。

具体实施方式四：本实施方式是对实施方式三所述的一种水下瞬态声信号的检测方法作进一步说明，本实施方式中，步骤三中获得每个节点每个探测通道截取的声音信号的时域波形的具体方法与第i个节点得到接收信号的时间序列的方法相同，所述第i个节点得到接收信号的时间序列的方法为：

步骤三一、对第i个节点每一个探测通道截取的声音信号分别进行滤波；

第i个节点的每个探测通道的滤波方法相同，以第j个探测为例进行说明，具体为：

以节点i的第j个探测通道截取的声音信号的主频带，作为第j个探测通道的滤波器的滤波通带，对节点i的第j个探测通道截取的声信号进行滤波；

步骤三二、对节点i所有探测通道滤波后的声信号进行在接收信号的方位的时延补偿，并对所有探测通道时延补后的声信号进行求和，获得节点i在接收信号方位的时间序列s_i(t)。

具体实施方式五：本实施方式是对实施方式一所述的一种水下瞬态声信号的检测方法作进一步说明，本实施方式中，步骤八中利用双曲线交汇定位的方法估计声源目标的位置具体方法为：

在声速恒定条件下，声源到相邻节点的距离差表示为：

r_il＝cτ_il (1)

其中，r_il为目标到第i个节点的距离与到第l个节点的距离差，τ_il为信号传播到第i个节点与信号传播到第l个节点的时延差，i、l为相邻两个节点；

建立双曲定位方程：

利用迭代法对非线性的双曲定位方程(2)进行求解，求得声源位置坐标(x,y,z)。

利用迭代法对非线性的双曲定位方程(2)进行求解，求得声源位置坐标(x,y,z)。具体实施例：结合图1至图9说明本具体实施例，本实施例中探测网络中的节点数为4，各节点位于同一平面，两组相对的节点连线互相垂直，且各节点到连线交点的距离相等，每个节点布放一个十字阵，阵元与阵元连线交点的距离为0.5m。建立原点为连线交点、xoy平面与节点所在平面平行的坐标系，节点1、节点2、节点3和节点4布放的位置坐标分别为(500m,0m,10m)、(0m,500m,10m)、(-500m,0m,10m)和(0m,-500m,10m)，目标与节点共平面，坐标为(250m,250m,10m)。此外，海深100m，声速恒定为c＝1500m/s。如图3所示；

各节点的阵元接收信号利用线性调频信号乘以指数衰减信号模拟，信号模型s₀(t)如下：

其中，t为时间，_f0为信号中心频率，

为信号的频率变化率，B为信号的调频宽度，T为信号脉宽，α为衰减系数。此外，噪声类型为高斯白噪声。仿真中，信号频率范围100Hz-1000Hz即f₀＝316Hz、B＝900Hz，且T＝0.2s、α＝5，采样频率f_s＝100kHz，信噪比SNR＝20dB。第i个节点的第j个通道接收的信号表示为s_ij(t)，其中i＝1,2,3,4、j＝1,2,3,4。

第1步，从相同时刻开始截取所有节点所有通道的声信号，进行空域滤波，以第i个几点第j个通道为例，

第i个节点的第j个通道接收的信号s_ij(t)，截取时长为T_s＝1s，得到s_ij(n)(1≤n≤100000)，如图2所示。首先分别对s_ij(n)进行100000点傅里叶变换，得到频谱X_ij(f)(1≤f≤100000Hz)；利用波束形成算法计算i节点在频点f_p(f_p＝50,51,52,...,6000Hz)的波束输出B_ip(θ)，记录波束输出的最大值及其对应的方位θ_ip；接着对各节点所有频点的估计方位进行直方图统计，得到该时间段内的方位估计曲线及目标来波方向θ₁＝135°、θ₂＝315°、θ₃＝20°、θ₄＝74°。(所述该时间段内的方位估计曲线如图4所示)同时得到各节点接收目标信号的频带(如图5所示，图中纵坐标1表示该频带的方位属于所估计方位θ₁，θ₂，θ₃，θ₄，否则在其余方位)；(b)利用求得的各节点信号频带设计相应的滤波器，对各节点所有通道接收信号进行滤波，得到滤波后的信号s_0ij(t)(如图6所示)，再对s_0ij(t)根据θ₁＝135°、θ₂＝315°、θ₃＝20°、θ₄＝74°进行相应的相位补偿，得到相应的波束即第一级波形估计结果s_i(t)(如图7所示)，从而实现空域滤波。

第2步，检测s_i(t)的能量，有四个节点的能量分别为：P₁＝4.74×10⁵、P₂＝4.71×10⁵、P₃＝6.01×10⁴、P₄＝4.79×10⁴，均大于预设门限，继续下一步。

第3步，对相邻节点的第一级波形估计结果s_i(t)进行时域互相关，相关结果如图8所示，通过读取峰值所在位置求得节点1与节点2、节点2与节点3、节点3与节点4、节点4与节点1的接收信号时延差τ₁₂＝0s、τ₂₃＝-0.2914s、τ₃₄＝0s和τ₄₁＝0.2914s。

第4步，在声速恒定条件下，声源到相邻节点的距离差可表示为：

r_il＝cτ_il (1)

其中，r_il为目标到第i个节点的距离与到第l个节点的距离差，τ_il为信号传播到第i个节点与信号传播到第l个节点的时延差，i取1，2，3，4，l取2，3，4，1。

构建双曲定位方程，有：

对非线性双曲定位方程(2)求解，可求得声源位置坐标为(250.1,250.1,50)，结果如图9所示。

第5步，根据声源及各接收节点的相对位置关系、声速，计算目标相对节点1、节点2、节点3和节点4的水平方位θ'₁＝134.98°、θ'₂＝315.02°、θ'₃＝18.44°、θ'₄＝71.56°。

第6步，对比θ₁＝135°、θ₂＝315°、θ₃＝20°、θ₄＝74°与θ'₁＝134.98°、θ'₂＝315.02°、θ'₃＝18.44°、θ'₄＝71.56°，均在预设可接受方位误差3°允许范围内，认为检测到信号。

为实现本发明的目的，需要保证各探测节点之间时间同步；需要保证各探测节点的空间位置已知；声源信号在探测节点合围区域的内部；各探测节点的基阵对宽带信号能够无模糊的水平方位估计能力。本发明的特点是在于将采取节点级和系统级联合检测的方式实现对瞬态信号的稳健检测。

虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (4)

1.一种水下瞬态声信号的检测方法，其特征在于，该方法基于探测网络实现；所述探测网络中每个节点的探测通道均采用一个水听器实现，针对波形未知、频带未知的水下瞬态声信号进行检测，所述水下瞬态声信号的检测方法的具体步骤为：

步骤一、同时截取探测网络中所有节点每个探测通道时间段t_a内接收的声信号；其中，a代表第a个时间段，t代表时间长度；

步骤二、利用截取的声信号估计探测网络中所有节点截取的声信号的方位角和主频带；

利用截取的声信号估计探测网络中所有每个节点接收的信号的方位和主频带的方法相同，以第i个节点为例进行说明，具体方法为：

步骤二一、分别对截取的第i个节点第j个通道的声信号s_ij(n)进行傅里叶变换，获得频谱X_ij(f)；

步骤二二、对第i个节点第j个通道截取的声信号的频谱X_ij(f)进行相移波束形成，获得第i个节点在第k个频点的声信号的方位θ_ik和频点能量B_i(θ_ik,k)；

步骤二三、在设定的工作频带内对第i个节点的第k个频点的能量B_i(θ_ik,k)进行直方图统计对每一个方位不同频点的信号能量分别进行累加，获得第i个节点不同方位的频点的频带Beam_i1(θ)、Beam_i2(θ)……；

步骤二四、记录探测网络中第i个节点的在不同方位的频点的频带的最大值Beam_imax(θ)及其对应的方位θ_ip；将第i个节点的在不同方位的频点的频带的最大值Beam_imax(θ)作为自身接收声音信号的主频带，方位θ_ip为第i个节点接收的信号的方位；

步骤三、将估计的探测网络中所有节点每个探测通道的主频带，作为一个滤波器的滤波频带，分别对对应节点对应探测通道截取信号的时间序列进行时域滤波；获得每个节点每个探测通道截取的声音信号时域波形；

步骤四、根据每个节点接收的信号的方位，对探测网络中每个节点的所有探测通道截取的声音信号的时域波形分别进行空域滤波，获得每个探测节点在接收信号的方位和时间序列；

步骤五、检测步骤四获得的每个探测节点的时间序列的能量；

步骤六、判断每个探测节点的时间序列的能量是否大于检测门限值A，若是，则执行步骤七，否则，令t_a＝t_a+1，返回执行步骤一；其中，A为正数；a+1代表第a+1个时间段；

步骤七、利用各节点空域滤波后的时间序列估计相邻节点间的时延差；

步骤八、根据相邻节点间的时延差，利用双曲线交汇定位的方法估计声源目标的位置；

步骤九、利用声源目标的位置估计目标相对于各节点的方位；

步骤十、对步骤二估计的探测网络中所有节点接收的信号的方位与步骤九估计的目标相对于各节点的方位；一一对应作差，获得m个差值，当m个差值均小于阈值P时，确定估计目标相对于各节点的方位为目标声源方位，完成一次水下瞬态声信号的检测，否则，令t_n＝t_n+1，返回执行步骤一，其中，m为探测网络中节点个数。

2.根据权利要求1所述一种水下瞬态声信号的检测方法，其特征在于，步骤二三所述对每一个方位不同频点的信号能量分别进行累加的具体方法为：

通过公式：

计算获得；

其中，θ-Δ/2＜θ_ik＜θ+Δ/2，k为不同方位的频点的频率，k1＝50Hz和k2＝6000Hz为频率的下限和上限,θ为360度按照方位分辨步长Δ进行采样设定获得的方位。

3.根据权利要求2所述一种水下瞬态声信号的检测方法，其特征在于，步骤三中得到获得每个节点每个探测通道截取的声音信号时域波形的具体方法：均与第i个节点得到接收信号的时间序列的方法相同，所述第i个节点得到接收信号的时间序列的方法为：

利用探测网络中第i个节点接收声音信号的主频带Beam_imax(θ)，设计以主频带Beam_imax(θ)为频带的滤波器，对探测网络中第i个节点第j个通道截取的声信号进行滤波，滤波后获得信号s_0ij(t)，利用第i个节点接收的信号的方位对第i个节点第j个通道信号s_0ij(t)进行相应的时延补偿，对第i个节点的所有通道时延补偿后求和，获得节点i在接收的信号的方位的时间序列s_i(t)。

4.根据权利要求1所述一种水下瞬态声信号的检测方法，其特征在于，步骤八中利用双曲线交汇定位的方法估计声源目标的位置具体方法为：

在声速恒定条件下，声源到相邻节点的距离差表示为：

r_il＝cτ_il (1)

其中，r_il为目标到第i个节点的距离与到第l个节点的距离差，τ_il为信号传播到第i个节点与信号传播到第l个节点的时延差，i、l为相邻两个节点，c为声速；

建立双曲定位方程：

利用迭代法对非线性的双曲定位方程(2)进行求解，求得声源位置坐标(x,y,z)。

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