CN112714083B - 水声信道估计方法、装置、水声设备和存储介质 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及一种水声信道估计方法、系统、水声设备和存储介质。所述方法包括：接收水声信号，将所述水声信号转化为第一信号，对所述第一信号进行降采样处理，获得第二信号，所述水声信号为带通形式；将所述第二信号进行分组，获得第三信号；逐一将每组所述第三信号的带宽降采样到基带信号的带宽，获得第四信号；对所有所述第四信号利用压缩感知的稀疏信道估计算法进行估计，获得估计信道信号；将所有所述估计信道信号通过交叉排列重构，获得信道信号，采用本方法能够通过分组、降低采样可以完成基带采样点以及两个基带采样点之间的信道评估，提高了信道评估的准确度，且使用压缩感知技术可对宽带信号进行信道评估。

Description

水声信道估计方法、装置、水声设备和存储介质
技术领域
本申请涉及水声信号处理技术领域，特别是涉及一种水声信道估计方法、装置、水声设备和存储介质。
背景技术
随着军事和海洋开发的发展，水中通信的研究越来越受人们重视。由于电磁波在水下传播衰减严重，水下信号的传播复杂多变，声波成为水下通信的主要方式。
水声信道是一个时空频变的多径衰落信道，多径传播主要由界面的边界反射，以及声波在传播过程中发生弯曲造成的。多径传播会引起时延的扩展，在浅海信道，时延扩展可达几百毫秒；在深海信道，时延扩张可达几十微妙到几秒量级。此外，信源的距离、速度、方向也会改变，解决延迟时间的问题成为近年来主要研究方向，水声信道延时估计是水中通信信号处理的一个重要环节。尤其是压缩感知(Compressive Sensing)技术应用在水声信道延时估计中，比传统方法能获得更优的精度，传统方法包括MUSIC算法、ESPRIT算法。然而目前压缩感知信道估计的方法仅适用于基带信号，如果信道多径位于两个基带采样点之间，则会导致该方法的信道估计不准确。
综上所述，亟需一种准确高且适用于宽带信号的信道估计方法。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种准确高且适用于宽带信号的水声信道估计方法、装置、水声设备和存储介质。
一种水声信道估计方法，所述方法包括：
接收水声信号，将所述水声信号转化为第一信号，对所述第一信号进行降采样处理，获得第二信号，所述水声信号为带通形式；
将所述第二信号进行分组，获得第三信号；
逐一将每组所述第三信号的带宽降采样到基带信号的带宽，获得第四信号；
对所有所述第四信号利用压缩感知的稀疏信道估计算法进行估计，获得估计信道信号；
将所有所述估计信道信号通过交叉排列重构，获得信道信号。
在其中一个实施例中，还包括：
对所述信道信号进行稀疏化处理。
在其中一个实施例中，所述对所述信道信号进行稀疏化处理具体：
找出所述信道信号的所有局部最大值；
保留所述局部最大值，其它信号点值设置为零。
在其中一个实施例中，所述第二信号的带宽为基带信号带宽的M倍，所述M为大于1的整数。
在其中一个实施例中，所述分组的个数为M。
在其中一个实施例中，所述方法还包括：
发送水声信号并通过水声信道传输。
一种水声信道估计装置，所述装置包括：
信号接收模块，用于接收水声信号，将所述水声信号转化为第一信号，对所述第一信号进行降采样处理，获得第二信号，所述水声信号为带通形式；
信号分组模块，用于将所述第二信号进行分组，获得第三信号；
信号降采样模块，用于逐一将每组所述第三信号的带宽降采样到基带信号的带宽，获得第四信号；
信道估计模块，用于对所有所述第四信号利用压缩感知的稀疏信道估计算法进行估计，获得估计信道信号；
信号重构模块，用于将所有所述估计信道信号通过交叉排列重构，获得信道信号。
一种水声设备，包括换能器、存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现以下步骤：
接收水声信号，将所述水声信号转化为第一信号，对所述第一信号进行降采样处理，获得第二信号，所述水声信号为带通形式；
将所述第二信号进行分组，获得第三信号；
逐一将每组所述第三信号的带宽降采样到基带信号的带宽，获得第四信号；
对所有所述第四信号利用压缩感知的稀疏信道估计算法进行估计，获得估计信道信号；
将所有所述估计信道信号通过交叉排列重构，获得信道信号。
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：
接收水声信号，将所述水声信号转化为第一信号，对所述第一信号进行降采样处理，获得第二信号，所述水声信号为带通形式；
将所述第二信号进行分组，获得第三信号；
逐一将每组所述第三信号的带宽降采样到基带信号的带宽，获得第四信号；
对所有所述第四信号利用压缩感知的稀疏信道估计算法进行估计，获得估计信道信号；
将所有所述估计信道信号通过交叉排列重构，获得信道信号。
上述水声信道估计方法、装置、水声设备和存储介质，通过接收水声信号，将所述水声信号转化为第一信号，对所述第一信号进行降采样处理，获得第二信号，所述水声信号为带通形式；将所述第二信号进行分组，获得第三信号；逐一将每组所述第三信号的带宽降采样到基带信号的带宽，获得第四信号；对所有所述第四信号利用压缩感知的稀疏信道估计算法进行估计，获得估计信道信号；将所有所述估计信道信号通过交叉排列重构，获得信道信号，通过分组、降低采样可以完成基带采样点以及两个基带采样点之间的信道评估，提高了信道评估的准确度，且使用压缩感知技术可对宽带信号进行信道评估。
附图说明
图1为一个实施例中水声信道估计方法的应用场景图；
图2为一个实施例中一水声信道估计方法的流程示意图；
图3为一个实施例中另一水声信道估计方法的流程示意图；
图4为一个实施例中水声信道估计装置的结构框图；
图5为一个实施例中水声设备的内部结构图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
本申请提供的水声信道估计方法，可以应用于如图1所示的水声系统应用环境中。所述水声系统包括水声发送设备及水声接收设备，水声发送设备及水声接收设备之间均为已知信号，且带宽相同。其中，水声发送设备101通过水声信道与水声接收设备102进行通信，两者均包括换能器，换能器广泛用于水中通信、探测、目标定位、跟踪等，是声纳的重要部件，水下的探测、识别、通信，以及海洋环境监测和海洋资源的开发，都离不开换能器。相应的，水声发送设备101、水声接收设备102可以但不限于是水声探测设备、水声定位设备、水声跟踪设备及水声通信设备。所述水声发送设备101的换能器是将电信号转换为水声信号，所述水声接收设备102的换能器包括将水声信号转换成电信号，其换能器用来接收水中的声信号，称为接收换能器，也常称为水听器。
在一个实施例中，如图2所示，提供了一种水声信道估计方法，以该方法应用于图1中的水声接收设备为例进行说明，包括以下步骤：
步骤S201，接收水声信号，将所述水声信号转化为第一信号，对所述第一信号进行降采样处理，获得第二信号，所述水声信号为带通形式。
其中，水声发送设备的换能器发送水声信号并通过水声信道传输。水声接收设备通过换能器的P个接收通道接收水声信号，将所述水声信号转化为第一信号，对所述第一信号进行降采样处理，获得第二信号，所述水声信号为带通形式，所述P为大于等于2的整数。所述第二信号的带宽为基带信号带宽的M倍，所述M为大于1的整数。
步骤S202，将所述第二信号进行分组，获得第三信号。
其中，将所述第二信号进行分组，所述分组的个数为M，获得第三信号。
步骤S203，逐一将每组所述第三信号的带宽降采样到基带信号的带宽，获得第四信号。
其中，将步骤S202分组获得M组第三信号的带宽逐一通过降采样到基带信号的带宽，获得M组第四信号。
步骤S204，对所有所述第四信号利用压缩感知的稀疏信道估计算法进行估计，获得估计信道信号。
其中，对步骤S203获得M组第四信号，利用现有压缩感知的稀疏信道估计算法进行估计，获得估计信道信号。
步骤S205，将所有所述估计信道信号通过交叉排列重构，获得信道信号。
其中，将所有所述估计信道信号通过交叉排列重构，获得信道信号，通过分组、降低采样等处理将宽带信号处理为基带信号，再利用压缩感知的稀疏信道估计算法进行估计，最后进行信号重构，可完成基带采样点以及两个基带采样点之间的信道评估，提高了信道评估的准确度。
上述水声信道估计方法中，接收水声信号，将所述水声信号转化为第一信号，对所述第一信号进行降采样处理，获得第二信号，所述水声信号为带通形式；将所述第二信号进行分组，获得第三信号；逐一将每组所述第三信号的带宽降采样到基带信号的带宽，获得第四信号；对所有所述第四信号利用压缩感知的稀疏信道估计算法进行估计，获得估计信道信号；将所有所述估计信道信号通过交叉排列重构，获得信道信号，通过分组、降低采样可以完成基带采样点以及两个基带采样点之间的信道评估，提高了信道评估的准确度，且使用压缩感知技术可对宽带信号进行信道评估。
在一个实施例中，如图3所示，提供了另一种水声信道估计方法，该方法包括以下步骤：
步骤S301，接收水声信号，将所述水声信号转化为第一信号，对所述第一信号进行降采样处理，获得第二信号，所述水声信号为带通形式。
步骤S302，将所述第二信号进行分组，获得第三信号。
步骤S303，逐一将每组所述第三信号的带宽降采样到基带信号的带宽，获得第四信号。
步骤S304，对所有所述第四信号利用压缩感知的稀疏信道估计算法进行估计，获得估计信道信号。
步骤S305，将所有所述估计信道信号通过交叉排列重构，获得信道信号。
步骤S306，对所述信道信号进行稀疏化处理。
其中，对所述信道信号进行稀疏化处理，具体的，找出所述信道信号的所有局部最大值；保留所述局部最大值，其它信号点值设置为零，完成对信道信号的稀疏化处理。
应该理解的是，虽然图2-3的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图2-3中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
在一个实施例中，如图4所示，提供了一种水声信道估计装置，所述装置包括：信号接收模块41、信号分组模块42、信号降采样模块43、信道估计模块44和信号重构模块45，其中：
信号接收模块41，用于接收水声信号，将所述水声信号转化为第一信号，对所述第一信号进行降采样处理，获得第二信号，所述水声信号为带通形式；
信号分组模块42，用于将所述第二信号进行分组，获得第三信号；
信号降采样模块43，用于逐一将每组所述第三信号的带宽降采样到基带信号的带宽，获得第四信号；
信道估计模块44，用于对所有所述第四信号利用压缩感知的稀疏信道估计算法进行估计，获得估计信道信号；
信号重构模块45，用于将所有所述估计信道信号通过交叉排列重构，获得信道信号。
进一步地，所述装置还包括：
信号稀疏模块，用于对所述信道信号进行稀疏化处理。其中，信号稀疏模块具体用于找出所述信道信号的所有局部最大值；保留所述局部最大值，其它信号点值设置为零。
关于水声信道估计装置的具体限定可以参见上文中对于水声信道估计方法的限定，在此不再赘述。上述水声信道估计装置中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于水声设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于水声设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。
在一个实施例中，提供了一种水声设备，该水声设备可以是终端，其内部结构图可以如图5所示。该水声设备包括通过系统总线连接的处理器、存储器和换能器。其中，该水声设备的处理器用于提供计算和控制能力。该水声设备的存储器包括非易失性存储介质、内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统和计算机程序。该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该计算机程序被处理器执行时以实现一种水声信号波达方向估计方法。
本领域技术人员可以理解，图5中示出的结构，仅仅是与本申请方案相关的部分结构的框图，并不构成对本申请方案所应用于其上的水声设备的限定，具体的水声设备可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。
在一个实施例中，提供了一种水声设备，包括换能器、存储器和处理器，该存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述实施例所述水声信道估计方法的步骤。
在一个实施例中，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述实施例所述水声信道估计方法的步骤。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器(ROM)、可编程ROM(PROM)、电可编程ROM(EPROM)、电可擦除可编程ROM(EEPROM)或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器(RAM)或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM以多种形式可得，诸如静态RAM(SRAM)、动态RAM(DRAM)、同步DRAM(SDRAM)、双数据率SDRAM(DDRSDRAM)、增强型SDRAM(ESDRAM)、同步链路(Synchlink)DRAM(SLDRAM)、存储器总线(Rambus)直接RAM(RDRAM)、直接存储器总线动态RAM(DRDRAM)、以及存储器总线动态RAM(RDRAM)等。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种水声信道估计方法，其特征在于，所述方法包括：
接收水声信号，将所述水声信号转化为第一信号，对所述第一信号进行降采样处理，获得第二信号，所述水声信号为带通形式；
将所述第二信号进行分组，获得第三信号；
逐一将每组所述第三信号的带宽降采样到基带信号的带宽，获得第四信号；
对所有所述第四信号利用压缩感知的稀疏信道估计算法进行估计，获得估计信道信号；
将所有所述估计信道信号通过交叉排列重构，获得信道信号。
2.根据权利要求1所述的水声信道估计方法，其特征在于，所述将所有所述估计信道信号通过交叉排列重构，获得信道信号之后，所述方法还包括：
对所述信道信号进行稀疏化处理。
3.根据权利要求2所述的水声信道估计方法，其特征在于，所述对所述信道信号进行稀疏化处理具体：
找出所述信道信号的所有局部最大值；
保留所述局部最大值，其它信号点值设置为零。
4.根据权利要求1所述的水声信道估计方法，其特征在于，所述第二信号的带宽为基带信号带宽的M倍，所述M为大于1的整数。
5.根据权利要求4所述的水声信道估计方法，其特征在于，所述分组的个数为M。
6.根据权利要求1所述的水声信道估计方法，其特征在于，所述接收水声信号之前，所述方法还包括：
发送水声信号并通过水声信道传输。
7.一种水声信道估计装置，其特征在于，所述装置包括：
信号接收模块，用于接收水声信号，将所述水声信号转化为第一信号，对所述第一信号进行降采样处理，获得第二信号，所述水声信号为带通形式；
信号分组模块，用于将所述第二信号进行分组，获得第三信号；
信号降采样模块，用于逐一将每组所述第三信号的带宽降采样到基带信号的带宽，获得第四信号；
信道估计模块，用于对所有所述第四信号利用压缩感知的稀疏信道估计算法进行估计，获得估计信道信号；
信号重构模块，用于将所有所述估计信道信号通过交叉排列重构，获得信道信号。
8.根据权利要求7所述的水声信道估计装置，其特征在于，所述装置还包括：
信号稀疏模块，用于对所述信道信号进行稀疏化处理。
9.一种水声设备，包括换能器、存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至6中任一项所述方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至6中任一项所述的方法的步骤。
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GR01 Patent grant
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