CN110166024A - 一种微弱声信标信号增强方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种微弱声信标信号增强方法，本发明无需先验已知信号的中心频率，对声信标信号频率受温度等环境因素的变化具有适应能力；本发明充分利用了声信标信号的周期特性，利用多路滤波器的累加输出调整自适应滤波器的权系数，可实现多周期信号的相干累加，更好的抑制噪声影响，实现信号增强，有利于后续的信号检测和参数估计；本发明信号处理系统结构适合并行实现，有利于实时处理。

Description

一种微弱声信标信号增强方法
技术领域
本发明属于信号处理技术领域，特别是涉及一种微弱声信标信号增强方法。
背景技术
在水声工程领域,单频信号是一种很常见的信号形式。对单频声信标信号处理比较经典的方法有Notch滤波器，自适应线谱增强器(ALE)，自适应相干累加器(ACL)等方法。这些方法计算量小，约束条件少，但是却有一些缺点，如自适应Notch需要已知中心频率，在中心频率出现较大的偏差时，效果会下降。同时这些方法均没有利用到信标信号的周期特性。依据声信标的周期特性，设计出一种新型结构的自适应相干周期累加器，利用多路滤波器的累加输出调整自适应滤波器的权系数，可实现多周期信号的相干累加，更好的抑制噪声影响，实现信号增强，有利于后续的信号检测和参数估计；本发明信号处理系统结构适合并行实现，有利于实时处理。
发明内容
本发明目的是为了解决现有声信标信号检测技术中的问题，提出了一种微弱声信标信号增强方法；本发明的目的是提供一种自适应、利用接收信号的周期特性、适应于处理微弱信号并且能够显著提升输出信噪比的微弱声信标信号增强方法。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明提出一种微弱声信标信号增强方法，所述方法包括以下步骤：
步骤一、参数初始化；
步骤二、接收信号d(k)延时及划分，将接收信号按照延时线长度进行延时得到X0，然后根据叠加支路的个数N将延时后的信号X0依次划分成N段信号，相邻两段信号的时间间隔为声信标信号的周期时间长度T，得到输入信号向量X1,X2，…,XN，其中k表示离散点；
步骤三、每段信号X1,X2，…,XN分别经过自适应滤波器，得到N个输出y1,y2，…,yN；
步骤四、将N个输出y1,y2，…,yN求和，并与接收信号d(k)做差，得到残差e(k)；
步骤五、利用残差e(k)调整各个自适应滤波器的权系数Wi(k)，i＝1,2…N；
步骤六、重复步骤二至步骤五得到每一时刻的输出信号y(k)。
进一步地，所述参数包括自适应迭代步长μ、权个数L、延时线长度T、去相关延时时长Δ、叠加支路的个数N和自适应滤波器权系数Wi(k)；
自适应迭代步长μ应满足条件0＜μ＜1/tr[R]＝1/tr[XT(k)X(k)]，其中tr[R]表示输入信号协方差矩阵R的迹，X(k)为输入信号向量；去相关延时时长Δ应当大于噪声的相关半径且小于信号的相关半径；滤波器的长度即权个数L应当根据系统带宽确定，权个数越大滤波器的带宽越窄。
进一步地，步骤三中输出信号的具体公式表示为：
yi(k)＝Xi(k)TWi(k)，i＝1,2…N。
进一步地，所述将N个输出y1,y2，…,yN求和，具体公式表示为：求和结果与接收信号d(k)做差，得到残差e(k)，具体公式表示为：e(k)＝d(k)-y(k)。
进一步地，所述调整方式如下：
Wi(k+1)＝Wi(k)+2μ(k)e(k)Xi(k)，其中，Wi(k)＝[wi1(k),wi2(k),…,wiL(k)]T。
进一步地，所述自适应迭代步长μ(k)采用变步长算法，计算方法如下：
μ(k+1)＝αμ(k)+γe2(k)
其中，0＜α＜1,γ＞0。
本发明的有益效果为：本发明无需先验已知信号的中心频率，对声信标信号频率受温度等环境因素的变化具有适应能力；本发明充分利用了声信标信号的周期特性，利用多路滤波器的累加输出调整自适应滤波器的权系数，可实现多周期信号的相干累加，更好的抑制噪声影响，实现信号增强，有利于后续的信号检测和参数估计；本发明信号处理系统结构适合并行实现，有利于实时处理。
附图说明
图1为微弱声信标信号增强方法工作流程图；
图2为微弱声信标信号增强工作流程中延时、分段示意图；
图3为微弱声信标信号增强系统结构图；图中LMS表示最小均方误差；
图4为接收信号波形图；
图5为微弱声信标信号增强后信号波形图；
图6为Notch滤波器在中心频率偏差时处理后信号波形图；
图7为将图6Notch滤波器和本发明所述增强方法处理结果局部放大对比图。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅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。
结合图1，本发明提出一种微弱声信标信号增强方法，所述方法包括以下步骤：
步骤一、参数初始化；所述参数包括自适应迭代步长μ、权个数L、延时线长度T、去相关延时时长Δ、叠加支路的个数N和自适应滤波器权系数Wi(k)；
自适应迭代步长μ应满足条件0＜μ＜1/tr[R]＝1/tr[XT(k)X(k)]，其中tr[R]表示输入信号协方差矩阵R的迹，X(k)为输入信号向量；去相关延时时长Δ应当大于噪声的相关半径且小于信号的相关半径；滤波器的长度即权个数L应当根据系统带宽确定，权个数越大滤波器的带宽越窄。
步骤二、接收信号d(k)延时及划分，将接收信号按照延时线长度进行延时得到X0，然后根据叠加支路的个数N将延时后的信号X0依次划分成N段信号，如图2所示，相邻两段信号的时间间隔为声信标信号的周期时间长度T，得到输入信号向量X1,X2，…,XN，
步骤三、将划分完每段信号X1,X2，…,XN分别经过自适应滤波器，得到N个输出y1,y2，…,yN，如图3所示；步骤三中输出信号的具体公式表示为：yi(k)＝Xi(k)TWi(k)，i＝1,2…N。其中k表示离散点；
步骤四、将N个输出y1,y2，…,yN求和，并与接收信号d(k)做差，得到残差e(k)；所述将N个输出y1,y2，…,yN求和，具体公式表示为：求和结果与接收信号d(k)做差，得到残差e(k)，具体公式表示为：e(k)＝d(k)-y(k)。
步骤五、利用残差e(k)调整各个自适应滤波器的权系数Wi(k)，i＝1,2…N；所述调整方式如下：
Wi(k+1)＝Wi(k)+2μ(k)e(k)Xi(k)，其中，Wi(k)＝[wi1(k),wi2(k),…,wiL(k)]T。所述自适应迭代步长μ(k)采用变步长算法，计算方法如下：
μ(k+1)＝αμ(k)+γe2(k)
其中，0＜α＜1,γ＞0。
步骤六、重复步骤二至步骤五得到每一时刻的输出信号y(k)。
实施算例：
本发明提出一种微弱声信标信号增强方法工程实施方式流程如图1所示，主要步骤为：
步骤一、初始化基本参数，所述的基本参数包括：自适应迭代步长μ，去相关延时时长Δ，延时线长度T＝1s，权个数L＝256，叠加支路的个数N＝3。
步骤二、接收信号d(k)延时及划分,如图2所示将接收信号按照延时线时长Δ进行延时得到X0，然后根据叠加支路的个数3将延时后的信号X0依次划分成3段信号，相邻两段信号的时间间隔为声信标信号的周期时间长度T，得到输入信号向量X1,X2,X3。
步骤三、将得到三段信号X1,X2,X3分别经过自适应滤波器得到N个输出y1,y2,
y3。如图3所示。
yi(k)＝Xi(k)TWi(k)
步骤四、将自适应滤波器的输出结果y1,y2，…,y3求和得到输出y(k)，并将输入d(k)与y(k)做差得到残差e(k)。
e(k)＝d(k)-y(k)
步骤五、利用残差e(k)调整3个自适应滤波器的权向量Wi(k)，调整方式如下，
其中Wi(k)＝[wi1(k),wi2(k),…,wiL(k)]T，Wi(k+1)＝Wi(k)+2μ(k)e(k)Xi(k)
其中步长μ(k)采用变步长算法，计算方法如下，其中的0＜α＜1,γ＞0
μ(k+1)＝αμ(k)+γe2(k)
步骤六、重复步骤二至步骤五，求出每一时刻的输出信号y(k)。输入信号如图4所示，经过信号增强方法处理之后的结果如图5所示，对比处理前后可以明显的看出提出的一种微弱声信标信号增强方法能够显著地提高信号信噪比。
图6为现有技术中采用Notch滤波器在中心频率偏差20Hz时处理后信号波形图，图7是图6和利用本发明所述增强方法处理结果局部放大对比图，对比图7中的两个局部放大图可以看出在出现中心频率偏差的情况下，提出的一种微弱声信标信号增强方法的处理效果较好，相比而言该方法的稳定性较好。
以上对本发明所提出的一种微弱声信标信号增强方法，进行了详细介绍，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；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种微弱声信标信号增强方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
步骤一、参数初始化；
步骤二、接收信号d(k)延时及划分，将接收信号按照延时线长度进行延时得到X0，然后根据叠加支路的个数N将延时后的信号X0依次划分成N段信号，相邻两段信号的时间间隔为声信标信号的周期时间长度T，得到输入信号向量X1,X2，…,XN，其中k表示离散点；
步骤三、每段信号X1,X2，…,XN分别经过自适应滤波器，得到N个输出y1,y2，…,yN；
步骤四、将N个输出y1,y2，…,yN求和，并与接收信号d(k)做差，得到残差e(k)；
步骤五、利用残差e(k)调整各个自适应滤波器的权系数Wi(k)，i＝1,2…N；
步骤六、重复步骤二至步骤五得到每一时刻的输出信号y(k)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述参数包括自适应迭代步长μ、权个数L、延时线长度T、去相关延时时长Δ、叠加支路的个数N和自适应滤波器权系数Wi(k)；
自适应迭代步长μ应满足条件0＜μ＜1/tr[R]＝1/tr[XT(k)X(k)]，其中tr[R]表示输入信号协方差矩阵R的迹，X(k)为输入信号向量；去相关延时时长Δ应当大于噪声的相关半径且小于信号的相关半径；滤波器的长度即权个数L应当根据系统带宽确定，权个数越大滤波器的带宽越窄。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：步骤三中输出信号的具体公式表示为：
yi(k)＝Xi(k)TWi(k)，i＝1,2…N。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述将N个输出y1,y2，…,yN求和，具体公式表示为：求和结果与接收信号d(k)做差，得到残差e(k)，具体公式表示为：e(k)＝d(k)-y(k)。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述调整方式如下：
Wi(k+1)＝Wi(k)+2μ(k)e(k)Xi(k)，其中，Wi(k)＝[wi1(k),wi2(k),…,wiL(k)]T。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述自适应迭代步长μ(k)采用变步长算法，计算方法如下：
μ(k+1)＝αμ(k)+γe2(k)
其中，0＜α＜1,γ＞0。
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