CN110225432B - 一种声纳目标立体收听方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种声纳目标立体收听方法，主要包括以下步骤：使用声纳单波束时域数据及其到达方位作为输入；调用收听者的头相关传输函数HRTF数据库；根据收听波束的到达角从收听者的头相关传输函数HRTF数据库中查询双耳在该方位的HRTF，并利用该HRTF对应的脉冲响应函数HRIR对收听波束数据进行滤波，分别得到左声道和右声道收听信号构成立体声信号；利用立体耳塞播放所述立体声信号，左耳塞播放左声道，右耳塞播放右声道。本发明可以将声纳目标收听信号由单通道收听转变为立体音收听，收听信号携带信号空间方位信号，更加接近自然信号，更匹配于人耳的听觉感官系统，增加听音判型的准确率。

Description

一种声纳目标立体收听方法

技术领域

本发明涉及水声信号处理的领域，具体涉及一种声纳目标立体收听方法。

背景技术

声纳是当前各国海军舰艇实现水下预警探测的主要装备，由于实际海洋环境的复杂性和多变性、干扰和海上目标类型的多样性，目标识别依然是制约舰艇声纳能否实现高效水下目标探测的关键技术。且伴随着声纳向低频、宽带、大孔径、大功率方向发展，现役及新型低频主动声纳的工作距离已大幅度提升，工作距离范围内可发现的目标越来越多，声纳装备发展对目标识别技术的需求越来越突出。

然而，目前声纳目标识别技术的发展尚不能使声纳探潜过程完全智能化，声纳操作员在探潜过程中仍需执行较多的交互操作任务，声纳操作员听音判型在仍是国内外声纳装备在反潜战中确定目标与非目标的重要手段。而人类进化使得人耳、脑，配以特殊的人头与人外耳道结构组成了一部先进的音频处理系统。实践证明，水下不同类型目标的噪声和回波所具有的细微差别能够被人耳听觉系统所感知，利用人耳听觉系统对水下目标回波对应的目标类型进行判断，准确程度高于目前任何一部人造处理系统。

听音判型的准确程度除了与声纳兵的训练素质强相关外，音频信号质量也直接影响了听音的准确性，现役声纳单通道收听信号不利于听音判型。现役声纳设计过程中，目标收听均设计为单通道信号收听，目标噪声或回波信号经提取后直接通过耳塞送入人耳收听，左右通道信号相同，人耳收听的信号为一种非自然信号，即信号不具备方向性，且未经人外耳道、人头的外部结构的散射调制作用。而由于长期的训练，人耳更擅长于对立体的自然信号的感知和判别，现役声纳设计的单通道收听使得信号训练时间长，听觉可辩识性差，对听音判型较为不利。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种声纳目标立体收听方法。

本发明的目的是通过如下技术方案来完成的：这种声纳目标立体收听方法，主要包括以下步骤：

1)使用声纳单波束时域数据及其到达方位作为输入；

2)调用收听者的头相关传输函数HRTF数据库；

3)根据收听波束的到达角从收听者的头相关传输函数HRTF数据库中查询双耳在该方位的HRTF，并利用该HRTF对应的脉冲响应函数HRIR对收听波束数据进行滤波，分别得到左声道和右声道收听信号构成立体声信号；

4)利用立体耳塞播放所述立体声信号，左耳塞播放左声道，右耳塞播放右声道。

所述滤波为FIR滤波。

所述立体耳塞播放为入耳式，若利用外放式喇叭播放，则失效。

本发明的理论依据为：

如附图1和附图2所示，设本船航行过程中，收听目标位于舷角θ(0°≤θ≤360°),θ＝0°为艏向方向，声纳听音员位于舰艇内部，面朝舰艏，在实际的立体收听环境下，对于舷角θ的目标辐射噪声源或回声信号源发出的声波应经过头部、耳廓、躯干等人体结构散射后最终到达双耳，这一物理过程可视为一个线性时不变(LTI)的声信号滤波系统，其特性可由系统的头相关传输函数(HRTF)完全描述。HRTF正是这个滤波系统的传输函数。在自由场的情况下，HRTF定义为：

其中，P_L、P_R分别是点声源在收听者左、右耳产生的复数声压。P₀是人头不存在时，头中心位置处的复数声压。通常情况下，H_L、H_R是声源的水平方位角θ，仰角

声源到头中心的距离r以及声波的角频率ω的函数，对于远场，即r>1.2m，H_L、H_R基本上与r无关)。另外，由于不同人的头部、耳廓、躯干等的尺寸和形状不同，严格来说，每个收听者的HRTF是不同的。也就是说HRTF是一个具有个性化特征的物理量，公式中统一用β来描述个性化特征的参量，如头部尺寸等，对于同一个收听者，β几乎恒定不变。对于声纳目标收听，近似满足远场条件，即H_L、H_R与距离r无关，且近似认为声波水平到达，即

恒定为90度，因此，H_L、H_R主要与水平方位角θ相关。当目标收听信号为宽带信号时，利用时域描述法更为方便，设目标单波束收听信号为s(t)，则合成的双通道立体音为：

其中h_L(t,θ)、h_R(t,θ)分别为左耳和右耳的时域脉冲响应函数(HRIR)，由于HRTF描述了声波从声源到双耳的传输过程及其与头部、耳廓、躯干等的相互作用，因而它包含了有关声源定位的大部分信息。其中头部对声波的散射作用产生传统的声源定位因素，即双耳时间差(ITD)和双耳声级差(ILD)。声源定位因素，以及散射作用引起的波形调制因素使得原有的输入信号所包含的听觉信息更丰富，也与人耳内部听觉感知系统更加匹配，尽而使听音判型的成功率将更高。

本发明的有益效果为：本发明可以将声纳目标收听信号由单通道收听转变为立体音收听，收听信号携带信号空间方位信号，更加接近自然信号，更匹配于人耳的听觉感官系统，增加听音判型的准确率；当声纳在主动或被动模式下探测水下目标时，可以生成立体的目标收听信号，使人耳能在更能感知目标信号听觉细微差别的同时，感知目标方位变化，提高听音判型能力；在水声信号处理领域属首次提出，且通过了有效的计算机仿真数据验证与试验数据验证。

附图说明

图1为声纳听音单通道收听示意图。

图2为声纳听音立体音收听示意图。

图3为本发明的信号处理框图。

图4为典型的人HRTF特性(90度)之HRIR图。

图5为典型的人HRTF特性(90度)之频率响应图。

图6为本发明处理前的单通道模拟目标回波波形图。

图7为本发明处理后的双通道模拟目标回波(90度)中左通道波形图。

图8为本发明处理后的双通道模拟目标回波(90度)中右通道波形图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做详细的介绍：

实施例1：如附图所示，这种声纳目标立体收听方法，主要包括以下步骤：

1)使用声纳单波束时域数据及其到达方位作为输入；

2)调用收听者的头相关传输函数HRTF数据库；

3)根据收听波束的到达角从收听者的头相关传输函数HRTF数据库中查询双耳在该方位的HRTF，并利用该HRTF对应的脉冲响应函数HRIR对收听波束数据进行滤波，分别得到左声道和右声道收听信号构成立体声信号，其中滤波为FIR滤波；

4)利用立体入耳式耳塞播放所述立体声信号，左耳塞播放左声道，右耳塞播放右声道。

本发明具体工作过程为：

信号处理的流程如附图3所示，以主动声纳脉冲信号收听为例，在水下目标探测过程中，舷角θ方向的目标散射回波将从舷角θ方向到达声纳基阵，水听器阵列实时接收回波信号后，经通用预处理(频带转移、滤波、降采样等)、波束形成后，提取舷角θ方向的单波束回波数据并连同舷角θ值共同作为本算法的输入，后续处理过程包括：首先，根据θ值从HRTF库中查询该方向对应的左耳滤波器系统和右耳滤波器系数，其中HRTF数据库可以通过实测得到，或使用专业机构发布的通用HRTF数据库；其次，分别利用左耳滤波系数和右耳滤波系数对θ方向的单波束回波数据进行滤波，得到左声道数据和右声道数据；最后，利用立体式耳塞对左声道和右声道数据进行播放，左耳塞播放左声道数据，右耳塞播放右声道数据，建议采用入耳式耳塞收听，避免耳廓、人头等结构的二次散射作用导致信号失真。

实施例2：处理某型拖曳线列阵声纳海试数据，分别提取潜艇目标回波20个、水面船回波20个共20组潜艇/非潜艇回波数据用于听觉测试，对含有以上回波数据的声纳基阵数据进行波束形成处理后，提取各回波单波束数据，经所在方位HRIR滤波系数滤波后，生成左右通道数据供收听测试。为了验证收听效果，从声纳技术重点实验室随机选取了5名从事声纳目标识别技术研究且有听音判型实践的科研人员，利用森海塞尔IE80入耳式耳塞对以上测试数据进行听音，完成了以下听觉感知心理测试：

(1)听觉感知的差异性测试。让5名测试者分别收听单通道和双通道立体的以上20组潜艇/非潜艇回波，比较单通道和立体音收听时潜艇、非潜艇目标回波的差异性大小，并记录，5人20组数据共记100人次。实际测试效果如附表1所示。

(2)听音分类测试。将20组数据中的10组数据作为训练信号，让5名测试者先进行30分钟的单通道听音训练，再利用余下10组数据的单通道数据进行听音测试，根据听觉感觉将10组数据的每个回波判别为潜艇回波或非潜回波，共计100人次判别，记录正确率，并作为单通道听音条件下的听音分类正确率。再任意选择10组数据作为训练信号，让5名测试者再进行30分钟的立体音听音训练，之后用余下10组数据进行立体音测试，根据听觉感觉将10组数据的每个回波判别为潜艇回波或非潜回波，共计100人次判别。测试结果如附表2所示。

附表1

附表2

通过表1和表2所示实测结果表明，本发明所述声纳立体听音较传统单通道收听，优势较为明显，体现了内容的有效性和价值。

可以理解的是，对本领域技术人员来说，对本发明的技术方案及发明构思加以等同替换或改变都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (3)

1.一种声纳目标立体收听方法，其特征在于：主要包括以下步骤：

1)使用声纳单波束时域数据及其到达方位作为输入；在水下目标探测过程中，舷角θ方向的目标散射回波将从舷角θ方向到达声纳基阵，水听器阵列实时接收回波信号，波束形成后提取舷角θ方向的单波束回波数据并连同舷角θ值共同作为输入；

2)调用收听者的头相关传输函数HRTF数据库；

3)根据θ值从HRTF数据库中查询该方向对应的左耳滤波器系统和右耳滤波器系数，分别利用左耳滤波系数和右耳滤波系数对θ方向的单波束回波数据进行滤波，得到左声道数据和右声道数据，左声道数据和右声道数据构成立体声信号；

4)利用立体耳塞播放所述立体声信号，左耳塞播放左声道，右耳塞播放右声道。

2.根据权利要求1所述的声纳目标立体收听方法，其特征在于：所述滤波为FIR滤波。

3.根据权利要求1所述的声纳目标立体收听方法，其特征在于：所述立体耳塞播放为入耳式。

Images