CN112462321B - 基于脉冲匹配累加的声信标信号截获处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于脉冲匹配累加的声信标信号截获处理方法，包括如下步骤：第一步：获取待处理的水声信标观测信号的采样数据序列；第二步：提取水声信标观测信号中的多个子脉冲信号；第三步：截取每个子脉冲信号所对应的拷贝信号；第四步：将多个子脉冲信号与截取的拷贝信号进行匹配滤波得到多个匹配结果；第五步：将多个匹配结果累加得到累加信号；第六步：利用累加信号进行恒虚警检测判决。本发明的高稳健检测方法，首先利用信标多脉冲信号相邻子脉冲进行匹配相关，可避免信道传播导致的失配现象，其次基于相邻子脉冲匹配结果进行累加，可获得较高的处理增益，从而提高信标信号的检测概率，降低虚警概率，实现高稳健检测。

Description

基于脉冲匹配累加的声信标信号截获处理方法

技术领域

本发明涉及一种基于脉冲匹配累加的声信标信号截获处理方法，属于信号处理技术领域。

背景技术

黑匣子是空难事故中最为重要的数据记录仪器，黑匣子中安装了水声信标，利用水声信号处理方法对其发出的水声信号进行检测识别和定位。然而信标信号会被海洋背景噪声淹没而难以识别，加上海洋的传播损失会使信号在长距离传播过程中严重衰减，这些因素使得在远距离、低信噪比情况下的水声信标信号难以识别和检测。

匹配滤波是一种常用的信号处理方法。匹配滤波器为输出端的信号瞬时功率与噪声平均功率的比值最大的线性滤波器。利用拷贝信号与接收信号进行匹配滤波处理，对匹配结果的峰值进行恒虚警门限检测，从而进行信号存在性的判决。由于搜查声呐与信标之间的相对运动，使得接收信号波形发生改变，即多普勒频移效应。在多普勒频移的影响下，利用理论信号与接收信号进行匹配时，频率发生失配，无法得到理论的匹配结果，从而影响后续的检测判决。为了减少多普勒频移带来的影响，通常根据可能的相对运动速度来产生大量的拷贝信号与接收信号进行匹配，对最优的匹配结果进行后续处理，但是这也产生了很高的运算量。

发明内容

发明目的：针对周期性脉冲声源的信标，周期性发射脉冲信号，其不仅具有单脉冲信号的时频特征，而且具有周期性的特点，并且目前所使用的声信标脉冲的周期短，脉宽短，因此相邻脉冲的相关性较强，因此对于这种信号的检测，应使用其周期性特征，提高检测增益，利用相邻脉冲的相关性，解决多普勒频移导致的匹配滤波失配影响。

基于现有的技术，本发明提出基于脉冲匹配累加的声信标信号截获处理方法，利用信标多脉冲信号的相邻子脉冲进行匹配滤波，解决了多普勒频移导致的失配问题，实现利用水声信号准确地获得黑匣子信号的检测，并且利用多个匹配结果的累加进行检测判决，提高了处理增益，满足了水声信标信号处理的需求。该方法原理清晰，实现简单，工程适用性强。

技术方案：一种基于脉冲匹配累加的声信标信号截获处理方法，包括如下步骤：

(1)获取待处理的水声信标观测信号的采样数据序列x(n)，n＝0,1,2,...,L-1，所述n为x(n)的离散时间索引，L为水声信标观测信号长度所对应的采样点个数，取值为正整数，且大于等于3·T₀·f_s和2中较大的一个，其中，T₀为已知的水声信标信号周期，f_s为已知的采样频率；

(2)提取水声信标观测信号中的多个子脉冲信号；

(3)截取每个子脉冲信号所对应的拷贝信号；

(4)将多个子脉冲信号与截取的拷贝信号进行匹配滤波得到多个匹配结果；

(5)将多个匹配结果累加得到累加信号；

(6)利用累加信号进行恒虚警检测判决。

优选的，在步骤(2)中，采用如下方法提取水声信标观测信号中的多个子脉冲信号：

步骤2-1：计算每个子脉冲信号的长度M：

M＝max(round(T·f_s),1)

其中，T为已知的水声信标信号周期，f_s为已知的采样频率，max(·)为取最大值运算，round(·)代表四舍五入取整运算；

步骤2-2：从水声信标观测信号中提取多个子脉冲信号x_i(m),0≤m≤M-1,1≤i≤N_p：

x_i(m)＝x(m+(i-1)·M),0≤m≤M-1,1≤i≤N_p

其中，m为子脉冲信号的离散时间索引，m为整数，i为子脉冲信号序号，x_i(m)表示第i个子脉冲信号，N_p为提取的子脉冲信号或截取的拷贝信号的个数，N_p＝max(fix(L/M)-1,1)，其中fix(·)代表向下取整运算。

优选的，在步骤(3)中，采用如下方法截取每个子脉冲信号所对应的拷贝信号，具体包括如下步骤：

步骤3-1：令k＝0；

步骤3-2：计算拷贝信号长度K和截取拷贝信号时的滑动步进S：

K＝max(round(τ·f_s),1),S＝max(round(τ·f_s/4),1)

步骤3-3：截取每个子脉冲信号对应的拷贝信号s_i(m),0≤m≤K-1,1≤i≤N_p：

s_i(m)＝x(m+i·M+k·S),0≤m≤K-1,1≤i≤N_p

其中，m为拷贝信号的离散时间索引且m为整数，i为拷贝信号序号，s_i(m)表示第i个拷贝信号，K为拷贝信号长度，N_p为提取的子脉冲信号或截取的拷贝信号的个数。

优选的，步骤(4)中，采用如下方法将多个子脉冲信号与截取的拷贝信号进行匹配滤波得到多个匹配结果，具体包括如下步骤：

步骤4-1：令i＝1；

步骤4-2：计算第i个子脉冲信号的离散傅里叶变换X_i(l),0≤l≤M-1：

其中，l为X_i(l)的离散频率索引且l为整数，j表示虚数单位，即该式可通过快速傅里叶变换实现；

步骤4-3：将第i个拷贝信号补零：

步骤4-4：计算第i个拷贝信号的离散傅里叶变换S_i(l),0≤l≤M-1：

其中，j表示虚数单位，即该式可通过快速傅里叶变换实现；

步骤4-5：计算第i个子脉冲信号的离散傅里叶变换与第i个拷贝信号的离散傅里叶变换共轭的乘积Y_i(l),0≤l≤M-1：

Y_i(l)＝S_i ^*(l)·X_i(l),0≤l≤M-1

步骤4-6：在频域对Y_i(l)进行处理：

其中，fix(·)代表向下取整运算；

步骤4-7：对Y_i(l)做离散傅里叶逆变换并取模得到第i个匹配结果y_i(n),0≤n≤M-1：

其中，|·|代表取模运算；

步骤4-8：令i＝i+1，如果i小于等于N_p，则返回步骤4-2计算下一组水声信标观测信号的匹配滤波结果，否则进入步骤(5)。

优选的，步骤(5)中，采用如下方法将多个匹配结果累加得到累加信号：

其中，y_M(n)代表累加信号。

优选的，步骤(6)中，采用如下方法利用累加信号进行恒虚警检测判决：

步骤6-1：取累加信号的幅度最大值为v_m：

v_m＝max({y_M(n),n＝0,1…,M-1})

步骤6-2：计算恒虚警检测的判决门限α：

α＝-2·log₁₀(P_f)·σ²·N_p

其中N_p为提取的子脉冲信号或截取的拷贝信号的个数，P_f为虚警率且P_f的范围为0＜P_f＜1，σ²为噪声方差，方差的大小由信噪比SNR和信号幅度A决定：

SNR＝10log₁₀[A²/(2σ²)]

步骤6-3：判断v_m≥α是否成立，若成立则恒虚警检测判决结束，并判决水声信标观测信号中存在信标信号；否则令k＝k+1，如果k·S≤M-1-K，即截取的拷贝信号的索引未超过有效信号范围，则返回步骤(3-2)进行下一次的局部匹配累加处理，否则恒虚警检测判决结束，并判决接收水声信标观测信号中不存在信标信号。

有益效果：与现有的方法相比，本发明提供的基于脉冲匹配累加的声信标信号截获处理方法，具有以下优点：

(1)本发明解决了水声信标信号检测和识别过程中，信道传播对匹配滤波的失配影响，提高了检测算法的稳健性。由于用于匹配滤波的拷贝信号为子脉冲的相邻脉冲，不是根据理论参数产生的而是来自信号本身。该拷贝信号与子脉冲具有较强的相关性，因此对信道传播所带来的信号畸变有较强的适应性，避免了失配问题。

(2)本发明通过多脉冲匹配结果累加，提高了处理增益。该发明累加多个匹配结果得到累加信号，利用累加信号进行恒虚警门限检测，匹配结果特征得到加强，提高处理增益，从而能够提高信标信号的检测概率，降低虚警概率。

附图说明

图1为本发明方法的流程示意图；

图2为实施例1 k＝3时的观测信号；

图3为实施例1 k＝3时的累加信号及恒虚警检测的判决门限；

图4为实施例1 k＝13时的观测信号；

图5为实施例1 k＝13时的累加信号及恒虚警检测的判决门限。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

如图1所示，基于脉冲匹配累加的声信标信号截获处理方法，包括如下步骤：

(1)获取待处理的水声信标观测信号的采样数据序列x(n)，n＝0,1,2,...,L-1，所述n为x(n)的离散时间索引，L为水声信标观测信号长度所对应的采样点个数，取值为正整数，且大于等于3·T₀·f_s和2中较大的一个，其中，T₀为已知的水声信标信号周期，f_s为已知的采样频率。获取待处理的水声信标观测信号的采样数据序列x(n)有两种方式：从传感器接收长度为L的实时采集数据作为待处理的数据序列x(n)，n＝0,1,2,...,L-1；或从存储器中提取长度为L的数据作为待处理的数据序列x(n)，n＝0,1,2,...,L-1。

(2)提取水声信标观测信号中的多个子脉冲信号：

步骤2-1：计算每个子脉冲信号的长度M：

M＝max(round(T·f_s),1)

其中，T为已知的水声信标信号周期，f_s为已知的采样频率，max(·)为取最大值运算，round(·)代表四舍五入取整运算；

步骤2-2：从水声信标观测信号中提取多个子脉冲信号x_i(m),0≤m≤M-1,1≤i≤N_p：

x_i(m)＝x(m+(i-1)·M),0≤m≤M-1,1≤i≤N_p

其中，m为子脉冲信号的离散时间索引，m为整数，i为子脉冲信号序号，x_i(m)表示第i个子脉冲信号，N_p为提取的子脉冲信号或截取的拷贝信号的个数，N_p＝max(fix(L/M)-1,1)，其中fix(·)代表向下取整运算。

(3)截取每个子脉冲信号对应的拷贝信号，具体包括如下步骤：

步骤3-1：令k＝0；

步骤3-2：计算拷贝信号长度K和截取拷贝信号时的滑动步进S：

K＝max(round(τ·f_s),1),S＝max(round(τ·f_s/4),1)

步骤3-3：截取每个子脉冲信号对应的拷贝信号s_i(m),0≤m≤K-1,1≤i≤N_p：

s_i(m)＝x(m+i·M+k·S),0≤m≤K-1,1≤i≤N_p

其中，m为拷贝信号的离散时间索引且m为整数，i为拷贝信号序号，s_i(m)表示第i个拷贝信号，K为拷贝信号长度，N_p为提取的子脉冲信号或截取的拷贝信号的个数。

(4)将多个子脉冲信号与截取的拷贝信号进行匹配滤波得到多个匹配结果，具体包括如下步骤：

步骤4-1：令i＝1；

步骤4-2：计算第i个子脉冲信号的离散傅里叶变换X_i(l),0≤l≤M-1：

其中，l为X_i(l)的离散频率索引且l为整数，j表示虚数单位，即该式可通过快速傅里叶变换实现；

步骤4-3：将第i个拷贝信号补零：

步骤4-4：计算第i个拷贝信号的离散傅里叶变换S_i(l),0≤l≤M-1：

其中，j表示虚数单位，即该式可通过快速傅里叶变换实现；

步骤4-5：计算第i个子脉冲信号的离散傅里叶变换与第i个拷贝信号的离散傅里叶变换共轭的乘积Y_i(l),0≤l≤M-1：

Y_i(l)＝S_i ^*(l)·X_i(l),0≤l≤M-1

步骤4-6：在频域对Y_i(l)进行处理：

其中，fix(·)代表向下取整运算；

步骤4-7：对Y_i(l)做离散傅里叶逆变换并取模得到第i个匹配结果y_i(n),0≤n≤M-1：

其中，|·|代表取模运算；

步骤4-8：令i＝i+1，如果i小于等于N_p，则返回步骤4-2计算下一组信号的匹配滤波结果，否则进入步骤(5)。

(5)将多个匹配结果累加得到累加信号：

其中，y_M(n)代表累加信号。

(6)利用累加信号进行恒虚警检测判决：

采用如下方法利用累加信号进行恒虚警检测判决：

步骤6-1：取累加信号的幅度最大值为v_m：

v_m＝max({y_M(n),n＝0,1…,M-1})

步骤6-2：计算恒虚警检测的判决门限α：

α＝-2·log₁₀(P_f)·σ²·N_p

其中N_p为提取的子脉冲信号或截取的拷贝信号的个数，P_f为虚警率且P_f的范围为0＜P_f＜1，σ²为噪声方差，方差的大小由信噪比SNR和信号幅度A决定：

SNR＝10log₁₀[A²/(2σ²)]

步骤6-3：判断v_m≥α是否成立，若成立则退出循环，并判决接收信号中存在信标信号；否则令k＝k+1，如果k·S≤M-1-K，即截取的拷贝信号的索引未超过有效信号范围，则返回步骤(3-2)进行下一次的局部匹配累加处理，否则退出循环，并判决接收信号中不存在信标信号。

本实施例中，仿真水声信标多脉冲信号模型为：

其中A为信号幅度，为初始相位，τ₁为多脉冲信号首个子脉冲到达时间，τ为脉冲宽度，T为脉冲周期，f₁为信号频率，w_p(t)为均值为0，方差为σ²的高斯白噪声，方差σ²的大小由信噪比SNR决定：SNR＝10log₁₀[A²/(2σ²)]，N为子脉冲个数，p为子脉冲序号。

以采样频率f_s对上述多脉冲信号进行离散采样可得到多脉冲信号采样数据序列：

其中，n₁＝round(τ₁f_s)，M₀＝round(τf_s)，M＝round(Tf_s)。

实施例1：

仿真水声信标多脉冲信号参数分别设置为：信号幅度A＝1，初始相位脉宽τ＝0.01s，脉冲周期T＝1.0s，多脉冲信号首脉冲到达时间τ₁＝0.256s，信号频率f₁＝37.5kHz，子脉冲个数N＝9，采样频率f_s＝128kHz，单周期数据点数M＝128k，观测数据序列点数L＝NM＝1152k，提取的子脉冲信号或拷贝信号的个数N_p＝8，信噪比SNR＝0dB，虚警率P_f＝0.001，恒虚警检测的判决门限α＝55.26，p为子脉冲序号。

依据第(2)-(6)步，提取观测信号中的多个子脉冲信号，截取每个子脉冲信号所对应的拷贝信号进行匹配滤波，得到多个匹配结果后累加得到累加信号，当k＝3时的观测信号及累加信号如图2和图3所示，当k＝13时的观测信号及累加信号如图4和图5所示。当k＝3时，v_m＝7.60，v_m小于恒虚警检测的判决门限α且k·S≤M-1-K，返回步骤(3-2)进行下一次的局部匹配累加处理；当k＝13时，v_m＝605.80，v_m大于恒虚警检测的判决门限α，退出循环并判决信标信号存在。

Claims (4)

1.一种基于脉冲匹配累加的声信标信号截获处理方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

(1)获取待处理的水声信标观测信号的采样数据序列x(n)，n＝0,1,2,...,L-1，所述n为x(n)的离散时间索引，L为水声信标观测信号长度所对应的采样点个数，取值为正整数，且大于等于3·T₀·f_s和2中较大的一个，其中，T₀为已知的水声信标信号周期，f_s为已知的采样频率；

(2)提取水声信标观测信号中的多个子脉冲信号；

(3)截取每个子脉冲信号所对应的拷贝信号；

(4)将多个子脉冲信号与截取的拷贝信号进行匹配滤波得到多个匹配结果；

(5)将多个匹配结果累加得到累加信号；

(6)利用累加信号进行恒虚警检测判决；

在步骤(2)中，采用如下方法提取水声信标观测信号中的多个子脉冲信号：

步骤2-1：计算每个子脉冲信号的长度M：

M＝max(round(T·f_s),1)

其中，T为已知的水声信标信号周期，f_s为已知的采样频率，max(·)为取最大值运算，round(·)代表四舍五入取整运算；

步骤2-2：从水声信标观测信号中提取多个子脉冲信号x_i(m),0≤m≤M-1,1≤i≤N_p：

x_i(m)＝x(m+(i-1)·M),0≤m≤M-1,1≤i≤N_p

其中，m为子脉冲信号的离散时间索引，m为整数，i为子脉冲信号序号，x_i(m)表示第i个子脉冲信号，N_p为提取的子脉冲信号或截取的拷贝信号的个数，N_p＝max(fix(L/M)-1,1)，其中fix(·)代表向下取整运算；

步骤(4)中，采用如下方法将多个子脉冲信号与截取的拷贝信号进行匹配滤波得到多个匹配结果，具体包括如下步骤：

步骤4-1：令i＝1；

步骤4-2：计算第i个子脉冲信号的离散傅里叶变换X_i(l),0≤l≤M-1：

其中，l为X_i(l)的离散频率索引且l为整数，j表示虚数单位，即该式可通过快速傅里叶变换实现；

步骤4-3：将第i个拷贝信号补零：

步骤4-4：计算第i个拷贝信号的离散傅里叶变换S_i(l),0≤l≤M-1：

其中，j表示虚数单位，即该式可通过快速傅里叶变换实现；

步骤4-5：计算第i个子脉冲信号的离散傅里叶变换与第i个拷贝信号的离散傅里叶变换共轭的乘积Y_i(l),0≤l≤M-1：

Y_i(l)＝S_i ^*(l)·X_i(l),0≤l≤M-1

步骤4-6：在频域对Y_i(l)进行处理：

其中，fix(·)代表向下取整运算；

步骤4-7：对Y_i(l)做离散傅里叶逆变换并取模得到第i个匹配结果y_i(n),0≤n≤M-1：

其中，|·|代表取模运算；

步骤4-8：令i＝i+1，如果i小于等于N_p，则返回步骤4-2计算下一组信号的匹配滤波结果，否则进入步骤(5)。

2.根据权利要求1所述的一种基于脉冲匹配累加的声信标信号截获处理方法，其特征在于，在步骤(3)中，采用如下方法截取每个子脉冲信号所对应的拷贝信号，具体包括如下步骤：

步骤3-1：令k＝0；

步骤3-2：计算拷贝信号长度K和截取拷贝信号时的滑动步进S：

K＝max(round(τ·f_s),1),S＝max(round(τ·f_s/4),1)

步骤3-3：截取每个子脉冲信号对应的拷贝信号s_i(m),0≤m≤K-1,1≤i≤N_p：

s_i(m)＝x(m+i·M+k·S),0≤m≤K-1,1≤i≤N_p

其中，m为拷贝信号的离散时间索引且m为整数，i为拷贝信号序号，s_i(m)表示第i个拷贝信号，K为拷贝信号长度，N_p为提取的子脉冲信号或截取的拷贝信号的个数。

3.根据权利要求1所述的一种基于脉冲匹配累加的声信标信号截获处理方法，其特征在于，步骤(5)中，采用如下方法将多个匹配结果累加得到累加信号：

其中，y_M(n)代表累加信号。

4.根据权利要求1所述的一种基于脉冲匹配累加的声信标信号截获处理方法，其特征在于，步骤(6)中，采用如下方法利用累加信号进行恒虚警检测判决：

步骤6-1：取累加信号的幅度最大值为v_m：

v_m＝max({y_M(n),n＝0,1…,M-1})

步骤6-2：计算恒虚警检测的判决门限α：

α＝-2·log₁₀(P_f)·σ²·N_p

其中N_p为提取的子脉冲信号或截取的拷贝信号的个数，P_f为虚警率且P_f的范围为0＜P_f＜1，σ²为噪声方差，方差的大小由信噪比SNR和信号幅度A决定：

SNR＝10log₁₀[A²/(2σ²)]

步骤6-3：判断v_m≥α是否成立，若成立则退出循环，并判决接收信号中存在信标信号；否则令k＝k+1，如果k·S≤M-1-K，即截取的拷贝信号的索引未超过有效信号范围，则返回步骤(3-2)进行下一次的局部匹配累加处理，否则退出循环，并判决接收信号中不存在信标信号。